L'imagerie de la planète Mars en 2003 :
les webcams à la pointe

Du fait de son apparition exceptionnelle avec 25,1 secondes d'arc de diamètre le 27 août, la planète rouge est cette année la proie de tous les observateurs. De plus, les techniques d'imagerie ont considérablement progressé depuis la précédente opposition, ce qui autorise l'amateur d'aujourd'hui à rivaliser, voire dépasser les meilleures images produites par les observatoires professionnels d'il y a seulement quelques années.

Après la révolution CCD, c'est aujourd'hui la vidéo et plus spécifiquement les webcams qui sont devenues l'outil préféré des passionnés d'imagerie planétaire. Convivialité, prix très accessible, cadence d'images couleur élevée, puissance du traitement des séquences vidéo ont largement pris le dessus sur la faible dynamique des capteurs.
Il va de soi que les performances des webcams n'exonèrent pas l'astronome de disposer d'un instrument de bonne qualité et parfaitement réglé. Le choix de la webcam ne pose guère de souci dans la mesure où un seul modèle performant est actuellement disponible sur le marché : la ToUCam Pro de Philips.
Nous vous proposons, images à l'appui, l'une des méthodes qui porte ses fruits actuellement, sachant que les techniques sont constamment améliorées de par le monde. Pour conserver une certaine homogénéité dans le suivi planétaire, il est préférable de ne pas trop varier ses réglages et traitements durant une apparition.

L'acquisition d'images :

L'enjeu est de disposer du plus grand nombre d'images brutes possible qui permettront d'augmenter le rapport signal/bruit lors du traitement final. Avec une focale de 5 mètres et compte tenu de la vitesse de rotation de Mars, on peut aisément poser jusqu'à 5 min sans qu'un bougé soit perceptible sur la planète. En pratique, un film AVI de 3 min pourra suffire car il contiendra déjà 1 800 images brutes à raison de 10 images par seconde. Tout est question ensuite de la puissance informatique disponible, sachant qu'une telle vidéo dépasse les 800 Mo, et qu'il faut compter plus de 5 Go de mémoire de masse disponible pour le traitement avec le logiciel IRIS par exemple.

La faible hauteur sur l'horizon en France métropolitaine est le principal défi à relever cette année. Avec 25 à 30° en moyenne, l'astre rouge reste bien perturbé par l'épaisse couche atmosphérique que ses rayons doivent traverser. Outre une turbulence plus prononcée qu'au zénith, il faut lutter contre un sévère chromatisme atmosphérique (réfraction différentielle). Cela ne peut que renforcer l'usage de filtres colorés qui isoleront une partie du spectre et limiteront la dispersion. Pour un meilleur rendu des couleurs, l'idéal est de disposer d'un filtre bloquant les infrarouges. À l'inverse, un filtre infrarouge donnera une image particulièrement détaillée de la surface martienne.

Acquisition sans aucun filtre, léger traitement avec Registax

Recalage des 3 plans de couleur avec IRIS, pas forcément meilleur…

Ces deux images illustrent bien le problème à résoudre, d'où une acquisition à l'aide de filtres colorés.

Une fausse quadrichromie :

La couche bleue pose beaucoup de problèmes en imagerie webcam, à moins de disposer d'un filtre bloquant les infrarouges pour atténuer ses effets négatifs. On décide alors délibérément de l'éliminer et de procéder à l'acquisition de deux films en équipant la webcam de Wratten W25A (rouge) et W58 (vert). Attention toutefois : avec cette méthode, on perd les informations contenues dans la couche bleue (nuages, brumes…). L'image perdra alors sa valeur scientifique, pour devenir avant tout esthétique. L'acquisition se fera en mode couleur afin de conserver le canal le plus net. Si l'on ne dispose pas de tourelle à filtre, il faut veiller à indexer parfaitement la webcam entre chaque changement de filtre pour conserver la même orientation. Au traitement, on recomposera une image trichrome à partir de ces deux plans de couleurs. En ajoutant une couche de luminance contenant les informations sur la planète, on obtiendra alors une "fausse" quadrichromie selon la technique du LRVB.
Les images suivantes sont basées sur un film au format AVI d'une durée de 4 min, soit 2 400 images brutes. L'objet de cet article étant de décrire une méthode générale, on se reportera aux notices des logiciels d'acquisition et de traitement pour la mise en œuvre des différentes étapes (voir détail en annexe).

Traitement des films AVI :

L'AVI saisi à l'aide du filtre W25A est décomposé en 3 séries d'images brutes correspondant aux canaux rouge, vert et bleu de la webcam. Puis, on trie les images du canal vert (en général celui qui possède la meilleure qualité) de la plus nette à la plus floue. Heureusement, les logiciels s'en sortent à merveille car on imagine le temps passé à trier 2 400 images à la main !

Meilleure image brute (n° 1)

Plus mauvaise image brute (n° 2400)

On devine déjà des détails intéressants sur la meilleure image, mais ce n'est qu'un début. Les images étant légèrement sous-échantillonnées à l'acquisition, on les agrandit artificiellement de 30% en ne conservant que les 1 000 meilleures sur 2 400. Puis, c'est la "registration", c'est-à-dire le recalage parfait de chaque image afin de les additionner pour réduire le bruit très présent sur chaque image unique.

Addition de 1 000 images, le bruit a pratiquement disparu

On applique alors avec modération des filtres du type ondelettes ou Van Cittert afin de renforcer les détails, tout en évitant la création d'artefacts.

Application d'un double filtre ondelettes qui révèle de nombreux détails

Cette image sera sauvegardée comme la couche de luminance.

À présent, occupons-nous de la couleur. L'objectif étant de coloriser la précédente image, il n'est pas nécessaire d'utiliser un grand nombre d'images. 200 suffiront ce qui réduira le temps de traitement. Pour faire la couche rouge, on utilise la série d'images brutes issues du canal rouge mémorisées lors de la décomposition de l'AVI. Alors, comme précédemment, on sélectionne les 200 meilleures, on les agrandit de 30%, puis c'est la "registration et l'addition.

Addition des 200 images du canal rouge

On sauvegarde cette image qui sera la couche rouge de l'image finale.

Pour la couche verte, on décompose l'AVI pris avec le filtre W58 et l'on conserve les 200 meilleures issues du canal vert. Même opération qu'au paragraphe précédent afin d'obtenir la couche verte.

Addition des 200 images du canal vert, les détails ne sont plus les mêmes

L'image est alors sauvegardée deux fois : comme couche verte et comme couche bleue. C'est là où l'on va tricher un peu en faisant une moyenne des couches rouge et verte, qui deviendra la couche verte définitive. En résumé, l'image rouge reste la couche rouge, l'image verte devient la couche bleue, et une fusion des deux donnera la couche verte finale. Le RVB classique devient un R(RV)V.
Dernière étape, on "registre" les 4 couches disponibles (3 couleurs et 1 luminance) pour fusionner l'ensemble.

Fausse quadrichromie LR(RV)V

Conclusion :

Cette méthode permet de tirer un bon parti de ses films AVI, tout en s'affranchissant de la couche bleue source de bien des déboires quand on ne possède pas de filtre anti infrarouge. Nous sommes bien conscients que ce n'est qu'une approche valable en juillet 2003, et que cette opposition exceptionnelle va sans aucun doute permettre de mettre au point d'autres procédures encore plus performantes que celle-ci. Elles feront l'objet de nouveaux articles produits par la Commission Acquisition et Traitement de l'Image. En tout cas, la progression de cette technique webcam est toujours aussi vive, et démocratise l'imagerie planétaire en l'ouvrant à un public plus large, qui accède à la haute résolution sans posséder obligatoirement des instruments inabordables.

Bruno Daversin
Président de la Commission Acquisition et Traitement de l'Image
bruno.daversin@lahague.com

Les images illustrant cet article ont été prises par l'auteur le 19 juillet en centre ville de Cherbourg. Le télescope est un Newton de 240 mm de construction personnelle disposant d'un rapport F/D = 40, et équipé d'une ToUCam Pro.