Photographier Le ciel profond avec des objets en général peu lumineux n'est pas une opération si simple que cela. On se dit qu'il faut augmenter à l'infini le temps de pose mais le résultat n'est pas au rendez-vous. Un des éléments essentiels de la qualité d'une photo est le rapport signal sur bruit ou le contraste entre l'objet observé et le reste.
Un photo numérique maintenant est composée de pixels. Un pixel est un ensemble de photocytes chacun sensible à une couleur (en général il y a deux photocytes vert un photocyte bleu et un photocyte rouge.
Chaque photocype enregistre une intensité lumineuse qu'il traduit en un niveau dit ADU (Analog Digital Unit) de 0 à 65535.
Pour éviter se s'embrouiller on va raisonner sur une seule couleur.
On va prendre une séquence de 6 photos de 60 secondes sur un même objet. On récupère les images brutes de l'appareil (CR2 mode raw)
Pour comprendre et analyser les photos j'utilise Iris et je vais voir ce qui se passe au niveau d'une étoile. On va considérer que l'étoile faible est l'objet que je veux observer.
Prenons la première photo (image 1 et image 2) Sur l'image 1 on determine le maximum sur l'étoile à 629 ADU. Avec l'image 2 on determine la mediane du fond du ciel (petit carré sans étoile) à 276 ADU la moyenne de 276,24. Les pixels dans ce petit carré de fond de ciel ne sont pas tous à la même valeur de 276, certains sont à 278, d'autres à 270 d'autre encore à 275 mais la moyenne est de 274.
L'eccart type ou sigma qui mesure la dispersion des valeurs des pixels autour de la moyenne (racine de la moyenne des eccarts à la moyenne au carré) est de 5,71 ADU.
On peut assimiler que ces fluctuations de l'intensité lumineuse entre deux pixels voisins sont les même que pour le même pixel mais pour l'intensité lumineuse meusurée dans le temps.
L'intensité de l'étoile est sur 60 secondes en moyenne de 629 ADU avec une fluctuation entre deux images de l'étoile de 5,71 ADU
Maintenant on fait une photo de 360 secondes en une fois ou en accumulant des signaux de 6 photos de 60 secondes du même objet.
Le resultat est donné dans les images 4 et 5. L'etoile est maintenant à 3507 ADU le fond du ciel est à 1658 avec des fluctuations de 11,93 ADU.
En multipliant le temps de la photo par 6 le fond du ciel est passé de 276 ADU avec des fluctuations de 5,71 (sigma) à 1658 = 6 fois 276 avec des fluctuations de 11,92 = racine(6)* 5,71.
Le signal augmente comme le temps de pose , le bruit sur le signal augmente comme la racine carrée du temps de pose.
Le rapport signal sur bruit croit comme la racine carrée du temps de pose.
Une analyse mesurée est faite dur http://astronomie.aparcourir.com/M45-20130208.html?obs=89&obj=M45#
Pour diminuer le bruit du fond ou lisser le signal utile entaché de ce bruit il n'y a rien d'autre à faire que d'additionner les photos. Cela est utile pour sortir des signaux faibles de la photos.
Si par exemple le signal utile est de 20 ADU c'est très faible sur une photo et que le bruit est de sigma=20 ADU. Le signal sera noyé dans le bruit. En additionnant 4 images en normalisant, le bruit rms du fond ou supperposé au signal sera 10 (voir tableau ci-dessous) pour un signal de 20. On commencera a voir le signal de 10 ADU au dessus du bruit.
Mais qu'en est t-il du temps de pose à adopter pour une photo.
Mon sentiment c'est que le compositable n'est pas là pour amener du signal mais pour améliorer le contraste du signal par rapport au bruit en diminuant justement ce bruit.
Donc l'image au départ doit être bonne.
Avant tout il faut obtenir la meilleur dynamique sur ce que l'on veux voir.
Le signal que l'on souhaite observer va croître avec le temps de pose et le bruit vas croître mais moins vite que le signal avec le temps comme pour l'addition des photos. Cependant le bruit qui est en fait la somme de différents bruits dont le comportement avec le temps de pose n'est pas le même. Et il vaut mieux éviter la multiplicité des prises qui rajoute à chaque fois le bruit de numérisation et peut être d'autres qui ne croissent pas avec le temps. Ces bruits sont d'autant plus forts que les signaux sont faibles ou que la dynamique utilisée est faible.
La pose doit être la plus longue possible avec cependant le problème du guidage ou la perte d'une photo longue pour cause de passage de satellite.
Le niveau du fond du ciel détermine la dynamique utilisée pour l'objet que l'on observe. On sera toujours gagnant à utiliser le maximum de dynamique pour l'objet que l'on observe sur chacune de photos. C'est pourquoi des capteurs en 16 bits (65536 niveaux) sont mieux que des capteurs en 12 bits (4096 niveaux cas de l'EOS1000D) ( ou 10 bits (1024 niveaux). Une étoile va très vite atteindre les niveau maximum (saturation) mais cela n'est pas en soit un problème.
A Bouc Bel Air dans un environnement très pollué, une pose de 60 secondes donne près de 700 ADU moyen du fond du ciel. La dynamique totale réelle est de 3600 ADU (voir les caractéristiques de l'EOS 1000D). L'objet doit être visible il faut donc qu'il soit plus lumineux que le fond du ciel bien sûr. Avec une pose de 5 minutes le fond du ciel sera saturé et donc a fortiori l'objet. C'est la que l'on comprend l'intérêt des filtres antipollution.
