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

La photographie des objets faibles à spectre continu est certainement ce qui pose le plus de difficultés sous un ciel très pollué . Contrairement aux nébuleuses à émission qui émettent selon des raies d'émission 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 émettent sur toute la gamme visible qui nous intéresse de 350 à 850nm.

Ces objets peu lumineux sont principalement les galaxies et les nébuleuses à réflexion (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'occurrence la pollution lumineuse.

Divers filtres existent et se distinguent 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'émission qui correspondent aux éclairages urbains de type mercure, sodium et autres lampes à spectre étroit qui composent une grande partie de cette pollution.

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 Schmidt 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 intéressant de voir l'évolution du rapport signal/bruit qui évolue en théorie proportionnellement à la racine carrée du nombre de poses. En l'occurrence, 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 :



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 :



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) :

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 sur le 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.

Le reste de la discussion ici : (www.webastro.net/forum/showthread.php)

Article rédigé par Chonum