Images numériques

Si on utilise le courant délivré par chaque photosite d’un capteur CCD simple, on obtient une image en noir et blanc. Pour générer une image en couleur, il faut spécialiser les photosites pour chaque couleur primaire. On utilise pour cela un filtre coloré appelé filtre de Bayer. Ce filtre est constitué de quadruplets de petits filtres (rouge, vert bleu), laissant passer la lumière et venant chacun masquer quatre photosites du capteur CCD. Pour reconstituer un pixel (point image élémentaire) en couleur, chaque groupe de quatre photosites est ainsi associé à un masque bleu, un rouge et deux verts. Cette répartition correspondant à la sensibilité de la vision humaine. Lorsqu’un quadruplet est éclairé par une lumière blanche, chacun de ses quatre photosites qui lui sont associés reçoit alors la même quantité de lumière (chaque filtre laissant passer la couleur qui le concerne) et produit donc un courant identique. Le calculateur de l'appareil en déduit qu'il s'agit d’une lumière blanche. Si en revanche, la lumière reçue est composée de plusieurs couleurs, le capteur emmagasine sur sa matrice, des électrons en quantités correspondantes et il le traduit en un dosage des couleurs RGB* correspondant à la couleur de la source. Le schéma ci-dessous explique ce processus.

La lumière issue du sujet (1) composé de différentes couleurs, passe par le système optique (2), en général l’objectif du télescope ou de l’appareil de prise de vue. Elle traverse ensuite le filtre de Bayer (3) avant d’arriver sur la matrice du capteur CCD  (4). A chaque photosite de la matrice du capteur, correspond un petit carré du filtre de Bayer. Après le passage des flux lumineux issus du sujet  à travers les masques colorés du filtre de Bayer, chaque photosite du capteur se chargera en fonction des couleurs qu’aura laissées passer le filtre. Il transformera ces différents flux lumineux en informations électriques, matérialisées sur le schéma de la matrice (5) par la lettre e (électrons) . Par exemple, si on prend la partie rouge du sujet (1) seules les parties rouge du filtre de Bayer laisseront passer la lumière rouge et donc seul les photosites correspondants produiront un courant (premier pavé en haut à gauche de la matrice (3) ou (5). Dans la matrice (5) les trois pavés supérieurs traduisent les trois couleurs primaires rouge, vert et bleu les électrons sont donc répartis selon les couleurs correspondantes. Dans la même matrice, les trois pavés du bas montrent  en revanche comment les photosites génèrent d’autres couleurs, en association des couleurs différentes. Ensuite, le calculateur (6) transformera toutes ces informations électriques en données numériques schématisées sur la  matrice (7), qu’un ordinateur exploitera pour créer une image couleur conforme au sujet (1).
* RGB: de l’anglais Red (rouge) Green (vert) et Blue (bleu).
La photographie ci-contre a été prise à une distance de 50 m avec une lunette f 6.8 et un appareil photographique EOS 300D (grossissement d’environ 20 x).

Les quatre images de détails suivantes sont issues d’un fichier RAW convertis en quatre formats: bitmap, JPEG et JPEG compressé. Ils représentent la partie encadrée en bleu sur la photo ci-contre.Suivant le taux de compression, on note une dégradation des détails, nettement perceptibles sur la seconde ligne d’images. Ces images correspondant à la zone identifiée en rouge dans le cliché 1, soit un grossissement de 1.800 fois l’image originale. On voit au niveau le plus fin (pixels) comment cette dégradation se manifeste. Pour exemple, le cercle jaune représente la taille d’une étoile de 8^ème magnitude sur le même capteur numérique.

1: BITMAP: 8,5 kilo-octets (qualité optimale)
2: JPEG: 6,4 kilo-octet (qualité optimale pour ce format)
3: JPEG compressé à 50%: 5,5 kilo-octets (qualité document)
4: JPEG compressé à 75%, 3,6 kilo-octets (qualité web)

Nous venons de voir que suivant les formats de fichiers d’images numériques ou leur taux de compression, on obtient des niveaux de qualité variable qui montrent une dégradation rapide des détails, ce qui sera inévitablement le cas, lorsqu’on photographiera des objets dont la taille n’excède pas quelques pixels. Il convient alors de bien choisir son format. Le format BITMAP est un format non compressé, il restitue chaque pixel sous la forme d’une suite de nombres, à raison de trois nombres pour chaque couleur (Rouge, Vert, Bleu), ce type d’image restitue fidèlement les informations parvenues au capteur mais présente l’inconvénient d’être très lourd. Une image couleur de 6 millions de pixel (ce qui est courant sur un appareil numérique) pèse 18 mégaoctets. Cet inconvénient a conduit les fabricants à exploiter d’autres formats d’image notamment le JPEG dans lequel les données issues des capteurs sont codées et décodées suivant des algorithmes complexes ayant pour but de réduire l’espace occupé tout en maintenant une qualité visuelle correcte de l’image. Plus les taux de compression sont élevés, plus l’image perd en qualité, tout en devenant plus légère. Dans ce cas il s’agit d’un compromis entre le poids du fichier et la qualité de l’image. Le format JPEG, le plus utilisé en photographie traditionnelle est cependant déconseillé en astronomie car la réduction du poids se traduit par la perte d’un grand nombre d’informations au niveau de chaque pixel.

RAW: Ce format restitue dans son intégralité les informations lumineuses recueillies par le capteur après leur passage dans la matrice de Bayer. On le compare parfois à l’équivalent numérique du négatif de nos anciennes photographies argentiques. C’est le format le plus utilisé pour réaliser des images de grande qualité en astrophotographie. Cependant ce format, pour être traité par les logiciels utilisés par les astronomes, nécessite des opérations de conversion et de traitement qui peuvent rebuter les amateurs les plus impatients. Le format  FITS est un standard compatible avec quasiment tous les logiciels dédiés à l’astronomie, il est un des formats qui peut être obtenu à partir du format RAW sans dégradation d’image. Le format GIF est plutôt utilisé pour des petites animations sur le web. Il est assez léger car sa capacité n’est que de 256 couleurs par pixel. Il n’est généralement pas utilisé pour l’imagerie astronomique.

En règle générale pour effectuer des photographies astronomiques on utilisera le format RAW qui est parfois converti (sans perte de données) en BMP, FITS ou TIFF afin que les logiciels de traitement puissent le prendre en charge. Par exemple, le logiciel IRIS génère son propre format (PIC) à partir du format RAW. Un autre logiciel que j’utilise, Registax, permet quand à lui d’exploiter directement les formats BMP ou TIFF. Lorsque j’effectue des images en RAW ou CRW (format spécifique à Canon), je les convertis ensuite en BMP pour les traiter. Il m’arrive également de réaliser mes photos en JPG non compressé puis de les convertir en BMP pour effectuer un traitement plus light avec mon logiciel. Les résultats ne sont pas aussi fins que ceux obtenus avec du RAW mais suffisants pour restituer des images visuellement acceptables.