Frames de calibration dans la pratique : bien utiliser lights, darks, flats et bias

Le prétraitement est une étape extrêmement importante, et j’y consacre en général beaucoup de temps. Hormis la routine de calibration elle-même, je réalise la plupart des étapes à la main pour m’assurer que chaque maillon de la chaîne est correct — ainsi, dès que quelque chose ne va pas, je peux en retrouver rapidement la cause. Et les images de calibration (calibration frames) sont précisément les fondations du prétraitement. Cet article rassemble les pièges dans lesquels je suis tombé au fil de ces dernières années et la compréhension pratique des images de calibration que j’ai peu à peu bâtie.

Lights, darks, flats, offsets et dark flats : à distinguer d’abord clairement

Les quatre grandes images de calibration de l’astrophotographie sont les images brutes (lights), les darks, les flats et les offsets (bias), auxquelles s’ajoutent les dark flats (les darks des flats). C’est la notion la plus élémentaire qui soit, et pourtant le nombre de gens capables de répondre clairement à « décrivez brièvement la différence entre lights, darks, flats, offsets et dark flats » est plus faible qu’on ne l’imaginerait — beaucoup se contentent de retenir les noms, et cela n’équivaut pas à comprendre ce que chacun fait vraiment.

L’image ci-dessus est une explication que je cite de RBA ; elle couvre les lights, darks, offsets et flats, ainsi que l’aspect qu’ont habituellement ces images de calibration dans des conditions normales. Le dark flat, comme on l’a dit, n’est rien d’autre que le dark des flats : il suffit de lui appliquer le même raisonnement qu’aux darks. Ce qu’il faut vraiment retenir, c’est quelle catégorie de défauts il revient à chacun d’éliminer : les darks s’attaquent au bruit thermique et au courant d’obscurité, les flats au vignetage dans les coins et aux ombres de poussière, et les offsets à l’offset de lecture.

Les flats : l’image qui demande le plus d’apprentissage

Parmi les quatre images de calibration, le flat est probablement celle qui pose le plus facilement problème — et celle qui a le plus à apprendre.

Les donuts et les obstructions dans vos flats

En utilisant dans PixInsight la ScreenTransferFunction (STF) pour appliquer un étirement à l’écran et inspecter un flat, vous constaterez qu’il est toujours rempli d’anneaux en forme de « donuts » : ce sont pour l’essentiel des poussières sur le chemin optique ; en même temps, vous verrez le phénomène de vignetage, et si vous utilisez un OAG, vous verrez aussi l’ombre de l’obstruction de l’OAG.

C’est précisément pour cette raison que : dès que quoi que ce soit change dans le système optique — démontage et remontage, ajustement du cadrage, voire réglage d’un masque d’objectif —, vous devez reprendre vos flats. Sinon, la position des donuts ou des ombres d’obstruction ne coïncidera plus avec les zones obstruées sur les lights, la calibration ne pourra naturellement pas réussir et produira au contraire toutes sortes d’artéfacts étranges après calibration.

Comment choisir le temps d’exposition : un test pratique

Combien de temps faut-il exposer un flat ? J’ai fait un test pratique. Le matériel était un newtonien de 8 pouces (modifié) associé à une ASI 2600MC ; à température égale, j’ai pris des flats de 10ms, 1s, 5s et 10s avec leurs dark flats correspondants, puis j’ai inspecté les résultats calibrés à l’œil nu : c’est la série de 5s qui était la meilleure, tandis qu’à 10ms comme à 10s les bords s’éclaircissaient. J’ai ensuite divisé le flat de 5s par les flats des autres durées pour comparer : la série de 1s a dû être ratée, car en la divisant l’ensemble ressortait trop sombre ; celle de 10ms présentait une différence allant du coin supérieur gauche vers le coin inférieur droit ; celle de 10s présentait une différence très faible. Les flats calibrés de toutes les durées se situaient dans l’histogramme à peu près à la même position, légèrement à gauche du centre, sans qu’aucune information soit tronquée, ce qui montre que les réglages de prise de vue étaient corrects.

La conclusion : en laissant de côté les autres variables, ce système donne le meilleur résultat avec des flats de 5s, et 10s est très bien aussi, cela prend seulement plus de temps. Une mise en garde : cette « durée optimale » est le résultat d’un système précis ; en changeant de matériel, il faudra remesurer depuis le début.

Panneau lumineux ou flats de ciel ?

Ce n’est que si le diamètre du télescope est trop grand que j’envisagerais des flats de ciel. Les flats de ciel ne manquent pas de problèmes : la maîtrise est plus difficile aussi bien pour les étoiles (les flats de ciel font souvent apparaître des étoiles brillantes) que pour la luminosité (chaque image ressort avec une luminosité différente). À notre époque, où les LED réglables sont si répandues, pour un télescope de moins de 25 cm un panneau lumineux est le moyen le plus simple de prendre des flats — on peut en prendre n’importe où, et refaire aussitôt une image ratée, il n’y a donc vraiment aucune excuse pour ne pas faire de flats. Si vous devez absolument utiliser le ciel, j’emploierais une plaque de plastique blanc laiteux plutôt qu’un tee-shirt blanc. Quant au nombre de flats, 5 à 10 suffisent à peu près ; l’essentiel n’est pas la quantité, mais de les prendre correctement.

Quant à la manière de faire varier l’intensité du panneau, je l’ai aussi testée : j’ai comparé des flats de 1s pris avec une gradation PWM (qui scintille) à des flats de 4s pris en ajoutant une plaque à densité neutre. Bien que les bandes du PWM fussent nettement visibles sur l’image de 1s, elles disparaissaient après intégration, et en divisant par le master flat de 4s le résultat ressortait blanc, ce qui signifie qu’il n’y avait presque aucune différence. La gradation PWM est donc praticable (la gradation par tension, qui ne scintille pas, est bien sûr l’idéal) ; pour gagner du temps, ne prendre que des flats de 1s — et des dark flats de 1s également — semble suffire.

CMOS refroidie : calibrez les flats avec le courant d’obscurité des flats, s’il vous plaît

Ce point mérite une insistance particulière : si vous utilisez une caméra CMOS refroidie, calibrez vos flats avec le courant d’obscurité des flats (le dark des flats), et non avec des offsets. Les offsets ne permettent généralement pas de calibrer correctement les flats, et si les flats ne sont pas correctement calibrés, la calibration des lights échouera au bout du compte. Le résultat le plus fréquent de flats mal calibrés, c’est une surcorrection au moment de calibrer les lights, avec les quatre coins qui s’éclaircissent.

Le piège d’affichage des flats en DSLR

Si vous prenez vos flats avec un DSLR (surtout un Nikon), vous risquez d’avoir une frayeur : alors qu’ils paraissent clairs sur le boîtier ou dans Photoshop, dans PixInsight ils sont tout noirs.

La raison en est que des données sur 14 bits sont logées dans un conteneur de fichier sur 16 bits ; pour un affichage correct, la première étape consiste donc à utiliser l’outil Histogram pour porter le point blanc à 0.25. Il s’agit d’un pur problème d’affichage, qui n’altère en rien les données elles-mêmes. (J’ai enregistré une vidéo d’opérations en prenant comme exemple un Nikon D810 Astro mod, où je montre toute la procédure.)

Les darks : ils périment, pensez à les renouveler

Un dark n’est pas quelque chose que l’on prend une fois pour toujours s’en servir. Un autre astrophotographe a un jour calibré avec les mêmes vieux darks et obtenu de piètres résultats ; en l’interrogeant, il s’est avéré que ces darks avaient été pris en début d’année — ce qui confirme une fois de plus que les darks doivent être renouvelés régulièrement : un même lot devrait être repris au bout d’environ trois mois. Si un petit problème apparaît à chaque calibration, vous pouvez vérifier si les valeurs de luminosité des pixels des anciens et des nouveaux darks sont à peu près identiques, et en juger si les darks ont vieilli.

Les darks de différentes durées d’exposition valent aussi la peine d’être connus. J’ai examiné un jeu de master darks d’une QHY 268C (Sony IMX 571) allant de 0 à 600 secondes, et la valeur de fond ne changeait presque pas quelle que soit la durée (toutes autour de 0,0075) ; la différence visible était que la luminosité des pixels chauds (hot pixels) augmentait avec la durée. On en tire une conclusion pratique : si vous traitez les pixels chauds séparément (par exemple avec Cosmetic Correction), alors, même si vous vous retrouvez avec des darks dont la durée ne correspond pas à celle de vos lights, vous pouvez tout de même les utiliser pour calibrer les lights.

Au passage, dans mes premières années, quand j’étudiais les images de calibration, j’ai fait les frais d’un problème de dark : après calibration, alignement et intégration, j’ai découvert des signes de surcorrection ou de sous-correction du flat, j’ai refait entièrement le master flat depuis le début, et ce n’est qu’à la toute fin que je me suis rendu compte que le problème venait en réalité des darks.

Une leçon classique : un offset raté fait échouer toute l’intégration

Pour finir, un cas qui m’a laissé une impression profonde. Un jeu de données dont l’intégration échouait purement et simplement (PixInsight) ou ressortait incorrecte (Astro Pixel Processor) ; en remontant à la source, le coupable était un offset (Bias) raté.

C’était aussi la première fois que je rencontrais un offset raté capable de faire s’effondrer toute une intégration. Alors je le redis une fois de plus : avec une CMOS refroidie, calibrez vos flats avec le courant d’obscurité des flats, pas avec des offsets. Et un flat non calibré est fondamentalement une prise gâchée : il ne fait qu’ajouter des problèmes à l’image calibrée. Prenez d’abord correctement vos images de calibration ; ce n’est qu’ensuite qu’il y a autre chose à discuter.