La théorie
ou comment obtenir de meilleures images

A quoi ça sert de combiner les images ?
Combien faut-il combiner d'images ?
La calibration : comment utiliser les darks, flats et offsets
Quelle sensibilité ISO ?
Le processus de calibration

Vous trouverez ci dessous des informations simples mais rien ne peut remplacer l'expérience.
Quelques experts ont décidé de créer un magazine online entièrement dédié à l'astrophotographie. Il est certes en anglais mais plein de conseils qui sont souvent le résultat d'une longue expérience.

Parmi les derniers sujets abordés on trouve une discussion sur le Drizzle, l'Autoguidage, Comprendre le bruit dans les images et beaucoup d'autres.

Note : Je ne suis en aucun cas affilié à ce magazine ni à aucune publicité que vous pourrez trouver dedans.
Je mets juste cette bannière car un numéro gratuit est toujours disponible et plein d'informations utiles.

A quoi ça sert de combiner des images ?
La réponse est simple : uniquement à augmenter le rapport signal/bruit.
Est ce que les images obtenues sont plus lumineuses ? Non.
Est ce que les images obtenues sont plus colorées ? Non.

L'objectif de la combinaison de plusieurs images en une seule est uniquement d'augmenter le rapport signal/bruit. Les images obtenues sont ni plus lumineuses, ni plus colorées mais par contre elles ont beaucoup moins de bruit ce qui permet de pousser beaucoup plus le traitement et donc de faire ressortir beaucoup mieux les détails et les couleurs.

Combien faut t-il combiner d'images ?
Le plus possible mais au delà d'un certain nombre c'est moins efficace.
Le rapport signal/bruit s'améliore avec la racine carrée du nombre d'images combinées et ce indépendamment du temps de pose de chaque image.
Ceci est vrai quelle que soit la méthode utilisée (moyenne, médiane, kappa-sigma clipping, moyenne pondérée auto adaptative...) à l'exception de la moyenne pondérée par l'entropie qui utilise l'entropie pour pondérer chaque pixel et ainsi augmente le bruit qui contribue beaucoup à l'entropie.

Cette règle signifie que si le rapport signal/bruit d'une image est de 1, en en combinant 10 le rapport signal/bruit du résultat est de 3.16 (racine carrée de 10). Pour 30 images le rapport signal/bruit passe à 5.47, pour 50 images à 7.07, pour 100 images à 10 et pour 300 images à 17.32.

On constate que pour gagner un facteur 7 il suffit de passer de 1 à 50 images, mais pour gagner le même facteur 7 au delà de 100 images il faut en ajouter 200 de plus.

Est ce que 100 x 1 minute est équivalent à 10x10 minutes ?
Oui en terme de rapport signal/bruit, mais non en terme de résultat.
La différence entre une image de 10 minutes et une image de 1 minute est que le rapport signal/bruit de l'image de 10 minutes est 3.16 (racine carrée de 10) fois meilleur que le rapport signal/bruit de l'image de 1 minute.

Comme vous pouvez le constater le rapport signal/bruit d'une image de 10 minutes est égal à celui de la combinaison de 10 images de 1 minute. De même, le rapport signal/bruit de la combinaison de 10 images de 10 minutes est égal à celui de la combinaison de 100 images de 1 minute.

Toutefois ceci ne signifie pas que l'image est la même, juste que le rapport signal/bruit est le même.
En fait vous n'obtiendrez pas le même signal (la partie intéressante) du tout. Pour faire simple vous n'obtiendrez un signal que si la plupart de vos images ont réussi à capter quelques photons correspondant au signal de façon à ce que le signal ne soit pas considéré comme du bruit.

Par exemple dans le cas d'une nébuleuse très faible, il est possible que seulement quelques photons arrivent en l'espace de 10 minutes.
Si vous utilisez des poses unitaires de 10 minutes vous aurez capturé des photons sur chacune des images et la combinaison fera ressortir clairement le signal.
D'un autre coté si vous utilisez des poses unitaires de 1 minute la plupart de vos images ne montreront rien et sur les quelques images ayant capturé des photons ceux ci seront considérés comme du bruit et donc supprimés par la combinaison.

Est ce que je peux combiner le résultat de deux combinaisons ?
Absolument, et la règle de la racine carrée s'applique également avec un petit bémol.

En combinant deux images, le rapport signal/bruit augmente de 1.414 (racine carrée de 2).
Si les deux images à combiner ont le même rapport signal/bruit cela est équivalent à faire un seul empilement.
Si les deux images à combiner n'ont pas le même rapport signal/bruit la multiplication par 1.414 se fait sur le plus mauvais rapport signal/bruit.

Ainsi, en combinant le résultat de 10x1 minutes avec une pose unitaire de 1 minute on obtient à peu près le même rapport signal/bruit qu'en combinant 2 images de 1 minute. Ceci est du au fait que le bruit s'additionne et que la meilleure image est abîmée par la plus mauvaise lors de la combinaison.

La calibration : comment utiliser les dark, flat, offset/bias
La calibration est l'opération qui consiste à soustraire le signal d'offset, soustraire le signal de dark et diviser par le signal de flat.
Il ne s'agit pas ici d'expliquer comment prendre des images dark, flat et offsets (voir ici pour cette explication) mais de mieux comprendre comment il faut les utiliser pour obtenir les meilleures images possibles.

Une bonne idée reçue
Tout le monde dit qu'il faut prendre des images dark, flat et offsets pour obtenir les meilleures images possibles.

Toutefois si certaines règles ne sont pas respectées l'utilisation de dark, flats et offsets peut dégrader considérablement la qualité des images brutes et aboutir à un résultat final décevant.

La bonne nouvelle est qu'il est extrêmement facile d'obtenir de bon résultats en utilisant des darks, flats et offsets.

Une mauvaise idée reçue
Il est absolument faux de dire que le nombre de dark, flat et offsets doit être proportionnel au nombre d'images brutes.
De nombreuse personnes n'utilisent qu'un très petit nombre ou même une seule image dark, flat ou offset alors qu'elles pourraient obtenir de bien meilleurs résultats en utilisant un nombre important de dark, flat et offset à partir des mêmes images brutes.

En utilisant la règle de la racine carrée, les images maîtres (résultat de la combinaison des darks, flats et offsets) sont bien plus propres si un grand nombre d'images est utilisé pour les créer.
Il faut se souvenir que ces images maîtres permettent d'enlever le signal dark/offset et corriger la planéité (flat) et non pas ajouter le bruit qui va avec.

Il est important de noter qu'en soustrayant le maître dark  d'une image brute, le signal dark est bien soustrait mais le bruit est ajouté.
Donc moins l'image maître contient de bruit, plus l'image obtenue par la calibration est propre.

De fait en utilisant un très petit nombre d'images pour créer les images maîtres on peut tripler le bruit de l'image calibrée par rapport à l'image non calibrée. Ensuite pour rattraper cette dégradation du rapport signal/bruit il faudra empiler 9 fois plus d'images brutes (3 au carré).

C'est la raison pour laquelle il faut utiliser le plus possible de dark, flat et offsets.
D'un point de vue pratique une vingtaine d'images pour créer chaque image maître est un minimum si vous ne voulez pas ajouter trop de bruit et entre 50 et 100 images permet d'obtenir des images maître très propres.

Aparté sur les pixels chauds
Les pixels chauds sont des pixels qui se comportent de façon anormale.
Ils représentent un signal très fort qui est visible sur toutes les images et sur tous les darks.

Bien entendu si vous soustrayez une seule image dark de vos images brutes les pixels chauds disparaîtront ce qui vous donnera l'impression (fausse) que le dark a fait son boulot.
Dans le même temps vous avez totalement ruiné l'image brute en doublant son bruit.

Quelle sensibilité ISO ?
La question est classique est la réponse est simple : ce n'a pas d'importance...en quelque sorte.

En fait la sensibilité ISO est juste un réglage de l'APN, et puisque le capteur CMOS ou CCD est le même (vous ne l'avez pas changé en changeant la sensibilité ISO) les résultats sont en réalité les mêmes.
Ce n'est pas parce que vous allez utiliser une sensibilité ISO supérieure que vous allez capturer plus de photons. C'est juste que le signal (et le bruit) seront plus amplifiés.

La bonne nouvelle est que vous n'avez pas besoin de changer de sensibilité ISO pour essayer de capturer un objet plus faible. Vous avez juste besoin de faire des poses plus longues.

Bien sur c'est un tout petit peu plus compliqué que cela, car il existe effectivement une bonne sensibilité ISO pour chaque appareil photo numérique.
Toutefois elle dépend des caractéristiques de chaque capteur et de l'électronique associée (bruit de lecture et bruit talon) et n'est pas simple à déterminer.
Christian Buil a calculé ces valeurs pour quelques appareils numériques Canon

La calibration
Le processus de calibration et comment chaque images est utilisé (brutes, darks, flats...) est souvent perçu comme un mystère alors qu'il est relativement simple.

Ci-dessous le schéma expliquant le processus de calibration complète lorsque tous les types de fichiers sont disponibles)

Calibration complète (tous les types de fichiers sont disponibles)

Toutefois il est courant et parfaitement possible de calibrer sans utiliser de dark flat. Dans ce cas le processus est décrit ci-dessous:

Calibration alternative I (sans dark flat)

Enfin, si vous utilisez des dark flat, vous pouvez parfaitement calibrer sans utiliser de bias/offset. Dans ce cas le processus est décrit ci-dessous:

Calibration alternative II (sans bias/offset)

Tout autre combinaison mène à une calibration imparfaite et pour obtenir les meilleures images il est impératif d'utiliser une de ces trois possibilités.