Filtre Hoya Ra54 et pollution lumineuse!

Bonjour à tous!
Il y a quelques temps j'ai fait l'acquisition d'un filtre "anti-pollution" à visser à l'avant d'un objectif. Comme ils fonctionnent tous avec le même élément chimique (le neodymium) je me suis dit que j'allais commencer avec un filtre à 30 euro plutôt qu'un à 200.

Comme vous le voyez, cela ressemble un peu à un LPS avec des transmissions moins bonnes.

Bon, bloquons les paramètres de prise de vue et choisissons une ouverture sans vignettage ou presque. Balance des blancs sur 4000K, une valeur qui donnait un fond de ciel équilibré àl'observatoire de Saint Véran à 3000m d'altitude sans pollution. Sony a6300 30" 800iso f4 4000k, direction sud sud est, mis à niveau.
(exposition X2 en post-traitement juste pour la visualisation suivante)
sans filtre :

avec filtre:


Bon au moins ca fonctionne !
Prochaine étape: retirer l'offset, et séparation des couches RVB sans dématriçage. On rentre tout ca dans MatLab et on commence à faire joujou. Je me crée un axe des abscisses adapté qui reprend l'élévation en degrés, ce sera plus parlant.

Première évidente observation :


très bien, mais cela représente quoi en terme de suppression ?


Tiens étonnant! dans le rouge et le vert le rapport des luminosité (non-filtré/filtré) varie !
Tiens tiens... une non linéarité... Le capteur ne serait-il pas linéaire !? A creuser!
Retenons déjà les moyennes:
R= 2.98 donc 3.
G= 1.95 donc 2.
B=1.37.

En créant une pseudo luminance à la balance des blancs de 4000K nous obtenons:

Avec un rapport d'intensité moyen de 2.02 soit 2.


on peut aussi s'amuser à normaliser l'intensité à l'horizon et regarder comment celle-ci décroit avec l'élévation.


On observe: le bleu diffuse le plus, ensuite le vert puis le rouge. Rien de nouveau (Rayleigh). Par contre on voit que les courbes filtrée R et G sont au dessus de leurs homologues non-filtrée.
Autant pour le vert, si on retire le orange du spectre, on se retrouve avec une couche verte qui reçoit en moyenne des ondes de plus haute fréquence, on se rapproche donc du bleu, on peut s'attendre à diffuser un peu plus une fois normalisé. Par contre pour le rouge c'est l'inverse. Si on retire le orange de la couche R, on devrait avoir une couche R avec des rouges plus profond et donc diffuser moins.... intéressant. A creuser ? des idées ?

Et en terme de balance des blancs cela donne quoi ?
On peut expliquer la balance des blanc comme le coefficient à appliquer sur les différentes couches pour avoir un fond de ciel neutre. Choisissons la couche verte comme =1 et regardons comment varie le coefficient qu'on devrait appliquer aux deux autres couches pour avoir un fond de ciel neutre.



On peut lire cela comme: proche de l'horizon, là ou la PL est la plus forte, il faudrait réduire la couche rouge et augmenter la bleue. Plus on monte, plus la pollution se réduit donc il faut moins réduire la couche rouge. Pour le bleu c'est l'inverse, a cause de la diffusion qui est plus forte plus on monte en élévation plus le ciel est bleu "profond". Il faudra donc proportionnellement au vert moins moins l'augmenter.

D'accord pourquoi pas. Mais ce qui nous intéresse, c'est la tête du gradient de la pollution lumineuse ! En pratique quand on traite, on va mettre le curseur de balance des blancs automatique au milieu du gradient, le programme va se dire "oh il veut que ceci soit neutre !? très bien j'applique des coefficients".

Regardons la tête de la balance des blancs une fois celle ci faite autour de 25° de hauteur, avec et sans filtre:

Oulala comment lire cela me direz vous! Ce n'est pas si compliqué vous allez voir.

Prenons le cas sans filtrage: Le ciel sous 25° sera trop rouge (car pour réaliser la balance des blancs il faudra faire la couche rouge *0.9 donc inférieur à 1) et pas assez bleu (car la couche bleue sera multipliée par un nombre supérieur à 1). A 25° le ciel est neutre, et après la tendance s'inverse.

Il se passe exactement la même chose avec le filtrage sauf que l'intensité est un peu différente. Si on regarde la couche bleue, on peut voir qu'elle colle la courbe verte beaucoup plus proche que sans le filtrage. Ce qui veut dire que c'est plutôt bien équilibré. On peut meme voir que passé une certaine hauteur, l'écart semble constant, c'est une bonne chose, cela veut dire plus de gradient !
Pour le rouge c'est par contre bien autre chose...
Le gradient semble bien plus fort!
Je vais essayer de l'interpréter, peut-être à tord. A de grandes élévations la pollution était presque omniprésente, et ne variait plus beaucoup en terme d'intensité. Mais si on la retire de la couche rouge, alors il ne reste que le rouge profond qui lui ne diffuse que très peu. Par rapport au vert filtré (donc un peu plus proche du bleu et donc qui diffuse un peu plus que du vert sans pollution), l'écart se creuse d'autant plus. En d'autre termes, avant on comparait du rouge pollué avec du vert pollué (donc avec des diffusion rapprochée par canal) or maintenant on compare du vert avec forte diffusion avec du rouge à faible diffusion.
Enfin, cela se rapproche un peu plus de la spéculation donc si vous avez des hypothèses, je suis preneur!
en attendant, voilà un rapide empilement de 3 minutes (25x8") sans suivi avec un zoom sur orion. Magnitude 11 détectée

Joli sujet... 

A décoder à l'aise (j'ai survolé, pour le moment... car je vérifie mon cours de Photométrie ) 

Je retiens ton approche très juste (au vu du gradient de l'atmosphère et des lumières...)

"On peut lire cela comme: proche de l'horizon, là ou la PL est la plus forte, il faudrait réduire la couche rouge et augmenter la bleue. Plus on monte, plus la pollution se réduit donc il faut moins réduire la couche rouge. Pour le bleu c'est l'inverse, a cause de la diffusion qui est plus forte plus on monte en élévation plus le ciel est bleu "profond". Il faudra donc proportionnellement au vert moins moins l'augmenter."

=> ce type de traitement se fait déjà sur des caméras "all sky" avec une calibration de l'endroit (projet Fripon, pour "récupérer" les bolides bas sur l'horizon...)

Je m'attaque à te relecture (posée) la semaine prochaine... Mais jolie analyse.

D'accord pour le bleu mais Rayleigh ou pas je ne comprends pas le si grand écart variable observé sur le rouge .

Une chose étonnante est la quasi-linéarité du rouge filtré au-dessus de 25 degrés car l'espace rencontré n'est pas du tout linéaire avec l'angle de visée, sauf près du zénith.
De prime abord la pollution au-dessus de 25° n'est pas très diminuée par le filtre (0,1), question balance des blancs mais en plus faut-il voir la diffusion du bleu suivant les lois de Rayleigh comme de la pollution ????

Ce qui est sûr c'est que le filtre fonctionne, même si je ne comprends pas tout.
@Astrolulu: où trouves-tu des cartes qui permettent de connaître les magnitudes atteintes par nos photos ????

Salut Serge et TTF, mreci pour vos messages.
Ce n'est que le début d'une réflexion, je compte réitérer jusqu'au zénith, cela permettra d'être plus complet.

TTF, je ne savais pas que ces traitement existait sur des images! mais en effet, cela semble faisable avec une bonne calibration.
C'est avec plaisir que je lirai tes remarques et essaierai de continuer la réflexion.

En effet Serge, certaines "linéarités" sont étonnantes,je ne m'attendais pas à en trouver.

En fait le filtre réduit en moyenne la couche rouge d'un facteur 3. Donc je ne suis pas d'accord quand tu dis que passé 25° le filtre semble moins filtrer, il filtre toujours la couche rouge d'un facteur 3 et la verte d'un facteur 2.

Si tu regardes le premier graphe, tu remarqueras que passé 50° la courbe rouge est venue épouser la couche verte! Cela veut dire que passé 50°, sur mon site, le fond de ciel à travers un filtre rouge est égal au fond de ciel avec un filtre Vert! Avant 50°, le fdc rouge est plus haut et probablement que passé 60° il devient plus bas! pourtant la seule chose qui peut expliquer ceci est que les longeurs d'ondes verte de la pollution diffuses plus fortement que les longueurs d'onde vers le rouge.

Ce qui me fait penser à une expérience marrante si j'avais un spectroscope. Pointer proche de l'horizon donnerait spectre du fond de ciel quasiment égale à celui des lampes présentes. Plus on monte en élévation, plus le spectre va perdre en intensité. Mais il ne va pas perdre en intensité de la même manière sur toutes ses longueurs d'ondes! Le vert descendra moins vite que le rouge. Donc même si le rouge est prédominant, il pourrait exister une élévation pour laquelle la couche rouge viendrait égaler la couche verte! (pour être précis il faudrait dire que l'intégration de la lumière sur une plage représentant un filtre rouge commun devient égale à celle pour un filtre vert avec la lumière verte).

C'est très intéressant, je n'avais jamais pensé que sous mon ciel de Belgique Centrale la couche verte pouvait aussi polluée (voir plus!) que la couche rouge par la pollution lumineuse.

Pour ce qui est de la magnitude limite, je me suis référé à ce site http://sky.esa.int/ (mode scientifique activé en haut a droite). Qui est un visionneur de catalogues. J'utilise souvent le catalogue Gaia qui référence quasiment toutes les étoiles accessibles sous nos cieux.

@Astrolulu: 100% d'accord avec toi sauf à propos du filtre, il est très efficace, ce que j'ai dit c'est qu'il perturbe peu la balance des blancs. "...n'est pas très diminuée par le filtre (0,1) Question balance des blancs...". 

ah oui d'accord, en effet, si (par rapport à la couche verte) pour la couche rouge il semble plus perturber la balance des blancs, la couche bleue quand à elle est beaucoup plus équilibrée ! (c'est en fait la couche verte qui est moins polluée et donc se rapproche de la couche bleue, mais en prenant la couche verte comme référence =1, on voit l'effet sur la couche bleue)

Bien, en cette fin d'année  (médicalement, hélas... ) chargée...

Reprenons le sujet... 

1) Suppression "mathématique" de la pollution lumineuse sur des images, en fonction de 
la variation du gradient de pollution lumineuse (direction) et l'angle d'observation... 
Et l'intérêt de disposer du modèle si on ne bouge pas d'endroit, pour l'appliquer lors du pré-traitement
(ex : all-sky observation) 

Rem : Valeur (variable) traitée (globalement) par les filtres "anti-PL"... 

2) la performance de ce filtre-ci sur la lueur anthropique en usage "général"...  

Pour la Noël, je prend une demi-heure pour le premier point 

Vous savez que plusieurs modèles de simulation existent (et changent avec le temps, d'ailleurs). 
Perso, je me suis arrêté sur un modèle publiée en 2013 ("Measuring Anthropogenic Sky Glow Using a Natural Sky Brightness Model", DAN M. DURISCOE)  qui utilise notamment la notion du NPS (Falchi, Cinzano & Falchi, Duriscoe, Luginbuhl, & Moore). 

Et un autre article du même auteur (Dan M. Duriscoe a , Sharolyn J. Anderson b , ∗, Christian B. Luginbuhl c , Kimberly E. Baugh, "A simplified model of all-sky artificial sky glow derived from VIIRS Day/Night band data" ) que j'ai repris dans mes études
sur la caractérisation de la PL...

On sait que la lueur anthropique du ciel (résultant de la pollution lumineuse) se combine avec la luminosité naturelle du fond du ciel nocturne. 
Donc, pour supprimer, il faut l'estimer.  

Si on estime déjà la composante naturelle, on en peut déduire l'autre et faire l'opération inverse pour un lieu donné. 
Donc : même sans filtre, on peut récupérer bien plus précisément une information présente avec un angle de vue faible 
=> pour une caméra all-sky fixée pour une longue période à un endroit donné, cela vaut le coup de le faire.   

Le problème, c'est qu'il faut refaire le modèle dès que l'on modifie quelque chose (ex : installation de LED...). 
Pour ce qui est de la luminosité du ciel naturelle (nuit sans lune), le premier article propose une évaluation de la bande V 
sur base de  
- données existantes sur la lumière zodiacale
- un modèle de la fonction van Rhijn
- un modèle de lumière stellaire intégrée (y compris la lumière galactique diffuse) 
construit à partir d'images fait avec le même équipement.
- un modèle du "Atmospheric Diffuse Light (ADL)" (surtout pour les angles assez haut)
- des images du lieu pour démarrer la modélisation...

En finale, via un "sky brightness evaluation" de I(φ,θ) avec azimuth et zénith...
Qui sera reprise dans le deuxième article pour la prédiction (avec données satellite).

Evidemment, chacun son truc : Astrolulu et serge, ce sont les (belles, certes) images et performance à la capture... 
Perso, c'était d'interpréter les images prises (all-sky) avec les mesures prises par un SQM (monté sur une monture et balayant le ciel), 
pour en déduire la caractérisation site... 

Et là... Tout en considérant qu'un SQM voit "plus large qu'un filtre V, mais que l'on extrapoler
l'un pour l'autre... 
=> on en revient au "niveau" de rouge et bleu englobé dans la mesure  
=> et on en revient l'effet "linéaire" (ou pas) de la suppression du signal globalement imposée par 
un filtre "anti-pollution" sur les différentes longueur d'ondes... 

Mais voilà déjà pour répondre sur l'usage avec des mesures All-sky... en modélisant les images 
prises sur un site, on peut "affiner" les captures via l'estimation d'un "ciel théorique normal" et du ciel "actuel" 
=> soustraire la "PL" pour une zone donnée. 

En effet, on peut commencer par se poser la question : Que veut-on ?

A) Si c'est un fond de ciel neutre et toujours de même valeur (pour empilement astronomique esthétiques) alors les programmes de calibration font déjà tout ce qu'on veut. Certains de manière simple: application d'un coef multiplicateur sur l'image pour que le fond de ciel soit égal à une référence, soit plus complexe. Que chaque couche soit transformée pour coller à une référence. Si je ne dis pas de bêtise, le plus complet est sous Pix, où dans la calibration il y a un retrait de gradient! c'est beaucoup plus efficace de traiter le gradient séparément sur chaque brute que le gradient empilé qui sera bien plus complexe (rotation de l'objet par rapport au sol, variation de la PL en azimuth, hauteur)

Cette calibration rend les brutes identiques (au bruit près). Remarque: une calibration avec juste un coefficient ne doit pas être très pratique, dans le cas sans pollution, absorption/diffusion, les images à basses élévation ont un contraste faible, absorption est forte, et le fond de ciel semble plus haut. Quand l'objet sera plus haut, l'absorption sera moindre, et le fond de ciel plus bas. Donc on gagne en contraste. Quid d'une calibration "équi-contraste" ? C'est à dire qui fait correspondre le fond de ciel sur les image et la valeur intégrée d'une étoile par exemple ?
Quelle influence sur le rapport SNR du résultat ? est-ce plus efficace qu'une moyenne sans calibration ? ou quid d'une moyenne pondérée selon un score de l'image ? (je crois que Pix fait cela, et encore plus fort, par zone, c'est a dire qu'on peut empiler 100% des images sur le fond de ciel, et les 80% meilleurs en résolution sur la galaxie par exemple.)

ahlala, comment tirer le maximum de ses brutes. Tout cela semble bien compliqué !

B) suppression simple de la pollution lumineuse. C'est a dire que chaque brute sera différente à cause de l'absorption/diffusion atmosphérique seulement.

Là, comme tu dis, si on possède un modèle de l'atmosphère, suite à une observation on peut en déduire la pollution lumineuse qui s'y ajoute mais à la précision du modèle près.

L'atmosphère change tous les jours, temp, hygrométrie, vents etc, ce qui implique de pouvoir profiter 
d'un modèle  à condition de le faire en même temps que la prise des photos.
Cela complique encore la situation.
Faire une évaluation de la qualité du ciel d'un site donné a son mérite mais à quoi ça sert ????
Souvent on est déjà content d'avoir simplement une éclaircie qui nous permet de prendre des photos.

En effet, on en revient à quel bénéfice pour quel effort ?

Je rappelle que je réponds à la question "peut-on supprimer la PL des images all-sky"... 
Pas sur "est-ce intéressant de le faire en Belgique" 

Mais pour la caractérisation d'un lieu (hors astro), cela peut servir.

Donc 
- si on a un caméra "all-sky" en permanence à la Silla ou au Pic du Midi,
cela vaut le coup d'y passer du temps... 
- si on essaie (péniblement) de trouver une éclaircie en Belgique : inutile... 

J'ai réussi à prendre une dizaine de photos ce week-end, figurez-vous !
Entre la fin de la pluie, le ciel qui s'est dégagé et les prochains nuages...