Technique et exemples d’application pour le binning pixels

Combinaison de plusieurs pixels

Les capteurs CCD peuvent être lus de différentes façons pour améliorer le rapport signal/bruit.

Les capteurs CCD sont largement utilisés en astrophotographie. En fonction du domaine d’utilisation, les charges déclenchées peuvent être lues de différentes façons, afin d’améliorer le rapport signal/bruit (SNR) et d’accélérer en même temps le processus de lecture. À cet égard, la technique la plus utilisée est le binning pixels (combinaison de pixels).

Le binning pixels consiste à combiner les signaux de plusieurs pixels voisins. Ce qui équivaut à avoir des pixels de plus grande taille mais réduit le nombre de pixels du capteur. Un nombre de pixels élevé permet d’obtenir une plus grande résolution. Une grande taille de pixels permet la détection d’une plus grande quantité de lumière et offre un rapport signal sur bruit supérieur. Une grande taille de pixels peut être obtenu par le regroupement de pixels. Typiquement, des zones carrées de 2x2 ou 3x3 pixels sont regroupées, ce qui correspond à un binning 2x ou 3x. En contrepartie, la résolution de l’image est réduite. L’utilité ou la justification du binning dépend de la situation en présence.

Le binning modifie le déroulement du processus. Avant d’en arriver à l’amplification, les charges accumulées des pixels s’additionnent dans le registre. . Ainsi, le bruit n’est généré qu’une seule fois pour le groupe de pixels : dans l’exemple précédent, un électron bruit par rapport à quatre électrons signal. Le SNR du bruit de lecture, 1:4, est donc amélioré d’un facteur 2.

De nombreux programmes de traitement de l’image offrent la possibilité d’effectuer un binning après coup. Il manque toutefois à ce binning par logiciel une partie de l’effet souhaité. Le SNR s’améliore, mais sans optimisation du bruit de lecture.

Le binning CCD permet de simplifier et d’accélérer les étapes de travail lors de la photographie du ciel profond. Grâce aux temps de lecture et de téléchargement plus courts, la mise au point sommaire avec un binning 3x3 va très vite. Grâce à l’amélioration du SNR, même les nébuleuses de faible magnitude deviennent visibles dès un temps d’exposition de quelques secondes, ce qui facilite le réglage de la section d’image. Le binning 2x est également souvent utilisé pour constituer des composites LRVB. À cet égard, on exploite le fait que les canaux RVB ne servent qu’à colorer l’image et que la netteté vient de la luminance. Par conséquent, une résolution plus basse dans les canaux RVB ne se remarque pas, ce qui fait que l’on utilise ici volontiers un binning 2x pour obtenir un meilleur SNR et diminuer le « bruit de couleur ».

Il y a d’autres situations où le binning est judicieux, en particulier en astrométrie : en font partie, par exemple, la recherche d’astéroïdes. Cette discipline comporte une exigence particulière due au fait que les objets changent notablement de position en un temps relativement court. Au bout de quelques minutes déjà, l’objet peut s’être déplacé au point de changer de pixel. Un temps d’exposition plus long encore n’apporte alors aucun avantage. Si l’objet est très faible, il se peut qu’il soit invisible dans le bruit. S’il s’agit donc de mesurer de petites planètes très faibles, le binning est une solution possible, mais la réduction de la résolution qui en résulte rend la détermination de la position plus imprécise.

Le binning est également très intéressant pour la spectroscopie, lorsque l’image d’une fente lumineuse se scinde en couleurs spectrales. Pour une haute résolution spectrale, seul est pertinent un taux de palpage élevé orthogonalement par rapport à la fente. Les pixels peuvent ainsi être regroupés le long de l’image scindée, sans perte de résolution, afin d’améliorer le SNR.

Le graphique est une représentation schématique du mode de lecture normal, à gauche, et avec binning 2x à droite. 2x2 pixels sont d’abord exposés avec un petit disque stellaire et collectent dix électrons chacun. Commence ensuite le processus de lecture par déplacement des électrons vers le registre de lecture (rouge). Les différences commencent à la troisième étape. Sans binning, les charges pour chaque pixel sont déplacées individuellement vers la droite, vers l’amplificateur. Avec binning, la ligne suivante est aussitôt déplacée dans le registre et s’additionne à la première. Par déplacement horizontal dans le registre, les charges des quatre pixels sont enfin regroupées dans l’amplificateur lors du binning. Ceci termine le processus, mais la lecture des différents pixels nécessite deux étapes de plus et dure ainsi plus longtemps.

Avec les capteurs couleur, un véritable binning n’est pas possible, parce que les pixels voisins sont munis de différents filtres couleur et qu’ils ne peuvent donc pas être judicieusement combinés. Même si les programmes de traitement de l’image proposent cette option, il s’agit d’un binning logiciel après coup.

En outre, le capteur CMOS ne convient généralement pas pour le véritable binning. En raison de sa structure de base, tous les pixels sont lus et amplifiés individuellement, ce qui fait que l’on a toujours et inévitablement le bruit de lecture pour chaque pixel. La méthode de lecture nécessaire pour le binning n’existe pas dans ce cas. C’est pourquoi le binning de pixels pour les capteurs CMOS n’apporte pas l’effet souhaité, c’est-à-dire une réduction du bruit de lecture. Ici, les capteurs CCD sont donc clairement un avantage.

Auteur : Mario Weigand / Licence : Oculum-Verlag GmbH