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Hubble:

 

L'image de la semaine

   

 

 

 

 

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Supprimer la matrice de Bayer de son Capteur CMOS

La débayérisation d'un capteur CMOS

 

 

 

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Pourquoi ?

 

La structure d'un Capteur couleur

 

Le capteur d'un reflex numérique est composé de nombreuses couches différentes.

 

Du haut, les premières couches sont:

 

- Microlentilles pour focaliser la lumière sur un pixel particulier. Il existe une microlentille pour chaque pixel.

 

- Color Filter Array (CFA) ou matrice de Bayer. Un motif de points rouges, verts et bleus est imprimé en photolithographie sur la surface. Chaque pixel ne sera que l'une des trois couleurs - rouge, vert ou bleu. Le réseau de filtres de couleur (CFA) est généralement un rouge, vert, bleu, modèle vert dans une matrice de Bayer.

Un appareil photo de 10 mégapixels aura donc 5 millions de pixels verts, 2,5 millions de pixels rouges et 2,5 millions de pixels bleus.

 

- Photodiode .

 

 

L'image ci-dessus montre la structure d'un pixel rouge. Un pixel vert aura un filtre de couleur verte, et pixel bleu aura un filtre de couleur bleue.

 

Les pixels sont disposés généralement dans une matrice de Bayer Rouge-Vert-Bleu-Vert .

...

Le vert est utilisé deux fois plus que le rouge et le bleu pour imiter au plus près la vision de l'œil humain qui voit mieux dans le vert que le rouge ou le bleu.

 

Pour exemple voici une image de la matrice de Bayer d'un capteur de CANON EOS 450D.

 

 

 

Ci dessous une echelle représentant 0.01mm entre chaque ligne

 

 

Rappelez-vous, pour tous les quatre pixels sur un capteur couleur, vous obtenez 2 vert, 1 rouge et 1 bleu.

 

Donc, supposons qu'une scène soit éclairée par une lumière bleue ,vous obtiendriez seulement 1/4 des pixels voyant la lumière bleue. En effet, un capteur de 10 mégapixels est finalement transformé en un appareil photo de 2,5 mégapixels.

 

L'interêt de la suppression de cette matrice sera donc une montée en résolution puisque la totalité des pixels du capteur sera utilisée pour générer l'image finale.

Et surtout une légère augmentation de la sensibilité du capteur , vous verrez dans les tests et mesures suivants ,la

différence entre les zones avec et sans matrice.

 

 

Les tests comparatifs entre capteur couleur et N&B

 

Voici quelques tests de comparaison réalisés sur une mire avec un capteur CMOS et un capteur CMOS Débayérisé d'un EOS 600D.

 

Les acquisitions ont étés réalisées dans les mêmes conditions d'éclairage et de prise de vue.

Acquisition en mode RAW , ISO100,focale 64 mm,0.125s et f/5 .7

 

Voici en premier les histogrammes réalisés avec le logiciel IRIS.

A ce stade les fichiers ont juste été ouvert par le logiciel sans modification.

 

En premier on peut constater que le poids du fichier RAW de la version N&B est plus lourd que la version couleur

Le fichier couleur est le 9247 , le N&B le 9248

 

 

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Les 2 courbes superposées

 

 

Maintenant les deux fichiers aprés réglage identique de l'histogramme avec Pixinsight

Dans les images suivantes on peut constater une luminosité supérieure pour le capteur N&B ainsi qu'un meilleur

contraste et surtout un bruit bien inférieur.

 

La version CMOS 600D COULEUR

 

La version CMOS 600 Débayérisée

 

J'ai ensuite réalisé des crops de certaines zones de chaque brute en plein format.

L'image de gauche correspond au capteur couleur , celle de droite au capteur N&B

 

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CMOS 600D COULEUR.........................................................CMOS 600D N&B

 

 

Tests en Infrarouge à 940 nm

 

Voici ensuite quelques mesures effectuées dans le noir sur un projecteur Infrarouge à 940 nm

Les prises de vues ont étés effectuées au 1/8000 de seconde à ISO 100

On remarquera dans cette longueur d'onde une légère perte en luminosité (~ 1 %) pour la version débayérisée ,

surement due à la qualité de l'état de surface du capteur aprés modification.

Toutes les images ont étées réalisées et traitées en mode RAW.

 

Image réalisée avec un CANON Eos 7D totalement défiltré

 

 

Image réalisée avec un CANON Eos 7D totalement défiltré et débayérisé

 

 

Voici enfin un comparatif avec le positionnement de la matrice de Bayer , l'image du 7D défiltré

et celle du 7D défiltré et débayérisé.

La dernière image simule le même niveau d'exposition que l'image du 7D défiltré.

On remarque un gain important en contraste sur l'image du 7D débayérisé et une dégradation

importante des fins détails sur l'image réalisé avec la matrice de Bayer.

 

Cliquez sur l'image pour la lire en plein format

 

 

Tests en ASTROPHOTOGRAPHIE

 

Voici la première serie de tests sur des images en ciel profond.

 

Les tests suivants ont été réalisés le même soir dans les mêmes conditions de prise de vue

entre 2 CANON EOS 50 D , un modèle normal et un modèle défiltré et débayérisé.

 

Les prises de vue ont été réalisés en mode RAW à 2000 ISO au foyer d'une lunette William Optics Megrez 90 APO, un

dark automatique a été appliqué avant enregistrement du fichier.

Les réglages d'histogramme ont été réalisés avec le logiciel Pixinsight 1.8

 

 

Voici ensuite les histogrammes des deux versions avec le logiciel IRIS

 

 

L'image prise avec le boitier débayérisé présente un gain en luminosité et en résolution avec un bruit largement réduit.

 

On remarque également sur ces premiers tests que les étoiles les plus lumineuses sont beaucoup plus grosses sur la version débayérisée .

Voici quelques explications de ce phénomène :

 

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Voici une image à échelle 1 d'une étoile très lumineuse (Alpha Arietis - Hamal) de magnitude +2.02, l'une des étoiles les plus lumineuses du ciel boréal).

 

 

On constate une diffusion en aigrette dans le sens vertical et horizontal du capteur. Cela est proablement du à des réflections internes entre la surface débayérisée du capteur et la vitre qui le protège.

 

 

J'ai réalisé un test comparatif de reflection de la lumière d'une LED blanche sur la surface du capteur avec :

- un modèle normal avec sa vitre d'origine et sa matrice de Bayer

- un modèle débayérisé avec sa vitre d'origine

- un modèle débayérisé sans vitre

 

Voici ce que l'on constate :

 

Projection sur capteur normal------------Projection sur capteur débayérisé

 

 

Projection sur capteur débayérisé sans sa vitre

 

On constate sur les images ci-dessus une diffusion de la lumière dans deux axes, ce qui provoque une sorte d'aigrette, causée probablement par la suppression des microlentilles.

 

En effet, par leur forme, les microlentilles réflechissaient la lumière dans toutes les directions.

 

 

 

Une fois supprimées, la structure gravée du capteur - très réflechissante - est exposée et réflechit la lumière dans les axes privilégiés de 90°-270° et 0°-180°, et les rayons sont ensuite renvoyés sur le capteur par la vitre de protection, d'où ces aigrettes autours des étoiles lumineuses.

 

Il est donc necessaire de remplacer la vitre d'origine du capteur CANON par une vitre ayant un traitement anti-reflet.

 

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Voici maintenant un comparatif d'une addition de 5 images pour chaque modèle

 

 

On remarque de suite une diminution du bruit sur l'image du 50D Débayérisé.

 

Voici maintenant une image test de 5 x 45 Sec + 5 Flats en poussant un peu les curseurs de la version débayérisé.

Image réduite à 25 %

 

 

Test de réflection de la nouvelle vitre capteur

Voici un test réalisé à partir d'une Led Blanche.

A gauche la vitre d'origine , à droite la nouvelle vitre traitée anti-reflet sur les deux faces

 

 

Tests comparatifs avec la nouvelle vitre capteur

 

Voici une image montrant l'aspect des étoiles entre la vitre d'origine du capteur CMOS CANON et

la nouvelle vitre traitée anti-reflet.

Un filtre UV/IR est installé dans la chaine optique pour éviter les effets de diffusion autour des étoiles

dûs aux Infrarouges.

 

 

Cette nouvelle vitre élimine donc bien le phénomène de reverbération des étoiles fortement lumineuse

se produisant sur la face interne du capteur.

 

Voici également 2 tests réalisés sur des étoiles brillantes comme Sirius et Bételgeuse.

Sirius possède une magnitude apparente de -1,46 , on constate donc bien l'elimination du défaut qui avait

été rencontré sur les images de Hamal de magnitude +2.02.

 

 

TESTS SUR CANON EOS 500D

 

Voici quelques mesures réalisées avec un Canon EOS 500D sur lequel j'ai réalisé diverses transformations.

Toutes ces mesures ont étés réalisées par Frédéric Michaud , membre Webastro FRED76.

Vous pouvez visiter son site plein d'informations utiles à l'adresse suivante :

http://www.sahavre.fr/

 

Je reprends donc ici toutes les informations qu'il a déposé sur son post dédié, sur le forum Webastro

http://www.webastro.net/forum/showthread.php?t=123733

 

Vous pouvez consulter en détail la modification de ce boitier à la page suivante :

CANON EOS 500D refroidi et débayérisé

 

Le boîtier a subit 4 transformations :


- débayerisation et remplacement de la vitre du capteur d'origine par une vitre traitée antireflet
- défiltrage total (j'ai quand même placé un filtre clair EOS clip pour ralentir les dépôts de poussières)
- installation d'un doigt caloporteur en cuivre sous le capteur avec un ventilateur à l'extérieur afin d'extraire les calories
- déplacement de la sonde interne de température sur le capteur : la température Exif est désormais celle du capteur



Caractéristiques du capteur

Ces caractéristiques ne sont pas modifiées par la débayérisation.

Photosites : 4.7 µm
Résolution : 
- largeur : 4752
- hauteur : 3168

 

Effet de la débayérisation du capteur

Gain en sensibilité


Pour estimer le gain en sensibilité, j'ai comparé sur la même photo prise sur la lumière du jour (un nuage défocalisé), les niveaux moyens de zones où la matrice CFA n'avait pas été retirée (1), dans chaque plan de couleur, en comparant avec une zone très proche où le capteur était débayérisé (2).

Comme les zones (1) et (2) sont très proches, l'effet du vignettage est très faible. Au total une quinzaine de paires de zones ont été mesurées.

 

J'arrive aux gains de sensibilité suivants pour chaque plan de couleur :
- dans le vert : +55%
- dans le rouge : +80%
- dans le bleu : +95%

Autrement dit, le capteur débayérisé est en moyenne environ 70% plus sensible que le capteur d'origine.



Résolution

Le gain en résolution suite à la débayérisation est bien visible :

 

 

Bruit

On remarque aussi un bruit bien plus faible dans l'image Après. J'analyse cela par les coefficients appliqués pour convertir l'image RAW en une image couleur. En effet, on a pu voir dans le paragraphe précédent que les photosites bleus du capteur non débayérisé étaient bien moins sensibles que les photosites verts. Pour rééquilibrer les couleurs, l'algorithme de développement des RAW doit donc augmenter sérieusement le gain du plan bleu ce qui multiplie d'autant son bruit. La matrice de Bayer contient aussi 2 photosites verts pour 1 bleu et 1 rouge. Le rééquilibrage des couleurs renforce donc encore cette multiplication du bruit.

Le rapport signal/bruit augmente par ces deux effets combinés :
- les photosites ne sont plus spécialisés à un canal de couleur RVB, donc le signal augmente sur chaque photosite
- le bruit n'est plus amplifié sur les canaux rouges et bleux, donc le bruit global diminue.

 

Photo diurne en infra rouge

Voici l'une de mes toutes premières photos en IR. Il s'agit ici d'une prise de vue diurne, avec le 500D défiltré/débayérisé et en proche infra-rouge avec un filtre Astronomik Proplanet Ir Pass 807 nm.

J'ai privilégié un aspect grunge avec du grain "à l'ancienne" en poussant à 3200 ISO.

L'objectif est un Canon EF55-200mm f/4.5-5.6 II USM réglé à 55 mm F/11. Une seule pose de 1/100 s.

 

 

Ce qui est dingue, c'est qu'on ne voit rien du tout au travers du filtre à l'oeil nu, mais au Liveview on voit comme en plein jour. Le capteur débayérisé est une tuerie en IR, la pose n'était que 1/100e de seconde !

Par contre on distingue très bien deux bandes sombres horizontales, causées par le bruit de lecture. Elles se retirent toutefois très bien avec un offset maitre.

 

Effet du doigt caloporteur et du ventilateur

Je l'ai dit dans un autre sujet, le 500D est réputé pour chauffer beaucoup. Par contre, ainsi que j'ai pu le mesurer avant les travaux d'Astroghost, on ne gagne pas grand chose à refroidir le boitier sous 10°C (température Exif) : le bruit d'agitation thermique est en effet stabilisé sur ce qui semble être une asymptote dès que la température du capteur est inférieure à 10°C. Par contre le bruit explose dès qu'on dépasse 20°C.

Sur des poses de 5 minutes, j'ai mesuré un écart de près de 15°C entre le capteur et l'air extérieur après une quinzaine de photos. Il est donc important de trouver un moyen d'empêcher le capteur de monter trop en température.

Comme on prend les photos la nuit, la température extérieure est souvent inférieure à 10°C, il suffit donc de bien caloporter la chaleur à l'extérieur du boitier pour ne pas que la température grimpe trop au dessus de 10°C.

C'est pour ça que j'ai proposé cette idée à Astroghost : placer juste un doigt de cuivre sous le capteur avec un ventilateur pour éliminer la chaleur :

 

Pas de Peltier à gérer avec les problèmes de givre, de régulation et d'alimentation : juste un petit ventilateur alimenté par l'APN et un petit interrupteur pour ne pas vider la batterie involontairement !

Test au congélateur

En ce moment, le boîtier est dans le congélateur, ventilateur en marche. La température s'est stabilisée à -20°C après une heure. Le congel est mesuré à -21°C. J'ai lancé BYE avec des poses de 300s à 800ISO et après 5 poses, la température du capteur est toujours de -20°C. Autrement dit le doigt de gant ventilé rempli parfaitement son office et équilibre la température du capteur avec celle de l'extérieur.

Après 28 poses effectuées dans le congélateur, la température des RAW est comprise entre -20°C et -19°C : le doigt de gant ventilé fonctionne à merveille. L'écart entre la température du capteur et la température extérieure est d'à peine 5°C (congélo réglé à -24°C, mesuré à -26/-21°C selon l'endroit dans le compartiment où j'ai placé le boitier).

Test au réfrigérateur

Retour du ciné, le boitier est resté près de 2h30 dans le frigo. La température du frigo est mesurée à +4°C. La température du capteur s'est stabilisée à +10°C. On retrouve la environ 5°C d'écart.

Test à l'air ambiant

J'ai sorti le boitier pour le placer dans une boite à l'extérieur. Température extérieure de +21°C.

Après 7 photos, la température du capteur est de 21°C. La boite étant fermée, elle est un peu montée en température pour finir à 24°C. A ce moment la température du capteur était de 29°C.

Conclusion

La modification avec la plaque de cuivre et le ventilateur permet de maintenir le capteur à environ 5°C au dessus de la température ambiante là où auparavant l'écart était de près de 15°C, soit un gain de 10°C environ ce qui permet de maintenir le capteur en dessous de 20°C la plupart du temps (sauf les nuits où la température extérieure est supérieure à 15°C, ce qui est assez rare ici en Normandie  ).

 

Bruit d'agitation thermique

Plus un capteur chauffe, plus les électrons s'agitent et plus ils risquent de causer un faux signal. Ce faux signal s'appelle le courant d'obscurité.

Toutefois, les ingénieurs de Canon (mais c'est pareil avec les autres marques), ont mis en place un système avant la sauvegarde du RAW pour limiter ce courant d'obscurité. Il est ainsi quasiment impossible de le mesurer. Par contre, ce système consiste à soustraire à chaque photosite une valeur moyenne du courant d'obscurité calculée à partir de photosite non éclairés qui bordent les capteurs. Comme chaque photosite ne répond pas de la même façon à la température, il ne reste plus qu'une fluctuation qu'on peut appeler "bruit d'agitation thermique" (même si ce n'est pas vraiment un bruit à proprement parler).

Bref, j'ai estimé ce bruit à diverses températures pour des poses de 300 s à 800 ISO, avant (point rouges) et après (points bleus) la débayérisation.

 

 

Astroghost a déplacé la sonde de température interne du boitier pour la placer à coté du capteur. Avant elle se trouvait à coté d'un des processeurs (composant qui chauffe le plus). L'écart de température entre les deux endroits est de l'ordre de 12°C. Ainsi quand le capteur est à 10°C, la sonde non modifiée rapporte une température de l'ordre de 22°C.

On se rend compte sur ces courbes que le bruit d'agitation thermique n'est pas fondamentalement changé par la débayérisation.

Sur l'image ci-dessous, on voit la comparaison entre deux darks de 300s à 800 ISO, avant et après, pour les températures de 0, 10 et 20°C.

Les images sont en binning 6 et les niveaux poussés au max pour voir la structure. 

 

 

On constate deux choses :
- globalement, le bruit n'est pas trop changé
- le dark n'était pas du tout homogène avant, il l'est après, surtout quand la température augmente

La plaque de cuivre uniformise donc bien la température du capteur en faisant peut être écran à d'autres composants qui chauffent autour du capteur.

 

Offset

L'offset est le point qui a le plus changé avec l'opération, pour deux raisons :
- lors du retrait de la matrice de Bayer, il faut s'approcher de certains composants critiques et cela peut engendrer certaines irrégularités
- pour ajouter la plaque de cuivre, Astroghost a du supprimer le blindage sous le capteur. De plus la plaque de cuivre peut aussi servir d'antenne et amplifier/modifier les ondes dans le boitier et ainsi provoquer quelques perturbations dans le signal

La carte d'offset (Bin 6, niveau poussés à l'identique) :

 

Ce qui était cependant étonnant, c'était l'offset Avant : il présentait un zonage pas très typique de ce type de bruit pour un Canon (habituellement l'offset montre des bandes verticales, comme sur l'offset Après).

 

Histogramme des darks / pixels chauds

J'ai comparé les histogrammes de darks pris avant/après la débayérisation, avec des poses de 300 s à 800 ISO. On se rend compte que le grattage du capteur a un effet non négligeable :

 

La courbe verte est à -20°C environ. Les deux courbes avant/après sont quasiment superposées.

Les courbes bleue/rouge sont à +25°C. On se rend compte que la courbe bleue (après débayérisation) se retrouve au dessus de la courbe rouge pour les pixels chauds (à droite de la courbe).

Donc la débayérisation a une agressivité qui va augmenter notablement le nombre de pixels chauds. Il est important d'empêcher le capteur de trop chauffer et de ne pas négliger les darks et le dithering.

 

Flat

On s'en doute, gratter la surface du capteur pour retirer la matrice de Bayer ne se fait pas sans laisser de traces. Même en allant doucement (les meilleurs résultats sont obtenus en grattant avec une petite baguette en bois), on distingue des traces sur les flats ainsi qu'on peut le voir sur cette image :

 

 

(les tâches noires ou grises sont des poussières sur le capteur)

En apparence, ça semble effrayant, mais si on applique le flat sur une image, toutes les rayures disparaissent, comme on peut le voir sur cette image qui met cote à cote les deux mêmes zones d'une photo, avant/après application du flat :

 

 

Un autre endroit de la photo montre comment le flat arrive à retirer les défauts causés par le grattage :

 

 

 

Concernant l'application des flats sur vos photos , voici un document qui vous permettra de réaliser

ces opérations avec photoshop CS2 :

 

Appliquer-un-flatfield-avec-photoshop-CS2

 

 

Exemples d'images réalisées en Astrophoto avec des boitiers Débayérisés


CANON EOS 600D debayérisé

NGC 7000 en H-apha en 12nm avec un 700/200 réglé sur 200 .

12 poses de 90s à 3200 iso sur une Monture Star Adventurer .

 

 

Voici maintenant un comparatif entre un 600D normal refiltré Astrodon et un 600D Débayérisé

On remarque un gain important du signal avec les versions débayérisé

 

 

 

28x180s 600D débayérisé en ha de 12nm à 3200iso sur une star adventurer + Ojectif 70/200 f2.8

 

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CANON EOS 550D Débayérisé et refroidi

Infos à venir

 

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Matériel utilisé :

 

- Megrez 90 APO + réducteur WO Flat IV +CoolingStarBox MKII sur Monture Geoptik GK300

- Guidage avec Vixen VMC110 + ATIK 314L+

 

- 24 x 10 mn Ha 7nm + Filtre Optolong LPF PRO à 3200 ISO et 4°c

- 23 x 10 mn Ha 12nm + Filtre Optolong LPF PRO à 3200 ISO et 4°c

- 25 Flats de 10 sec

- 25 Dark-Flat de 10 sec

- 15 Darks de 10 mn

50 Offsets

 

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Canon EOS 1000D Débayérisé

Acquisition :
newton 200mm F/D=5
eq6
1000D débayérisé
filtre eos clip 12nm
SSAG sur guidage : 60/240
16 poses de 300"
21 dark
21 offset
15 flats

Canon EOS 1000D Débayérisé

Acquisition :
newton 200mm F/D=5
eq6
1000D débayérisé
filtre eos clip 12nm
SSAG sur guidage : 60/240

26 poses 300"
21 darks
21 offsets
15 flats

 

Ce mois de Mai 2015, la site n°1 spécialisé dans la photo et vidéo numérique a traité de l'imagerie en N&B.

Dans le cadre d'un partenariat ,Renaud Labracherie a décrit entre autre de la débayérisation des capteurs CMOS.

Vous pouvez découvrir les principales phases de la modification du capteur et les différents tests comparatifs qui ont été effectués .

 

 

 

350D "Monochrom" : opération à capteur ouvert

 

Voici le test comparatif réalisé entre 3 capteurs :

- un Leica M Monochrom Typ 246,
- un Sigma DP1 Quattro (mode monochrome);
- un Canon EOS 350D débayerisé.