Darks, flats, offsets

Afin d'améliorer la qualité des photos ou des vidéos, il est possible de caractériser les "défauts" de l'instrument et du capteur sur des images calibrées puis de retrancher ces derniers au signal utile sur chaque pose. Ces images calibrées sont de trois types (darks, offsets et flats) couramment appelées "DOF" : nous allons détailler leur rôle ainsi que leur réalisation.

Nous avons vu que pour réduire le bruit de fond, il faut réaliser une série de photos de l’objet céleste à paramètres constants puis « empiler » celles-ci (i.e. additionner les pixels de chaque image) dans un logiciel. Ainsi le signal utile se renforce et le bruit aléatoire se moyenne ; le rapport signal/bruit est bien meilleur que sur une pose unique de même durée totale : il augmente comme la racine carrée du nombre d’images. L’avantage du numérique sur l’argentique est évident !

Cependant cet empilement d’images brutes ne suffit pas car la moyenne du bruit n’est pas à zéro sur chaque pixel. Il existe un bruit de lecture inhérent à la technologie du capteur, indépendant du réglage ISO ; on caractérise ce bruit en prenant une série d’images dans le noir à la vitesse d’obturation maximum et au réglage ISO minimum : ce sont les « offsets » ou « bias ».

D’autre part les pixels présentent des différences de sensibilité, amplifiée par la température : à l'extrême ce sont les « pixels chauds » visibles sur les images et toujours au même endroit, qui ne seront pas éliminés par un empilage simple.

Pour éliminer ces pixels chauds on réalise une série d’images dans le noir complet avec les mêmes réglages ISO et temps de pose que les photos du ciel : ce sont les « darks », dont les pixels moyennés seront soustraits aux images brutes de l’objet.

Enfin les poussières sur le capteur et les imperfections optiques assombrissent certaines parties des images. Pour cartographier cet assombrissement, on réalise des images d’un fond uniformément éclairé avec le même dispositif optique (focale, mise au point, diaphragme, filtres, orientation de l’appareil dans l’instrument) : ce sont les « flats ». Le réglage ISO sera positionné sur 100 ou 200 et la vitesse réglée pour obtenir une exposition moyenne au 2/3 de l’histogramme. J’utilise un mur blanc éclairé par une fenêtre mais un fond de ciel sans nuages au crépuscule peut faire l’affaire : l’important est d’avoir un éclairage uniforme sans gradient, et de ne pas surexposer l’image. Seule la valeur de luminance sera prise en compte, la couleur du fond n’a pas d’effet. Certains construisent une « boite à flats » avec une plaque translucide éclairée à l’arrière par des LED.

Avec les capteurs CMOS, on ne soustrait plus les offsets des images brutes ni des darks ; en revanche, le traitement devra les soustraire des flats. Dans ce cas, on réalise plutôt des offsets sous forme de « darks de flats » donc à la même vitesse, gain ISO et température que les flats.

NB : les flats et offsets associés ne sont utiles que pour les grands capteurs ; en effet les caméras à petit capteur n’enregistrent que le centre de l’image et les effets de vignetage (assombrissement) sur les bords sont négligeables. D’autre part, un vignetage se rattrape bien en post-production.

Les offsets et les flats peuvent être préparés à l’avance et stockés dans un dossier archive (bien noter la configuration optique pour les flats). En revanche les darks doivent impérativement être réalisés à la même température du capteur que lors de la prise de vue (généralement juste après la séquence principale, avec un bouchon sur l’objectif). L'utilisation d'une caméra refroidie permet de constituer des bibliothèques de darks à différentes températures, ce qui évite d'avoir à refaire une série de darks à chaque fois et permet d'acquérir davantage d'images !

Pour éliminer le bruit au maximum et ne pas dégrader les images brutes, ces offsets, flats et darks devront eux-mêmes être empilés sous la forme de master. Il est conseillé de réaliser au moins une vingtaine d’offsets et de flats, et un nombre de darks au minimum supérieur à la moitié des images brutes.

Le logiciel de traitement réalisera l’opération appelée calibration :

Image pré-traitée = (image brute – master_dark) / (master_flat – master_offset)

Puis effectuera l’alignement et l’empilement (stacking) des images pré-traitées.

Pour plus d’informations : voir http://deepskystacker.free.fr/french/theory.htm  (en français).