Que peut-on faire avec une Webcam?

Il paraît que certains achètent des Webcams pour faire du "Chat" avec des copains... C'est une utilisation à laquelle je n'aurais jamais pensé tout seul... Moi qui était persuadé que cela servait à faire des choses rigolotes...

Une Webcam, qu'est-ce que c'est? Une petite caméra numérique reliée à un ordinateur, c'est à dire essentiellement un objectif, un capteur CCD (ou CMOS) et un peu d'électronique de liaison avec l'ordinateur.. Ses gros points forts sont son faible coût (de 40 à 80 euros en gros) et surtout sa très grande adaptabilité à des utilisations scientifiques de base, que l'on pense souvent être réservées à du matériel haut de gamme. Il faudra parfois un bricolage minimaliste, mais surtout un bon entraînement à l'utilisation de logiciels adaptés.

Les idées d'utilisations décrites ci-après sont praticables sur la plupart des webcams, même si elles ont toutes été testées sur la famille des "Philips" (Vesta pro, Toucam I et II, SPC 900).

Modifier la vitesse apparente d'un phénomène:

La plus simple des utilisations, aucun bricolage n'est nécessaire, un trépied peut suffire et beaucoup d'applications ne nécessitent même pas de changer l'objectif d'origine. Des idées: montrer l'évolution d'un cumulonimbus, montrer les marées monter et descendre, visualiser la croissance d'une petite plante, détailler le décollage d'une fusée à eau etc... Pour les films à haute vitesse (dans le but de "ralentir" le mouvement), le logiciel fourni avec la caméra suffit en général. L'élément moins courant est le logiciel qui doit permettre de capturer une image à intervalles de temps longs, et ensuite de créer un film final passant ces images en accéléré. Il y en a probablement d'autres, mais j'aime particulièrement VirtalDub, qui permet de faire tout ça et plein d'autres choses, gratuitement qui plus est!...

Pensez que chaque image fait environ 900 ko (en 640 par 480 pixels), alors un film de 2h avec une image toute les 30s fera un peu plus de 200 Mo. Capturé en format compressé (DivX4 par exemple ici), ce sera moins détaillé, mais beaucoup moins volumineux.

Observer des objets lointains:

Dans ce cas, il va falloir bricoler un peu plus. Le but est de remplacer l'objectif de la webcam par un objectif photo.

	--Beaucoup de webcams ont leur objectif dévissable. Ici, il a été retiré, on distingue la matrice CCD, la "pellicule numérique" de l'appareil. Sur certains modèles, notamment la dernière SPC900, il faut un peu insister au couteau de cuisine, mais c'est faisable sans casse.
	--Voici les accessoires utilisés. L'objectif est un modèle à vis. La pièce de liaison objectif photo-raccord a été fabriquée à partir d'un bouchon arrière d'objectif (qui se vissera sur celui-ci) collé sur un morceau de tube PVC d'évacuation d'eau, dont le diamètre intérieur correspond presque au raccord 31,75 mm qui lui, sera vissé sur la webcam. Ce raccord peut-être bricolé à partir d'une boite de pellicule photo. Ici, j'ai préféré en acheter un chez un vendeur de matériel astronomique (ici ou là). Il rentre aussi en standard dans les coulants de porte-oculaires de télescope, ainsi que dans les tubes de pas mal de microscopes... Vous commencez à vous douter des possibilités que cela va ouvrir!
	--Voilà la version assemblée: un 28 mm associé à une webcam... Ca fait déjà presque professionnel. En dessous, vous verrez quelques exemples d'images terrestres obtenues avec ce montage.
	--Ici, l'objectif est encore celui d'origine: vignettage et qualité médiocre sont au rendez-vous, on s'y attendait.
	--Avec un 28 mm, le petit village du fond de l'image précédente commence à révéler des détails dans les bâtiments.
	--Au 50 mm, on gagne encore en précision. On a quasiment l'équivalent d'un téléobjectif de 400 mm en photographie classique.
	--Zoom sur l'église, au 240 mm. L'objectif est d'assez mauvaise qualité (quelques chutes...), malgré tout, le gain est bien sensible.
	--A ces grandissements, il peut-être assez pénible de localiser la cible voulue. Un montage de ce genre, avec un "chercheur" (petite lunette en parallèle) bien aligné sur le téléobjectif, et cela devient d'une grande facilité pour pointer votre sujet en un temps qui ne vous ridiculisera pas.

Toutes les images précedentes sont des captures d'images uniques. Quand le grandissement devient élevé, la luminosité baisse, il faut monter le gain de la caméra, et alors du "bruit de fond" apparaît. Ce bruit a une origine électronique: les pixels du capteur CCD envoient de petites fluctuations de tension qui sont traduites par un brouillage de l'image, qui prend alors une apparence un peu neigeuse. Il est possible de beaucoup améliorer l'image en augmentant le "rapport signal/bruit". Le principe est simple, le signal (l'église des images précédentes par exemple) est toujours au même endroit sur la matrice, par contre, le bruit apparait à des endroits aléatoires. Si l'on additionne plusieurs images du même sujet (l'intensité donnée par un pixel est additionnée à l'intensité du même pixel sur l'image suivante), le bruit finira par donner une moyenne uniforme sur l'image, alors que le signal sera amplifié. Voici ce que cela donne:

Une image unique	L'addition de plusieurs images, plus un léger filtre d'accentuation de détails.

Epatant n'est-ce pas? Et très facile à faire. Capturez d'abord un film de quelques centaines d'images (un "avi"). Grâce ensuite à un logiciel gratuit comme Registax, les images seront additionnées, et vous pourrez à la fin appliquer un filtre de rehaussement de détails (filtre à ondelettes).

La possibilité d'avoir facilement de forts grandissements est par exemple intéressante pour la "chasse aux mirages":

--Ce petit film (112 ko), montre la côte séparée de l'horizon par effet de mirage, ainsi que la forte turbulence atmosphérique brouillant l'image. Le codec de lecture DivX 4 est ici. Le montage employé est le dernier décrit ci-dessus, avec un téléobjectif de 240 mm de focale.

Faire de la microscopie:

Pas très compliqué, et inutile d'acheter des accessoires sophistiqués (qui sont inefficaces pour certains d'ailleurs) chez les fournisseurs officiels. Le raccord 31,75 mm vissable des utilisations précédentes peut servir:

	--Le porte-oculaire a été dévissé, le raccord 31,75 mm y rentre facilement. Il ne reste plus qu'à trouver des idées de captures, mais ça ne manque pas. Vous vous trouverez souvent dans des situations de faibles luminosités, surtout si vous employez un microscope d'ancienne génération. Le passage par l'empilement d'images donnera alors une notable amélioration de vos images.
	--Voici par exemple du pollen d'Hibiscus saisi par le montage précédent.
	--Et là, un flocon de neige, imagé in-situ. Je vous laisse imaginer les conditions expérimentales...

En microscopie, un autre problème surgit souvent: celui de la profondeur de champ. Il sera sensible pour les objets "épais" pour lesquels si le sommet de l'objet est au point, sa base ne le sera pas, ce qui donne des zones floues peu esthétiques. Il y a un moyen d'atténuer nettement ce phénomène avec un autre logiciel gratuit: CombineZ. Le but est d'acquérir plusieurs images du sujet, mais de modifier la mise au point entre chaque prise de vue. Ainsi, vous aurez une collection d'images qui représenteront chacune un plan net de votre sujet. Ces plans sont répartis verticalement (en Z d'après un langage à tendance vaguement scientifique). Le logiciel en question utilisera vos images pour en reconstituer une seule (presque) nette sur tous les plans. Bien sûr, il serait judicieux que chaque image individuelle ait été obtenue par l'addition des images d'un film, afin d'améliorer le rapport signal/bruit, comme vu précédemment.

--Il est aussi possible d'accélérer les phénomènes, comme dans la première partie, mais sur des sujets microscopiques cette fois. Comme ici, sur ces cristaux de sulfate de cuivre en train de croître. (film de 222 ko, visible avec le codec DivX4.0)

Faire de l'astronomie:

Dans ce cas, il y a une grande variabilité dans le matériel utilisable. Mais certains sujets comme la Lune ne nécessitent pas forcément un télescope, si le but est par exemple d'en avoir des images à grand champ. Le montage de la première partie est utilisable, avec un bon trépied. Un téléobjectif de 200 à 250 mm de focale fera rentrer notre satellite en entier dans le champ:

Mais une nouvelle difficulté survient: la rotation de la Terre fait dériver le sujet dans le champ de la caméra. Pour la Lune, Registax vous tirera d'affaire puisque le logiciel est capable de réaligner les images individuelles du film avant leur addition. Il suffit de cadrer la Lune de telle sorte que son image parcourt toute la matrice pendant le film.

Par le même procédé, le Soleil est aussi accessible, à condition de songer à filtrer à l'avant du téléobjectif, sous peine de perdre votre caméra par fusion (voir ici ou là pour les filtres à utiliser)...

	--C'était le 8 juin 2004, alors que Vénus passait devant le Soleil. Avec ce filtrage à l'entrée du télescope, on ne peut que percevoir la photosphère du Soleil, parsemée de ses taches s'il y en a.
	--Depuis quelques temps, une nouvelle espèce d'instruments est apparue. Des filtres très sélectifs permettent d'observer le Soleil dans un intervalle de longueurs d'ondes très étroit. Dans ce domaine, c'est la couche supérieure du Soleil, la chromosphère qui est accessible, avec ses étonnantes protubérances, qui sinon, ne sont visibles que lors d'éclipses totales.
	--En voici un exemple...

Bien sûr, si vous voulez des détails sur les planètes, un télescope motorisé (capable de compenser la rotation de la Terre) va devenir indispensable. La caméra munie de son raccord remplacera simplement un oculaire. Les résultats obtenus peuvent être tout à fait intéressants. L'utilisation de Registax ou d'IRIS (plus complet mais aussi plus complexe) deviendra indispensable.

	--Le cratère Eratosthène, de 58 km de large, sur la Lune. Télescope Newton 200mm de diamètre.
	--Jupiter. Télescope Newton 200mm de diamètre.
	--Saturne. Télescope Newton 200mm de diamètre.

Pour des objets moins lumineux que les planètes ou le Soleil, les webcams déclarent forfait. Néanmoins, certaines d'entre elles peuvent être modifiées électroniquement afin de pouvoir pratiquer des longues poses. Le bruit du capteur devient tout de même assez important. Sur le marché sont apparues des caméras intermédiaires entre les "véritables CCD" issues du monde de l'astronomie professionnelle, et les webcam. Actuellement, deux modèles sont fréquemment utilisés: les Starshoot d'Orion ® et les DSI de Meade ®. Les deux possèdent des capteurs très sensibles, moins bruités que ceux des webcams traditionnelles et permettent de longs temps de poses. Cependant, leurs prix sont aussi intermédiaires entre les CCD pures et dures et les webcams. Malgré tout, leurs performances sont attrayantes:

La galaxie des Chiens de Chasse (M51). Télescope Newton 200mm de diamètre, 800 mm de focale, 15 min de pose.

Faire de la spectroscopie:

Cette fois, le but est d'obtenir le spectre de sources de lumière artificielles, ou naturelles. Le principe de base est simplement de coller un "réseau" diapos devant l'objectif de la caméra. Celui-ci va disperser des spectres observables à gauche et à droite (si les traits du réseau sont verticaux) de la ligne de visée. Voir ici pour plus de détails.

Les détails du spectre (raies, bandes, variations de luminosité) seront plus faciles à repérer si on remplace l'objectif d'origine par un objectif photo de 28 ou 50 mm de focale.

Spectre d'une lampe à vapeur de mercure. C'est bien sûr moins parlant qu'une image traditionnelle, mais fort intéressant à étudier.

Le soleil aussi peut se laisser capturer avec une webcam, mais il faut un montage adapté.

Dans un autre domaine, il est aussi possible de VOIR la radioactivité et de faire des comptages!

C'était un petit tour non exhaustif des possibilités à tendances scientifiques des webcams. Plein d'autres possibilités pourront vous venir à l'esprit si vous commencez à jouer avec ces petits engins faciles à utiliser, même si les logiciels décrits ici ne sont pas tous instantannés à mettre en oeuvre. Avec un peu de persévérance, on obtient rapidement des résultats sympathiques...

Je vous souhaite plein d'idées!...