Au sujet du Bruit et des ISO en astrophoto par Olivier D

HerveM
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Au sujet du Bruit et des ISO en astrophoto par Olivier D

Message par HerveM »

En réponse à une question D'Émilie

Je te confirme : contrairement à l'idée reçue, plus tu montes en iso sur un capteur cmos, plus le bruit de lecture est faible.

Il y a principalement 3 sources de bruit

- bruit de lecture : constant quel que soit la durée de pose. Que tu poses 1s ou 10min, à même iso c'est le même bruit. lié à la lecture du capteur. Sur les CCD il diminue quand on lit moins vite le capteur, donc en ciel profond il est lu très lentement sur les caméras astro. Mais pas sur les Cmos c'est pas le cas. Tous les APN courant actuel on des capteurs cmos. ce bruit ne dépend quasiment pas de la température du capteur. (variable suivant les capteur, souvent pas du tout, parfois un peu)

- le bruit thermique : il est lié à la température du capteur : plus c'est chaud, plus les électrons sont agités et ca a tendance à allumer les pixels comme si il avait reçu un photon. ce "courant de dark" en nombre d'électrons par seconde (e- / s) génère un bruit thermique qui est la racine carrée du courant de dark. le courant de dark est divisé par 2 environ quand la température baisse de 6 degrés. Donc le bruit thermique est divisé par 2 tous les 10 degrés. on a intérêt à avoir un capteur le plus froid possible.
Donc tu vois que ce bruit dépend de la température et de la durée de pose.

- le bruit photonique : c'est un bruit inhérent aux photons. sa valeur est la racine carrée du signal reçu. Il ne dépend que de la quantité de photons reçus. Donc plus la pose est longue plus le rapport signal à bruit = signal / racine(signal) s'améliore.

L'erreur commune que fais le grand public est de dire je doubles les iso et je pose 2 fois moins ça compense. Mais pas du tout. Le bruit de lecture va baisser un, peu mais on va recevoir 2 fois moins de photons, donc un bruit photonique multiplié par racine de 2 soit 1,4. au final l'image est plus bruité simplement parce qu'on a 2 fois moins de signal.

C'est bien la durée de pose qui compte : plus on collecte de photons moins on a de bruit. Et ensuite on optimise un peu en jouant sur les iso.

En photo classique, en baissant les iso, ça te permet de poser plus longtemps sans saturer donc de récupérer plus de photons donc image moins bruitée.

Il faut retenir que plus le signal est faible plus il faut monter en iso et poser longtemps.

Pareil pour le planétaire : on.pousse le gain de la caméra à 300 ou plus, ce qui permet de diminuer le bruit de lecture et pouvoir faire des poses plus courtes pour passer dans les trous de turbu. mais le bruit photonique augmente aussi car moins de signal, donc faut trouver le bon compromis. Mais il vaut quand même mieux avoir une image nette et bruité que bien lisse mais floue.
Sur les capture cet été je n'ai pas pu dépasser 13ms les meilleurs jours, au delà c'était flou. et je suis souvent descendu bien plus bas vers 4ms voir moins sur Mars. Je règle le temps en fonction de la turbu et ensuite j'ajuste le gain pour remplir l'histogramme sans saturer (la courbe de luminance croise l'axe vers 70% dans sharpcap)

Le bruit total est la somme quadratique des différents bruits c'est à dire la racine carrée de la somme des carrés des chaque bruit.

La conséquence de ça c'est que tu as tout intérêt à avoir un temps de pode unitaire suffisamment long pour que le bruit thermique et le bruit photonique dominent largement le bruit de lecture et le rendent quasiment négligeable dans l'image finale.
En astro un bon compromis est d'augmenter le temps de pose jusqu'à ce que le bruit du fond du ciel (le bruit total mesuré sur une petite portion de ciel sans étoile) soit au minimum de 3,5x plus grand que le bruit de lecture.
Le bruit de lecture se mesure sur une pose la plus courte possible avec le capteur masqué : donc pas de signal, donc pas de bruit photonique et pzs de bruit thermique car pose ultra courye donc il ne reste plus que le bruit de lecture.
c'est ce qu'on appelle un "offset" ou un "bias". c'est un dark ultra court.

Dans un dark on aura en plus le bruit thermique mais pas. de nuit photonique.

Autre idée reçue à casser : soustraire des des darks ne retire pas de bruit. au contraire ça en ajoute un peu.
Le bruit est par définition aléatoire et donc ne peut pas se soustraire mais s'ajoute de façon quadratique.

par contre le dark va être capable de soustraire (du moins,améliorer) des défauts non aléatoire, comme les pixels chauds.

Le flat lui va plutôt corriger l'homogénéité de l'illumination des pixels due au vignettage, au poussières sur les lentilles et filtres et aussi les petites variations de gain entre les pixels (pas parfait surtout sur les cmos qui on des différences d'une ligne à l'autre).
Par contre le flat ne peut pas corriger les problèmes de poussière sur le capteur lui même : si un pixels est caché par une poussière il ne reçoit plus de photons, c'est mort : 0 multiplié par n'importe quoi fait toujours 0. il faut avoir un capteur bien propre.

Tu vois que le flat contient du bruit photonique vu qu'il y a du signal. Donc il va aussi ajouter du bruit à l'image.
Pour limiter les effets, on va faire un flat le plus court possible (pour limiter le bruit thermique) et avec beaucoup de signal (entre 1/3 et 2/3 de l'histogramme) pour limiter au max le bruit photonique par rapport au signal et aussi dominer complètement le bruit de lecture.

Ensuite on va faire plusieurs darks, flats, offsets qu'on va ajouter, pour augmenter le rapport signal à bruit des master dark, flat, offset et ne pas trop ajouter de bruit à l'image finale.

Mais sur le terrain il ne faut faire que des images, au maximum, puis des flats, très important, on ne peut pas les refaire ensuite en général (il ne faudrait rien démonter). par contre offsets et darls peuvent êtres fait à la maison un jour de mauvais temps, il. faut juste avoir à peut près la même température extérieure, pour les darks au moins.

ouf ! il me reste à expliquer comment mesurer le bruit sur une image...c'est l'écart type entre les ADU des pixel d'une même zone. peut se mesurer avec Iris par ex.

p.s. un photon reçu ne peut générer au mieux qu'un électron dans un pixel qu'on va pouvoir compter ensuite. mais ça marche pas à tous les coup : c'est le rendement quantique.(c'est l'effet photo électrique énoncé par Einstein en 1905 au même moment où il a sorti E=MC2. il était fort le gars). Ensuite il y a un convertisseur analogique numérique qui va compter les électrons et donner un chiffre en ADU. ce chiffre est donc le nombre d'électrons multiplié par une constante arbitraire qui est le gain de conversion. Et c'est là ou on retrouve nos ISO : faire varier les iso joue sur le gain de conversion. Donc tu vois que ça va pas trop changer le nombre de photons reçus ni le nombre de (photo-)électrons générés. En fait en faisant varier le gain du convertisseur analogique numérique on va optimiser le bruit de conversion que celui ci va ajouter au signal utile.

on est parti loin...

A+

Olivier
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