La Lune est assurément, avec le Soleil, le corps céleste le plus connu et le plus observé. En effet, il nous suffit de lever les yeux au ciel, que ce soit en campagne ou en ville, pour l'apercevoir rayonner de tous ses feux. Il est tentant d'essayer de photographier le Lune puisque la photographie numérique est de plus en plus répandue et abordable. Il est relativement facile d'obtenir de bons résultats, beaucoup plus en tout cas qu'avec les objets du ciel profond. Dans cet article, je décrierai mes premières expériences en photographie lunaire.
La photographie astronomique à l'aide d'un appareil photo numérique (APN) est de plus en plus pratiquée (voir l'article Astrophotographie numérique pour débutants). La raison est double: 1) les APNs sont de plus en plus performants, rivalisant facilement avec les appareils conventionnels et 2) ils sont de plus en plus abordables. La Lune est un objet céleste très brillant. Elle ne requiert donc pas de temps d'exposition très longs. Il n'est donc pas nécessaire de disposer d'une monture de télescope très performante. Une "bonne" monture suffit. Il est possible de photographier des détails très intéressants à la surface de la Lune. C'est donc pour toutes ces raisons que j'ai commencé à la photographier. Je décrirai les différentes étapes de la réalisations des photos, depuis le télescope jusqu'à l'ordinateur et éventuellement l'imprimante!
Attention! Je ne prétends pas être un "pro" de la photographie lunaire. Je crois seulement qu'il est intéressant de partager mon expérience afin de donner le goût à d'éventuels amateurs de faire comme moi.
La première partie du texte traitera de la prise des photos elle-même. Dans la seconde partie, il sera question du traitement des images. Enfin, dans la dernière partie, la création de l'image finale dite en "mosaïque" sera expliquée. Au fil du texte, je donnerai les différents liens internet qui permettront d'acquérir les logiciels nécessaires à la réalisation des étapes.
Bonne lecture!
 | La prise des photos |
| Le traitement des images |
| La création de la mosaïque |
| Références utiles |
La prise des photos est l'étape cruciale pour la simple et bonne raison que c'est à ce moment que l'information qui constituera l'image finale est recueillie. Si celle-ci est de mauvaise qualité au départ, il ne sera pas possible d'en faire ressortir les détails. Par contre, si l'information, i.e. les photos sont de bonne qualité, le traitement d'image (étape suivante) permettra de les mettre en valeur.
D'entrée de jeu, je me permets d'insister sur un point qui peut sembler anodin mais qui s'avérera payant à la longue: prenez en note ce que vous faites. Par exemple, les temps de pose utilisés serviront lors de votre prochaine séance de photos. C'est une façon sûre d'acquérir de l'expérience!
Pour prendre des photos de la Lune, j'utilise un APN de type Nikon Coolpix 995. D'autres utilisent des Webcam ou des CCDs spécialisés pour l'astronomie mais il ne sera pas question de ces appareils ici. Je réfère le lecteur intéressé par ces technologies aux références. Mon APN possède une lentille fixe. Je dois donc le fixer à mon télescope derrière un oculaire. L'image est donc formée par projection dite "afocale". La projection afocale utilise un appareil photo placé derrière l'oculaire du télescope à la place de l'œil. La lentille de l'APN joue donc le rôle du cristallin et le détecteur celui de la rétine. Voici un schéma d'une projection afocale.
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Schéma d'un système à projection afocale que j'utilise pour photographier la Lune. |
(Les lecteurs qui possèdent un APN dont la lentille est amovible peuvent aussi l'utiliser directement à la place de l'oculaire. L'image est alors formée par projection au foyer primaire. Si c'est votre cas, considérez que la longueur focale totale de l'ensemble est égale à la longueur focale de l'objectif du télescope.)
(Le lecteur ne désirant pas aborder le côté mathématique et rébarbatif de la technique peut très bien s'en passer et sauter directement ici.)
Il faut s'assurer que le montage optique permet d'obtenir une résolution suffisante pour "saisir" tous les détails. Voici comment calculer cela: tout d'abord, il faut connaître le détail le plus fin qu'il est possible d'observer. C'est le pouvoir de résolution ou pouvoir séparateur. Il dépend du diamètre de la lentille du télescope mais il est limité par la turbulence atmosphérique et par le seeing. Ce pouvoir est d'environ 116 / D " (" = seconde d'arc, 1/3600 de degré; la Lune a un diamètre de 1800"). D est le diamètre de l'objectif en mm. Les conditions atmosphériques limitent généralement le pouvoir séparateur à 0.5". Le tableau ci-dessous indique le pouvoir séparateur théorique pour différents diamètres d'objectifs de télescope:
Diamètre de l'objectif en mm |
Pouvoir séparateur en seconde(s) d'arc |
| 60 | 1.9 |
| 80 | 1.45 |
| 100 | 1.16 |
| 150 | 0.77 |
| 200 | 0.58 |
| 250 | 0.46 |
| 300 | 0.39 |
Il est pratiquement impossible d'atteindre les valeurs indiquées en rouge à cause de la limite pratique imposée par l'atmosphère terrestre. Les télescopes dont l'ouverture est plus grande que 200 mm ne verront donc pas leur pouvoir séparateur augmenter mais plutôt plafonner. Par contre, leur luminosité augmentera.
Le pouvoir séparateur nous indique la dimension du plus petit objet qu'il sera possible de distinguer avec notre télescope. Mais pour le mesurer, il faut que cet objet couvre au moins deux pixels (selon chaque axe, horizontal et vertical) sur l'image. C'est ce qu'on appelle le critère de Nyquist.
| Un peu de théorie...
Le critère de Nyquist découle de la théorie de l'échantillonnage qui veut qu'un "élément" donné soit échantillonné au moins deux fois pour pouvoir être mesuré. Les plus calés en mathématiques comprendront alors pourquoi il est impossible de mesurer des fréquences supérieures à 1/(2 x l'élément de résolution) dans un spectre de Fourier. |
Sachant tout cela, il ne nous reste qu'à connaître la longueur focale totale du système télescope + APN. Ce paramètre permettra de calculer l'échelle angulaire de l'instrument, c'est-à-dire le nombre de secondes d'arc par pixel. La longueur focale totale est égale à la longueur focale de l'objectif du télescope divisée par la longueur focale de l'oculaire multipliée par la longueur focale de l'objectif de l'APN ou f = f_tél / f_oc x f_apn.
Une fois la longueur focale connue, il est facile de calculer l'échelle qui est approximativement égale à 206.26 x d / f où d est la dimension des pixels en µm et f la longueur focale totale calculée précédemment.
Je vous réfère à mon site web personnel où se trouve une calculatrice permettant de déterminer les paramètres optimaux pour un télescope donné.
Mon télescope possède une longueur focale de 1200mm, mon oculaire en a une de 24mm et celle de mon APN est de 32mm. 1200 / 24 x 32 = 1600mm, ce qui donne la longueur focale totale du système.
Les pixels de mon APN ont une dimension de 3.45µm. L'échelle est donc de 206.26 x 3.45 / 1600 = 0.44"/pixel. Si nous nous fions au critère de Niquyst, nous devons doubler cette dimension, ce qui donne 0.88"/élément de résolution. Cela signifie que mon système optique ne pourra pas résoudre des objets plus petits que 0.88". Le pouvoir séparateur limite théorique de mon télescope étant de 116 / 100=1.16", il sera suffisamment échantillonné avec mon montage. (Notons que 0.88" sur la Lune représente environ 1.6 km; loin de nous l'idée de photographier un des LEM!)
Si l'échantillonnage n'avait pas été adéquat, deux choix simples se seraient alors offerts à moi: choisir un oculaire de plus courte longueur focale ou ajouter une lentille de barlow. Dans les deux cas, l'effet résultant aurait été d'augmenter la longueur focale totale, donc de réduire l'échelle en "/pixel. Par exemple, si mon oculaire avait une focale de 12mm, l'échelle de mon système serait de 0.22"/pixel, ce qui me permettrait de résoudre des détails de 0.44" (i.e. de 800m sur la Lune!)
Une fois que nous connaissons les paramètres du système optique, il est possible de prendre les photos. Tout d'abord, il faut maximiser ses chances en s'assurant que la turbulence atmosphérique est faible. Un coup d'œil à l'oculaire permet d'en juger rapidement en vérifiant si la Lune "tremblotte" ou non. Il faut évidemment laisser au télescope le temps de se refroidir afin d'équilibrer sa température avec celle de l'air ambiant. Enfin, il faut s'assurer que le système optique est bien réglé. Un télescope dont les miroirs ne sont pas bien alignés ne produira pas de bonnes images.
Une fois le télescope bien centré sur la Lune, nous fixons le foyer de l'APN à l'infini puis nous faisons la mise au point du mieux que nous pouvons avec la molette de réglage du télescope. Une fois fait, nous débloquons la mise au point automatique de l'APN. En effet, il est préférable de laisser le soin à l'appareil de parfaire le foyer puisque la Lune est assez brillante et présente suffisamment de structures pour que le dispositif automatique fonctionne.
Lorsque vient le temps de prendre les photos, la technique à suivre est la suivante: il faut prendre une grande quantités de photos identiques. Celles-ci seront additionnées les unes aux autres lors de l'étape du traitement d'images. Pourquoi procéder ainsi? Parce que cette façon de faire permet de réduire l'effet de la turbulence atmosphérique. Une seule photo ne contiendra pas assez d'information pour produire un résultat final intéressant. Le fait d'en additionner plusieurs amplifie les détails et atténue les défauts qui varient d'une photo. Lors de mes sessions de photographie de la Lune, je prends environ cent (100) photos identiques par série. J'utilise le mode "continu" de mon APN qui me permet de prendre des photos tant que je garde enfoncé le bouton du déclencheur à distance. Il est important d'utiliser un tel déclencheur pour éviter d'engendrer des vibrations lors de la prise des photos. En pratique, la carte-mémoire n'arrive pas à enregistrer les photos à un rythme suffisant. Cela m'oblige à prendre des petites séries de 4 à 5 photos, de lâchez le bouton et de reprendre. Mais cela a pour avantage de laisser au dispositif de mise au point automatique la chance de refaire le foyer souvent.
Les APNs permettent de voir immédiatement les résultats. Cela permet donc de sélectionner facilement un bon temps de pose ainsi qu'une sensibilité adéquate pour la caméra. Pour ma part, je travaille toujours avec la sensibilité la plus basse (ISO 100) car cela minimise le bruit thermique qui produit une apparence de "neige" sur les photos. En contrepartie, il faut augmenter légèrement le temps de pose. Je choisis généralement des temps de pose variant de 1/30ème à 1/15ème de seconde selon la phase de la Lune et sa hauteur au-dessus de l'horizon. De plus, je règle mon APN pour prendre des images en noir et blanc. Cela réduit le bruit chromatique (légères fluctuations vert-magenta qui apparaissent à la surface des photos) et, de toute façon, la couleur est essentiellement inutile lorsqu'on photographie la Lune. Il est important de choisir la résolution maximale car, dans le cas contraire, les pixels seraient combinés entre eux. Leur dimension augmenterait et la résolution du système diminuerait. Enfin, il n'est pas nécessaire de sauvegarder les photos sous forme non-compressée sur la carte-mémoire. La nature des photos de la Lune permet d'obtenir de très bons résultats même si la compression JPEG est activée. Pour ma part, j'utilise le niveau de compression minimum. Cela réduit tout de même la taille des images d'un facteur 10 en mémoire par rapport au format natif!
Comme le champ du télescope ne couvre pas la Lune au complet (du moins, c'est peu probable), nous devons prendre plusieurs séries de photos. Nous déplacerons le télescope entre chaque série de façon à couvrir la surface de la Lune que nous désirons photographier. Le point important dans cette technique est de laisser un recouvrement d'une série à l'autre afin de pouvoir créer la mosaïque finale.
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Séries de photos prises pour couvrir le croissant de Lune au complet. Notez le recouvrement assez important d'une série à l'autre. |
En résumé:
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Les photos sont maintenant prises et transférées sur ordinateur. Il faut donc les traiter afin d'en faire ressortir les détails. Les étapes sont les suivantes:
Je réalise ces différentes étapes à l'aide du logiciel RegiStax créé et distribué gratuitement par Cor Berrevoets. Les exemples que je présenterai seront donc tirés de ce logiciel. D'autres logiciels permettent aussi de réaliser cette tâche. À vous de choisir celui qui convient le mieux à vos besoins.
Lorsque nous prenons une série d'une centaine de photos, celles-ci seront désalignées même si nous ne touchons pas au télescope. Les raisons sont multiples: elles vont du mauvais alignement polaire du télescope aux vibrations causées par le vent en passant par la réfraction atmosphérique! Mais, quelque soit la cause de ce déplacement, il faut, avant d'additionner les images, les registrer, c'est-à-dire les mettre en correspondance, les aligner. Voici un exemple montrant le déplacement entre deux photos d'une même série:
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Superposition de deux photos (une en rouge, une en cyan) pour mettre en évidence le décalage que nous observons à l'intérieur d'une même série. Les deux croix marquent le même point (la même structure, une montagne) sur les deux photos. |
Aligner une centaine de photos à la main peut être une tâche ardue. Heureusement, le logiciel RegiStax permet de faire tout cela de façon automatique. Il suffit donc de sélectionner une structure marquée (un cratère par exemple) et le logiciel détectera cette structure, en autant que faire se peut, sur toutes les autres photos. En cas de doute, l'utilisateur pourra faire une sélection manuelle.
Une fois cette détection faite, une optimisation de la position est effectuée afin d'aligner de façon précise toutes les photos. Au cours de cette opération, la qualité de toutes les photos est mesurée et elles sont classées. Voici une comparaison entre deux photos d'une même série:
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Section de photo de mauvaise qualité |
Section de photo de bonne qualité |
La différence entre la photo de gauche et la photo de droite est essentiellement due à la turbulence atmosphérique. Il convient, sur la série de photos prises, de ne conserver que les meilleures. Comme le logiciel les classe par ordre de qualité, il est facile de rejeter celles dont la qualité est inférieure à un certain seuil. Pour ma part, je ne conserve qu'une quarantaine de photos sur la centaine prises dans une série. L'ajout de celles de qualité moindre ne ferait qu'empirer les résultats.
La figure suivante montre l'allure d'une seule photo et de quarante registrées et additionnées. Nous distinguons du premier coup d'œil l'amélioration de la qualité de la photo, c'est-à-dire l'augmentation de la netteté des détails et la diminution du bruit, c'est-à-dire de l'effet de granularité présent dans l'image de gauche.
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Section d'une seule photo |
Section d'une superposition de quarante (40) photos. |
Une fois les photo additionnées, l'image résultante peut être filtrée.
Le filtrage que nous appliquons sur l'image composée des photos originales additionnées est un filtre appelé "filtre par ondelettes" (wavelet en anglais). Un tel filtre permet d'atténuer ou de mettre l'emphase sur des structures de différentes fréquences spatiales. Une structure à haute fréquence spatiale aura une petite dimension sur l'image tandis qu'une structure à basse fréquence spatiale aura une grande dimension. Tout dépendamment de la qualité de l'atmosphère, etc. les différentes fréquences pourront être plus ou moins atténuées. C'est à vous d'essayer et de choisir ce qui donne le meilleur résultat.
| Un peu de théorie...
Comme c'est le cas avec les transformées de Fourier, les ondelettes permettent de mettre en lumière des structures de différentes fréquences dans un signal. La différence entre les deux outils mathématiques réside dans le fait que les transformées de Fourier exigent une périodicité alors que les ondelettes n'en exigent pas. Un filtre par ondelettes pourra donc facilement filtrer une structure qui n'est pas répétitive, comme une montagne ou un cratère, par exemple. |
Voici quelques exemples où nous retrouvons la même image sur laquelle nous appliquons des filtres sur des fréquences de plus en plus élevées. La description du filtre utilisé correspond aux paramètres propres au logiciel RegiStax. Les résultats parlent d'eux-mêmes:
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Image originale sans filtre |
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Application du filtre pour les basses fréquences: ondelettes linéaires, niveau 6 |
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Un niveau supplémentaire de filtre est appliqué: le niveau 5 |
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Le niveau 4 est appliqué: nous faisons ressortir de plus en plus les hautes fréquences spatiales |
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Les filtre de niveau 3 est enfin appliqué |
Nous constatons qu'après l'application du filtre de niveau 3, la granularité due au bruit de l'image commence à ressortir fortement. Ceci indique que le filtrage est trop prononcé. Dans le cas présent, l'application des filtres de niveaux 5 et 6 serait sans doute appropriée. À titre de comparaison, voici, mises côte à côte, une photo originale et l'image finale filtrée:
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Photo originale de bonne qualité |
Image finale filtrée en appliquant un filtre par ondelettes linéaires de niveaux 5 et 6. |
| Mais que fait donc ce type de filtre?
C'est simple: la turbulence atmosphérique dégrade les photos originales. Mais cette dégradation est plus forte à certaines fréquences spatiales qu'à d'autres. Le filtre permet d'atténuer certaines fréquences tout en mettant l'emphase sur d'autres. Ainsi, les détails lunaires, qui n'ont pas la même fréquence spatiale que les effets de la turbulence, se trouvent amplifiés alors que le flou causé par l'atmosphère se voit minimisé. Tel est, en quelques mots, le secret! Et c'est grâce aux ordinateurs que nous pouvons appliquer de tels filtres sur nos images! Il est à noter qu'un filtre du même genre mais beaucoup moins performant avait été tout d'abord développé pour être utilisé en chambre noire avant d'être appliqué sur ordinateur: il s'agit du masque flou (unsharp masking en anglais). |
Ces opérations de registration, de sélection des photos de meilleure qualité, d'addition et de filtrage des images résultantes doivent être répétées pour chacune des séries de photos prises au télescope.
En résumé:
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Rendus à cette étape, nous possédons un jeu de plusieurs images de sections différentes de la Lune.
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Ensemble des différentes images obtenues après traitement des séries de photos prises au télescope |
Chacune de ces images recouvre en partie ses voisines tel que nous l'avons indiqué à la première section. Il nous faut alors les joindre les unes aux autres de façon à former une mosaïque continue. Je réalise cette étape à l'aide du logiciel iMerge développé par Jon Grove et que nous retrouvons gratuitement sur internet. Ce logiciel permet de joindre plusieurs images pour en former une plus grande. Il suffit de positionner grossièrement une image par rapport à l'autre et de cliquer sur le bouton de droite de la souris pour que le positionnement précis se fasse automatiquement.
L'addition des photos produit généralement des zones défectueuses sur le pourtour des différentes images. En les découpant convenablement avant de créer la mosaïque, il est possible de former une image finale où les joints sont invisibles. En fait, le logiciel iMerge, comme la plupart des logiciels de composition de mosaïques, prend soin de "fondre" une dans l'autre les images limitrophes de façon à ce que la transition d'une image à l'autre soit la plus douce possible.
Voici à quoi ressemble la mosaïque une fois terminée:
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Mosaïque de la Lune une fois terminée. L'image présentée est en fait six fois plus petite que l'image réelle obtenue par ce procédé! |
Il est à noter que j'ai fait pivoter l'image présentée ici afin de mettre son axe de rotation parallèle à la verticale. Pour ce faire, j'utilise le logiciel Paint Shop Pro (anciennement développé par JASC, maintenant propriété de Corel). Ce logiciel est commercial mais je recommande son achat étant donnés les services qu'il rend à quiconque fait de la photographie numérique ou du graphisme.
La dernière étape consiste à modifier le rendu des couleurs (ou des teintes de gris) de la mosaïque. En effet, nous désirons étendre la plage dynamique utilisée par l'image de façon à ce que les ombrages soient bien noires et à ce que les zones claires soient blanches. De plus, il est possible que nous désirions changer le rendu des zones intermédiaires; cela se fait en modifiant le "gamma" de l'image. Pourquoi attendons-nous à cette étape-ci pour faire ces ajustements? Pour la simple raison que ceux-ci doivent être appliqués de manière identique sur chacune des parties de la mosaïque. Si ce n'était pas le cas, certaine sections seraient plus foncées, d'autres plus pâles. L'effet serait terrible sur la mosaïque. J'ai modifié le rendu de cette image en appliquant un gamma de 0.6. Cela a eu pour effet d'assombrir les mers de la Lune, augmentant ainsi le contraste. Voici le résultat:
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Mosaïque après l'application d'un gamma de 0.6 |
Voici une comparaison des deux images de la mosaïque:
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Mosaïque originale (gamma=1) |
Mosaïque au rendu modifié par un gamma de 0.6 |
L'image, une fois terminée, peut être étudiée à l'écran, tirée sur papier-photo ou imprimée, de préférence sur une imprimante de qualité photographique.
En résumé:
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Voilà, c'est ainsi que ce se résume mes premières expériences en photographie lunaire avec mon APN. J'espère que ce court article aura su susciter votre l'intérêt!
D.B.
