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Imagerie CCD & Webcam
 
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 Qu'est-ce qu'un CCD?

De l'observation visuelle à l'imagerie numérique:
L'instrument (télescope ou lunette) est utilisé afin de concentrer les rayons lumineux en provenance de l'objet observé, l'oculaire quant à lui projette l'image située au foyer vers une surface sensible. Dans le cas d'observations visuelles, la rétine sert de système d'acquisition et le cerveau de système de mémorisation de l'information. Cependant, les astronomes se sont très vite rendus compte que ce système était relativement peu sensible ("le temps de pose" de l'oeil est d'environ 1/10s.). Un système qui présente une sensibilité accrue est le film photographique. Dans ce cas, le film placé au foyer, assure à la fois la fonction d'acquisition et de mémorisation. Son succès fut très grand pendant de très nombreuses années mais depuis 1960 sa contribution à fortement diminuée au profit des caméras CCD beaucoup plus rapides et beaucoup plus sensibles. Le principe d'enregistrement d'une image est identique à l'astrophotographie sauf que la surface sensible correspond à une matrice CCD qui assure la fonction d'acquisition. La fonction de mémorisation est réalisée par un ordinateur (mémorisation d'informations sous forme numérique). L'évolution dans les techniques de prise d'images traduit donc la recherche d'une sensibilité accrue (qui nous permet d'obtenir des images d'objets plus faibles et plus rapidement).

Présentation d'un capteur CCD:
Le terme CCD nous vient de l'anglais et signifie Charge Coupled Device (en français Dispositif à Transfert de Charge, DTC). Une matrice CCD est composée d'un grand nombre de micro-cellules juxtaposées, en général carrées ou rectangulaires, sensibles à la lumière que l'on nomme pixels (contraction du terme anglais picture element). Chaque pixel correspond à un point de l'image, comme l'est chaque grain d'argent d'une émulsion photographique. La différence réside dans le fait que si les grains d'une film sont répartis de manière aléatoire et ont des tailles diverses, les pixels d'un capteur sont ordonnés suivant des lignes et des colonnes et ont tous la même taille (environ 10 microns). Si en photo, la lumière interagit avec les grains d'argent pour former une image, en imagerie numérique, nous allons utiliser l'effet photoélectrique, c'est-à-dire, l'arrivée d'un photon sur le silicium qui va générer un électron. Chaque pixel, que l'on peut assimiler à un puits (avec une certaine taille et une certaine capacité), crée et accumule un nombre d'électrons proportionnel à la quantité de lumière reçue. Ce sera donc la lecture de ces charges électriques accumulées par les pixels qui nous permettra de reconstituer l'image.

Fonctionnement d'un CCD:
Pour lire l'image que le capteur a enregistré, il va falloir récupérer la quantité d'électrons contenue dans chaque pixel. C'est pourquoi une partie importante d'une caméra CCD est l'électronique. Un double système d'horloges va générer des signaux de lecture, l'une pour transférer les charges de lignes en lignes jusqu'au registre horizontal, l'autre pour déplacer les charges de ce registre sur le pixel voisin. La charge située dans le dernier pixel sera alors "emportée" vers le registre de sortie. Les charges électriques seront ensuite amplifiées et converties en valeurs numériques afin de pouvoir être lues par un ordinateur et enregistrées dans un fichier.


Déplacement des charges de ligne en ligne. (Cazard, J.-P., Pulsar 730)


Déplacement des charges vers le registre de sortie, amplification er conversion. (Cazard, J.-P., Pulsar 730)

Visualisation d'une image:
Une image CCD n'est donc qu'ensemble de valeurs numériques représentant la quantité de lumière reçue par chaque pixel. Sur une caméra telle que la Starlight Xpress HX516, la charge électrique est convertie en valeur numérique sur un échelle de 16 bits. Cette conversion permet d'exprimer 216 niveaux de gris, c'est-à-dire de 0 à 65535. La valeur de 0 correspond à un pixel avec un charge nulle tandis que la valeur 65535 correspond à un pixel avec une charge maximale, on dit aussi que le pixel est saturé. Si cette valeur est dépassée, les électrons excédentaires vont déborder sur les pixels voisins laissant apparaître sur l'image des traînées. Ce phénomène est connu sous le nom de blooming; notons qu'il existe des dispositifs qui permettent de s'affranchir de ce problème.


L'effet du blooming. Image: BT-Atlas

Plus le niveau de codage sera élevé plus la dynamique sera importante, il semble qu'un convertisseur 12 bits soit un minimum. Lors de l'affichage d'une image sur un écran de PC, celui-ci ne peut afficher au maximum que 256 niveaux de gris. Il faudra donc établir une correspondance entre la dynamique que nous fournit la caméra et la dynamique de l'écran. Cette opération est connue sous le nom de seuillage. On pourra ainsi faire correspondre la valeur du pixel avec celle de l'écran et ce à partir de deux seuils: le seuil bas, où tout pixel ayant une valeur inférieur à ce seuil aura comme valeur 0 (et apparaîtra donc noir), et le seuil haut, où tout pixel ayant une valeur supérieure à ce seuil sera représenter par la valeur 255 (blanc).

L'équipement informatique:
L'ordinateur est partie intégrante d'un système d'imagerie numérique puisqu'il joue le rôle d'interface entre la caméra et l'utilisateur (en général, la liaison se fait par le port parallèle). En effet, c'est grâce à un PC que l'on peut donner les ordres de lecture ainsi que réceptionner, visualiser, stocker et traiter les images. Pour ma part, je possède deux ordinateurs, un portable pour l'acquisition (Pentium 100MHz) et une station pour le traitement des images (Pentium III 450MHz). Le portable présente l'avantage de pouvoir l'emporter dans n'importe quel endroit mais en général son prix est élevé. Il s'agit donc de trouver un PC puissant et si possible pas trop cher. A cet égard ne négligez pas le marché du matériel d'occasion où l'on peut trouver de bons ordinateurs. La puissance du PC n'est pas très importante en ce qui concerne l'acquisition des images (à la Société Astronomique de Genève, nous possédons une ST7 et pour l'acquisition des images nous utilisons un 486, le chargement d'une image prend environ 20s.). Par contre, la puissance et la mémoire de l'ordinateur deviennent vraiment importante lors du traitement des images. Je conseillerai donc un PC Pentium d'au moins 300MHz, avec 2 Giga de disque dur, d'une mémoire d'au moins 32 Méga de RAM et d'un écran Super VGA 1024x758, 65535/16 Mio de couleurs.


La caméra HX516 avec le PC portable et le boîtier d'alimentation.

   

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Dernière MAJ: 03/03/20057.

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