Echantillonnage caméra couleur

[remyastro]

Bonjour,

Je repose un sujet connu et surtout bien développé dans de nombreux posts sur des forum voisins, pour une question que j'ai depuis quelques temps concernant le calcul de l'échantillonnage avec une caméra couleur.

Dans le calcul de l'échantillonnage par la formule E=206 x P/F, où P représente la dimension du pixel de ma caméra couleur , est-ce que je dois prendre la valeur donnée par le constructeur pour la caméra, ou bien est-ce que je dois multiplier cette dimension par un coefficient 1.5 voire moins ? Ceci à cause d'une résolution moindre du capteur et aux algorithmes de la matrice de Bayer ?

Je voudrai bien comprendre les raisons pourquoi la dimension du pixel à prendre en compte dans la formule est de façon PRATIQUE, la MEME que l'on parle de caméra couleur ou N&B, CCD ou CMOS, comme je l'ai lu dans plusieurs développements sur le sujet.

Une note d'Avex (Axel Vincent) que vous connaissez tous laisse entendre qu'un facteur de taille de 1.5 du pixel par rapport aux données du fabricant est à considérer pour les caméras couleur, et ça change tout !

Merci pour vos éclaircissements !

[clouzot]

c'est à la fois tout simple et un peu compliqué à expliquer strictement.

Tu sais qu'une caméra OSC (= couleur) a des filtres colorés devant chaque groupe de 4 pixels

image.png (38.99 Kio) Consulté 5468 fois

Par exemple, une caméra à base d'IMX183 couleur a à peu près 20 millions de pixels, donc la moitié sont derrière un filtre vert, un quart derrière un filtre rouge et le dernier quart derrière un filtre bleu.

Il existe aussi un modèle mono de cette caméra : elle a également 20 millions de pixels, qui n'ont pas ces filtres colorés en amont.

Or, les deux caméras, couleur ou mono, renvoient exactement le même nombre de pixels : 20 millions de rouges, 20 millions de verts, 20 millions de bleus pour la couleur, 20 millions de pixels mono pour la caméra mono. Alors qu'on a vu un peu plus haut que la caméra couleur n'avait qu'un quart (5 millions) de pixels rouges, un quart de bleus, et la moitié (10 millions) de pixels verts. Evidemment, on se dit : y'a un truc

Oui, y'a un truc. Pour arriver à ce résultat en couleur, les pixels rouge, vert ou bleu sont interpolés lors de l'opération de "dématriçage", ou "démosaïquage", ou autre terme similaire. Par exemple pour les pixels rouges, seul un pixel sur quatre est rouge, alors les 3 pixels manquant sont "inventés" à partir des pixels rouges adjacents.

Autant dire que l'interpolation permet de "boucher les trous", et donne un résultat "vraisemblable" mais absolument pas exact.

C'est pour ça qu'on dit qu'un caméra OSC a moins de résolution qu'une caméra mono, parce que la majeure partie des pixels sont complètement inventés à partir d'une image à plus basse résolution.

Il y a plein d'approches pour le dématriçage, dont, dans l'ensemble, la résolution résultante est entre 1.5 et 2x moindre que la résolution d'une caméra mono. Voilà pour l'explication sans entrer dans les détails mathématiques.

EDIT : pour la jouer matheux de collège, prenons un exemple avec les pixels de couleur verte. On voit qu'ils sont placés selon des diagonales de la matrice de pixels.

Si on considère que l'écart entre le centre de chaque pixel individuel mono est de 1 (selon les lignes ou les colonnes, c'est pareil), on voit rapidement que l'écart entre le centre de chaque pixel vert est en fait de √2. Soit 1,414 et quelques. C'est donc la résolution atteignable dans le vert. Tu retrouves approximativement ton facteur 1.5. Pas exactement car il s'agit d'un rééchantillonnage et qu'on ne le fait jamais directement, puisqu'on intercale habituellement un filtre anti-repliement (anti aliasing en anglais) pour éviter certains artefacts.

Pour les pixels bleus et rouges, l'écart de résolution effectif est de 2, hors filtre anti-repliement

Tu noteras aussi qu'en plus de la perte de résolution, il y a aussi une perte de sensibilité puisque les filtres colorés ne sont jamais efficaces à 100%

[Papylima]

Et il faudrait utiliser une formule du genre E = (206 x P / F) x 1,5 ?

[clouzot]

Et il faudrait utiliser une formule du genre E = (206 x P / F) x 1,5 ?

Strictement, et pour le canal vert, oui. Mais j'ai rajouté une mini explication ci-dessus qui précise que le facteur de résolution effective est différent selon le canal de couleur : il est très approximativement 1.5 dans le vert, 2.0 dans le bleu et le rouge.

[pejive]

En multipliant par 2 la taille du pixel on n'est pas loin du compte ?

[remyastro]

Merci Clouzot pour ta réponse très bien documentée.

Donc, si j'ai bien compris, dans le calcul de l'échantillonnage de ma caméra couleur Altair 183 MC, je dois donc prendre comme dimension mini des pixels 1.5 x 2.4µ = 3.6µm, ce qui change pas mal le résultat du calcul, puisque l'échantillonnage est dépendant de la résolution de la caméra

[Papylima]

Moralité : avec ma caméra 533 et ma lunette à 414 mm de focale, je suis TRÈS sous-échantillonné.
N'en parlons pas avec la 61 EDPH (274 mm de focale).
C'est sûr qu'une 294 mono serait mieux.

[soulearth]

Du coup on aurait tendance à dire qu'il faut que les pixels soit plus petit dans un approche purement de résolution.

Sauf que si je ne me trompes pas, on dit aussi que du fait de la matrice de bayer, les caméras couleur sont moins sensibles. On le constate régulièrement, on pose moins longtemps en mono. On a tendance a dire 30% de plus. Et là où ça devient drôle, c'est que pour compenser ce manque de sensibilité, la solution serait d'avoir des pixels plus gros

Du coup que faire idéalement ??

[pejive]

Et pour mettre un peu plus de trouble dans tout çà:
idéalement pour exploiter pleinement l'instrument il est souhaitable que le diamètre de la tache d'Airy corresponde à 1 pixel
(en supposant qu'il n'y ait pas de turbulence)
soit 2,44*lambda/D=P/F
si on s'amuse à calculer la taille du pixel cela fait: P=2,44*lambda*(F/D)
Pour le vert lambda=0,56 microns et par exemple F/D=5 on obtient P= 6,83 microns étonnant non ?

[clouzot]

Souvenez-vous que l'échantillonnage optimal dépend aussi de ces éléments limitants : le pouvoir de résolution de l'instrument, les conditions de turbulence, le réglage fin de l'optique (est-elle bien collimatée ? est-elle limitée par la diffraction ou a-t-on une formule pourrie comme un mauvais SCT qui donne une tâche de diffraction plus large ?)...

Si je prends l'exemple de la 101ED de @Papylima :
- la limite de résolution optique est de 1.14 arcsec (diamètre de 101 mm) si l'optique est parfaite (ce qui n'est jamais le cas, voir le calcul de @pejive juste au-dessus)
- le seeing moyen est de 2 arcsec (j'en sais rien, mais c'est la Bretagne, c'est stable quand il ne pleut pas)

L'élément limitant est donc le seeing : 2"
(dans les faits, les deux phénomènes suivent une loi normale et s'ajoutent de manière quadratique, mais on va simplifier)

Shannon/Nyquist : il faut 2 (ou 3) pixels pour 2". Donc un pixel doit correspondre à 0.67" ou 1". Disons 1".

Une très théorique 533 mono sans réducteur donnerait des pixels correspondant à 1.87 arcsec
Mais la vraie 533 couleur a une résolution effective de 2.8 arcsec (facteur de 1.5 dans le vert)

Donc l'assemblage de la cam et de la lulu donne un sous-échantillonnage très important

Si on est dans une volonté d'avoir le plus de détail possible, la caméra la moins mal adaptée à cette lulu serait une... 294 mono en mode 47Mpix, qui donnerait 1.15" par pixel. Et une roue à filtres.

Si on rajoute la Loi de Poisson chère à Steph, ça met encore plus le bazar, donc je ne m'y aventurerai pas

[Papylima]

Et pour mettre un peu plus de trouble dans tout çà:
idéalement pour exploiter pleinement l'instrument il est souhaitable que le diamètre de la tache d'Airy corresponde à 1 pixel
(en supposant qu'il n'y ait pas de turbulence)
soit 2,44*lambda/D=P/F
si on s'amuse à calculer la taille du pixel cela fait: P=2,44*lambda*(F/D)
Pour le vert lambda=0,56 microns et par exemple F/D=5 on obtient P= 6,83 microns étonnant non ?

Je comprends qu'avec nos lunettes à focale courte, on est dans les choux. Pourtant, c'est une formule qui a du succès.
La personne qui m'a vendu la lunette l'utilisait avec une 183 mono.

[pejive]

Je crois qu'il ne faut pas se prendre la tête avec tout çà.
La turbulence est la plupart du temps le facteur limitant, et difficilement chiffrable. Il faut faire des essais avec le matériel dont on dispose en variant les focales; on finit par trouver ce qui donne les meilleurs résultats

[soulearth]

Ouai donc une caméra couleur est par nature toujours sous-echantilloné. Pour compenser strictement le facteur 1.5 il faudrait des pixels tellement petit que dans la pratique c'est pas vraiment jouable.

Pour mon seeing et mon 130 j'avais calculé du 2.9um idéal mono. Si je divise fait 2.9/1.5= 1.9
Des pixels de 1.9um... Est-ce vraiment raisonnable ?
Dans ce cas là, j'en comprends qu'au delà du seeing qui est notre facteur limitant optique, il faut composer avec la sensibilité de la technologie qui devient alors nôtre vrai facteurs limitant. Je ne suis pas expert, mais il me semble qu'avec nos caméra il est difficile d'envisager des pixels plus petits que 2.9 ou 2.4.

[clouzot]

Je crois qu'il ne faut pas se prendre la tête avec tout çà.
La turbulence est la plupart du temps le facteur limitant, et difficilement chiffrable. Il faut faire des essais avec le matériel dont on dispose en variant les focales; on finit par trouver ce qui donne les meilleurs résultats

C'est ce que j'allais proposer, mon habituelle preuve du pudding chère à nos voisins anglais : on shoote, on regarde la taille des étoiles. Plus de 5 ou 6 pixels de HFD / FWHM, on devrait utiliser une caméra à pixels plus petits. "Devrait", pas "doit".
C'est un test que je fais souvent avec ma caméra au foyer de mes SCT : le binning permet de passer d'un clic d'un échantillonnage bin1 très (la plupart du temps, trop) serré à quelque chose de plus raisonnable en bin2. Si en bin2 j'ai 3 ou 4 pixels voire plus, la plupart du temps je m'arrête là. Si je suis au sommet de la colline et que les conditions sont parfaites (une fois tous les 15 ans à peu près), il m'arrive d'avoir moins de 3 pixels, dans ce cas je repasse en bin1.

[soulearth]

Plus de 5 ou 6 pixels de HFD / FWHM, on devrait utiliser une caméra à pixels plus petits. "

Je suis désolé, j'ai pas bien compris. On regarde juste ce que nous donne sharpcap et si on est en dessous de 5, c'est que ça roule ?

[clouzot]

Plus de 5 ou 6 pixels de HFD / FWHM, on devrait utiliser une caméra à pixels plus petits. "

Je suis désolé, j'ai pas bien compris. On regarde juste ce que nous donne sharpcap et si on est en dessous de 5, c'est que ça roule ?

Oui. Sharpcap donne la FWHM des étoiles qu'il détecte, ça suffit.

Pour les pointilleux, on peut aussi utiliser un autre logiciel de mesure de taille d'étoiles (ASTAP et Siril le font avec chacun une approche un peu différente, la HFD ou HFR, qui est plus robuste quant à la turbulence)

[soulearth]

Plus de 5 ou 6 pixels de HFD / FWHM, on devrait utiliser une caméra à pixels plus petits. "

Par contre, si on prend des pixels plus petits, il en faudra encore plus pour la même image/étoile. La FWHM va pas monter au contraire ?

[clouzot]

Plus de 5 ou 6 pixels de HFD / FWHM, on devrait utiliser une caméra à pixels plus petits. "

Par contre, si on prend des pixels plus petits, il en faudra encore plus pour la même image/étoile. La FWHM va pas monter au contraire ?

Je me suis emmêlé les pinceaux. Si on a PLUS de 5-6 pixels de FWHM on peut dire qu’on est sur échantillonné et on peut, sans perte de détail, utiliser des pixels plus grands (changement de caméra, ou utilisation du binning), avec tous les avantages que ça comporte (rapport signal bruit meilleur en particulier).

Si on a une FWHM qui se balade en-dessous de 3 pixels, on pourrait diminuer la taille de pixel (autre caméra, pas de binning…)

[soulearth]

Merci inspecteur. Déjà parce que je commençais à me dire que j'avais rien pigé depuis tout ce temps ... C'était contrariant.
Mais en plus je tourne régulièrement autour de 3 donc ça me va bien . Cela dit, le n'y suis pour rien du tout.

[bemo47]

Si on a une FWHM qui se balade en-dessous de 3 pixels, on pourrait diminuer la taille de pixel (autre caméra, pas de binning…)

hmmm, alors ces calculs de fwhm ça me laisse vraiment perplexe....
j'ai vu @Steph qui nous montre des fwhm de 0.7 récemment d'après CCDInspector
par ailleurs j'ai Maxpilote, ou plutôt Maxselector qui me calcule mes fwhm et sur une série récente j'étais à 0.9 mais quand je reprends cette même série en folder monitor dans SC je suis plutôt autour de 3 ou 4.
et à chaque fois ça s'appelle FWHM !!!!
alors si quelqu'un voulait bien m'expliquer ce que sont ces FWHM qui ont des valeurs différentes selon les outils, ça aiderai à savoir quelle valeur on peut prendre comme référence pour ensuite faire d'autres estimations basées sur les FWHM, comme sur le sujet de l'échantillonage... par exemple...
on pourraît se livrer à qques tests sur différents outils avec une série d'images tests par exemple.
mais c'est perturbant ce truc

[Papylima]

j'ai vu @Steph qui nous montre des fwhm de 0.7 récemment d'après CCDInspector

0,7 pixel ou 0,7 arcseconde ?
je vois qu'on mélange un peu les 2 mesures.
Surtout moi... @clouzot écrit "5-6 pixels" et moi je lis 5-6 arcsecondes

[clouzot]

Le juge de paix, c'est la taille des étoiles en pixels. C'est ça qui va dire si la caméra est adaptée aux conditions et au reste de la chaîne, et c'est bien ça qu'on cherche à savoir, non ?

Il y a une différence majeure entre les différentes mesures (FWHM et HFD/HFR), c'est la façon dont le centre de l'étoile est calculé pour ensuite en mesurer la taille. La HFD/HFR (Diamètre ou Rayon, respectivement) est moins sensible à la turbu et devrait être la mesure privilégiée, mais comme elle est plus lourde, on n'a parfois accès qu'à la FWHM (eg. dans Sharpcap).

[bemo47]

j'ai vu @Steph qui nous montre des fwhm de 0.7 récemment d'après CCDInspector

0,7 pixel ou 0,7 arcseconde ?
je vois qu'on mélange un peu les 2 mesures.
Surtout moi... @clouzot écrit "5-6 pixels" et moi je lis 5-6 arcsecondes

Ça c'est bien possible aussi

[Papylima]

Bon, je viens de regarder. Avec ASTAP, je tourne dans les 5-6 pixels. Avec Siril, un peu moins.
Je vais m'en contenter pour l'instant.

[soulearth]

Voilà ce que je comprends de la logique mais j'ai une erreur de 2...

Shannon/Nyquist nous explique qu'il faut 2 mini (et plutôt 3 en astro) pixels pour échantillonner sans perte le plus petit détail.

La fwhm c'est la largeur a mi hauteur du signal ( du plus petit détail ? ) . Mais du coup la largeur totale du plus petit détail, c'est le double. Soit 6!

Et voilà j'ai une erreur de x2 ! Inspecteur @clouzot , svp, je me plante ou ?