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Photographie sous la pollution lumineuse : petite analyse du rapport signal bruit.


Frederic Jabet
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La photographie des objets faibles à spectre continu est certainement ce qui pose le plus difficultés sous un ciel très pollué . Contrairement aux nébuleuses

à emission qui emettent selon des raies d'emission discrètes qu'il est facile d'isoler grâce à des filtres interférentiels à bande étroite (HA, SII, OIII, ,HB,KA...), les objets à spectre continu emettent sur toute la gamme visible qui nous interesse de 350 à 850nm. Ces objets peu lumineux sont principalement les galaxies et les nébuleuses à réflection (Iris, Pléïades...) qui renvoient le spectre continu de l'étoile qui les illumine.

Pour ces objets une solution n'est pas d'utiliser un filtre sélectif qui n'accepte que le signal utile, mais un filtre qui rejète le signal inutile, en l'occurence la pollution lumineuse.

Divers filtres existent et se distingue par leur sélectivité. Le LPS IDAS est réputé donner de très bons résultats sous un ciel modérément pollué et il respecte relativement la balance des couleurs. En revanche, sous un ciel très pollué comme celui de la banlieue proche de Paris, il faut une solution plus drastique. Le filtre réputé le plus sélectif pour des objets à spectre continu est le CLS d'Astronomik. Il rejette les raies d'emission qui correspondent aux éclairages urbains de type mercure, sodium et autres lampes à spectre étroit qui composent une grande partie de cette pollution.

 

cls.png

 

Néanmoins l'éclairage urbain comporte-t-il une partie non négligeable de pollution à spectre continu comme souvent les éclairages de stades et de bâtiments publiques.Et cette partie de l'éclairage est appelé à se développer avec l'arrivée d'éclairage basse consommation à diodes blanches qui emettent en général sur le jaune et le bleue.

 

Comme on peut le comprendre sur le graphique de la courbe de réponse du filtre, le CLS élimine une partie importante du signal utile en même temps que la pollution. Aussi peut on se demander dans quelle mesure, pour un temps de pose total donné, le gain attendu en rapport signal/fond de ciel compense la perte de signal utile.

 

Le test est le suivant :

 

1h de pose pour les deux solutions le but du jeu étant de comparer sur une session de durée équivalente. Sans le filtre, et parce qu'on ne peut poser trop

longtemps sans voir le fond de ciel "manger" le signal utile, on se limite à 2mn de pose unitaire soit 30 poses de 2mn avec un simple filtre luminance. Avec

le CLS nous pouvons poser plus longtemps car il stoppe en partie la pollution lumineuse. En revanche, comme il stoppe aussi une partie du signal, il faut effectivement des poses unitaires plus longues, soit 12 poses de 5 minutes avec ce filtre CLS.

La caméra utilise un capteur Sony ICX285, l'optique est un Schmitd Cassegrain de 200mm à 1200mm de focale depuis la proche banlieue Parisienne et le sujet est M74, belle mais discrète galaxie spirale.

 

30 poses contre 12, il est interessant de voir l'évolution du rapport signal/bruit qui évolue en théorie proportionellement à la racine carrée du nombre de poses. En l'occurence, le bruit, signal inutile, sera composé pour partie du bruit thermique, et du fond de ciel. Le premier est négligeable face au second.

 

Sur les poses de 120s sans filtre, le fond de ciel est à 23000 ADU. Avec une dynamique réelle inférieure à 15bits avec ce capteur (capacité des puits à électron de 18000e-), on ne peut pas raisonnablement poser plus longtemps. Le signal utile sur les bras de la galaxie monte jusqu'à 35000 ADU.

Avec le CLS et des poses 2,5 fois plus longues, le fond de ciel est à 9500 ADU, soit une valeur bien plus raisonnable. Les bras de M74 sont entre 9500 et 35000 ADU.

 

Sur ces valeurs, on voit donc que le CLS diminue le fond de ciel considérablement (facteur 6) et réduit le signal d'un facteur 2,5. La dynamique de la capture est donc aussi augmentée d'un facteur 3. En revanche, pour le même temps de pose, on n'a que 12 poses et donc un rapport signal bruit issu du stacking qui devrait être inférieur.

 

Voici l'évolution du rapport SNR au fil des poses :

 

SNR%20graph.jpg

 

On voit que le SNR des prises sans filtre (bleu) est très proche du rapport théorique (rouge) qui suit la racine carrée du nombre de poses.

En revanche, le SNR avec le CLS (en vert) est bien meilleur. Cette courbe a été vérifiée plusieurs fois avec différente images de référence. Les mesures sont faites sur des images stackées sans aucun traitement ni soustraction des flats/darks/offset. Le SNR en l'occurence montre le signal utile vs le signal de fond de ciel, donc il peut sembler logique que le SNR augmente plus vite que prévu.

 

Pour rappel, voici ce que donne l'image au fil des poses sur les poses sans le filtre CLS :

 

planche%20short.jpg

 

On voit que même si le SNR continue d'augmenter très sensiblement au delà de 10 poses, on atteint un rendu correct assez tôt. Néanmoins, le moindre traitement d'accentuation ou des choix de courbes aggressifs feront ressortir le bruit très rapidement. Il est donc important de faire beaucoup de poses.

 

Au final, avec une heure de poses, voici le résultat que l'on obtient (aucun traitement hors niveaux) :

 

comparaison%20court-long.jpg

 

Conclusion :

 

- L'image sans filtre a moins de signal. Cela montre donc bien que le CLS est efficace en permettant au capteur de mieux discrimine le signal utile. On peut

aussi poser bien plus longtemps pour augmenter la sensibilité totale. En revanche, le CLS absorbe du signal utile.L'image avec une heure de pose est la plus riche, mais elle est déjà en limite de traitement simplement après les niveaux. L'image manque de poses.

 

- La version sans filtre est bien plus lisse malgré un SNR plus faible. Moins de signal, mais elle peut être encore traitée alors que la version CLS est déjà

"au bout du rouleau". En revanche, avoir plus que 30 poses aurait probablement une valeur ajoutée faible surle rendu final.

 

- Augmenter le nombre de poses n'augmente le signal utile qu'à la marge. Encore une fois, on voit bien que la durée de la pose unitaire détermine le niveau du signal utile, et que le nombre de pose augmente le rapport signal bruit. Mais comme une image avec un meilleur SNR pourra subir plus de traitements, son signal utile, même plus faible, pourra être mieux exploité.

 

Le solution serait donc d'augmenter nombre de poses unitaires avec le CLS.

Edited by Frederic Jabet
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Bonjour,

 

merci pour cette étude très intéressante.

 

Si je reformule une des conclusions :

 

Ce qui détermine la qualité c'est la durée de la pose initiale. Cela va à l'encontre du faite que l'on entends souvent : une pose de 30 mn, c'est pareil que 30 poses de 1mn ... :confused:

 

La multiplication des poses permets de diminuer le bruit pour faire ressortir le signal mais n'améliore pas le signal ... Si je poursuis dans cette direction, le fait d'avoir moins de bruit permet alors de pousser plus le traitement.

 

J'ai juste ?

 

A+

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le sujet est M74, belle mais discrète galaxie spirale.

 

+1

 

 

pour le reste je n'ai pas de filtre , pas de ccd et un peu moins de PL que vous , mais cela faut un moment que je préfère les poses de 10 minutes à 5 poses de 2 minutes ....l'idéal étant 20 poses de 10 minutes ....

 

ça rejoint les conclusions du post de épinglé en haut de ce forum :( celui de patry ) : il faut poser longtemps et avec de poses unitaires longues ...

 

on est aussi gagnant au niveau du temps de traitement avec moins d'images à traiter , par contre l'acquisition est plus délicate : un avion ou un satellite et hop c'est 10 minutes de perdues d'un seul coup contre 2 minutes .....idem en cas de coup de vent qui entraine une perte de l'étoile guide ....

 

Merci pour ce travail très pédagogique et très très bien réalisé ! => chapeau !

 

amicalement

Edited by gglagreg
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Bonjour

 

Bon, sincérement j'ai un peu de mal à comprendre tes explications, mais c'est bien d'avoir fait ce boulot. Bravo.

 

Je retiens surtout que l'image de M74 en final (celle coupée en 2) n'est pas probante. Je préfere la partie droite sans filtrage, bcp plus fine.

En fait avec le traitement on fait un peu ce que l'on veut.

 

Christian

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C'est celle de gauche qui est bruitée

 

Oui mon doigt a fourché en tapant au clavier..:p

 

Seul le résultat compte. Celle de DROITE est plus fine et la résolution dans les spires est moins "artefacté"...

 

Bref pas de filtre... J'en étais arrivé à la même conclusion en 2007 avec mon filtre anti PL ... c'est un peu pour cette raison que j'ai pris un capteur pleine trame avec 100 000é- par photosite, le fond de ciel monte bcp moins vite.

 

Christian

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Bonjour Chonum,

 

Tu écris:

- Augmenter le nombre de poses n'augmente le signal utile qu'à la marge. Encore une fois, on voit bien que la durée de la pose unitaire détermine le niveau du signal utile, et que le nombre de pose augmente le rapport signal bruit. Mais comme une image avec un meilleur SNR pourra subir plus de traitements, son signal utile, même plus faible, pourra être mieux exploité.

 

Voila qui remet en cause mes "croyances":

-Je pensais qu'en ciel pollué on pouvait faire des poses assez courtes puisque le bruit de lecture était trés faible en regard du bruit de fond de ciel.

-Je pensais que le niveau du signal utile n'était pas fonction de la durée de la pose unitaire mais de la durée totale des poses.

-Je pensais que l'augmentation du RSignal/bruit n'était pas fonction du nombre de poses mais de la durée totale des poses cumulées (sa racine carrée exactement).

 

Il va falloir que je réfléchisse, car ce qui me semblait etre la logique théorique, ne correspond donc pas avec les conclusions que tu tires de tes tests en réel.

 

Merci pour ce gros boulot que l'on a pas toujours envie de faire, étant plutot préoccupé à sortir une belle image pendant que le ciel le permet . :)

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Le SNR suit bien une rêgle en racine carrée, mais sur le nombre de poses. C'est logique : si tu prends une seule image de 30 minutes par rapport à 3 images de 10 mn, le bruit est plus lissé sur la seconde après stacking.

Mais il y aura moins de signal puisqu'on parle de densité de flux de photons qui vont taper un substrat. Surtout sur les signaux très faibles qui ne seront pas présents sur toutes les poses et que l'addition en médiane ou en sigma clipping va supprimer.

 

Imaginons un pixel sur des poses de 1 et 2 minutes.

 

Série de 1mn, les résultats du pixels sont 3-3-4-2-4-5, ce qui va donner une mediane entre 3 et 4.

Série de 2 mn : 6-7-8, soit une médiane de 7. Même temps de pose, mais plus de signal avec des poses unitaires plus longues. Par contre, la première série aura un meilleur SNR.

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Bref pas de filtre... J'en étais arrivé à la même conclusion en 2007 avec mon filtre anti PL ... c'est un peu pour cette raison que j'ai pris un capteur pleine trame avec 100 000é- par photosite, le fond de ciel monte bcp moins vite.

 

Christian

 

Oui mais si tu est en ciel très très pollué comme le mien veut mieux prendre un filtre CLS ! il y as une limite au capteur qui monte moins vite ...

 

Regarde David.d lui en plein coeur de Melun (même ciel que moi) le filtre CLS s'impose on vas dire !

 

 

 

rémy

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  • 3 years later...

Très intéressant ce test.

Perso j'ai un CLS et il fonctionne à merveille (avec un APN).

Seul point dur, si on a des soucis d'autoguidage (vent, mauvaise monture...) on aura plus de déchet avec des poses plus longues. Et si on compte le temps total passé à imager (bonnes poses + mauvaises) on aura plus de temps avec le filtre.

Par contre j'aimerais savoir pourquoi multiplier le temps de pose par 2,5 avec le filtre ? Est ce que c'est au pifomètre ou est-ce le facteur d'absorption réel de ce filtre ?

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  • 5 years later...

Merci pour ce test très instructif.

On pourrait ajouter qu'avec la prise de conscience de nombreuses communes sur l'extinction de l'éclairage public, à la fois pour faire des économie d’énergie mais également pour la faune diurne, nous aurons à terme un peu moins de PL.

(Par contre, l'arrivée de l'éclairage LED pourrait inciter les communes à inverser le mouvement  ...)

Ci-joint un exemple pour ma commune (extinction de 1h30 à 5h30) avec 2 captures à 800 iso / 5mn / filtre CLS avant et après extinction des lampadaires :

IC434_avec_lampadaires.jpg

IC434_sans_lampadaires.jpg

  • J'aime 1
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Merci . Je suis tombé sur ce post un peu par hasard :rolleyes:

Par manque de temps et parce que j'étais encore en phase d’apprentissage, je n'avais pas encore utilisé mes 2 comptes webastro et astrosurf. C'est chose faite :wub:

Je publiais jusqu'à présent mes photos sur mon site web et Flickr.  Je me suis donc décidé à diffuser mes meilleurs photos. J'ai encore pas mal de (re)traitements en retard et je devrais donc être plus actif et participer aux forums ...

(Mon site web me génère également un peu de travail)

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Il y a 15 heures, Colmic a dit :

N'oublie pas de passer par la case présentation, il y a un forum dédié à ça.

Si ça fait comme pour moi, trois fois j'y suis passé par la case présentation et aucune des trois n'a été affiché. J'ai fini par en avoir marre de retaper  le texte (je sais j'aurais dû faire une copie) et j'ai laissé tombé.

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