«Le Ballon voit Rouge»

Juliette Charbuis ♦Benjamin Chevalier ♦ Héloïse Demeuse ♦ Pauline Chevalier ♦ Thomas Darde♦
«Le Ballon voit Rouge»
Lycée Durzy Villemandeur (Loiret)
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Nos partenaires
M. Jean Guy BOUREAU
http://www.ifn.fr/spip/
M. Eric GAUCHY
http://www.air-systeme.com/
Annabel HUREL
http://www.planete-sciences.org/
M. Jean Paul PIGET http://air.gatinais.free.fr/
Nos professeurs : Corinne MOUTAUX
Avec l’aide de Christiane SELLIER
Les personnels du laboratoire de Sciences Physiques.
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I. L'infrarouge
1.Des rayons invisibles
2.De nombreux essais
a.Vérifions notre appareil : voit-il les infrarouges ?
b.La diapositive « ratée » : un filtre infrarouge efficace et
simple
II. L'Inventaire Forestier National, une réelle source d'inspiration.
III. Nous avons voulu comprendre nous sommes allés faire
nos propres
expériences
1.Le ballon solaire captif
2.L’atelier en vadrouille avec AIR SYSTEME
3. Les chloroplastes, la causes des différentes couleurs?
4. La réflectance
5.Comparons ce que voit l’A.P.N. à ce que voit l’œil ?
a.Quel en est le principe ?
b.Quel est le rôle de notre filtre diapositive « ratée » ?
c.Nous avons voulu vérifier la courbe de réponse d’un capteur
élémentaire
IV. Nous avons pris de la hauteur
1.La chaîne de vol
2.Nous voulions voir de plus haut mais … récupérer nos appareils photos.
3.La seconde nacelle.
V.
La Vision stéréoscopique
1. Qu'est ce que la vision stéréoscopique?
2.A quoi nous sert la stéréoscopie ici?
3.Comment réaliser une image en relief?
a. Prise de photos
b. Traitement des images obtenues
c. Ce que l'on a pu tirer de nos clichés stéréoscopiques
VI. Pour surveiller un petit bout de notre Terre
VII. Bibliographie
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Dans le couloir de physique du lycée, en octobre 2006,ont été placardées l’affiche suivante :
Nous avons suivi nos professeurs dans leur laboratoire pour comprendre. Et depuis Octobre 2006,
nous sommes plongés dans une aventure scientifique que nous allons vous raconter :
Tout a commencé par des interrogations :
L’Inventaire forestier national est fait à partir de photographies argentiques
infrarouges :
Pourquoi des photos dans l’infrarouge ?
Pourquoi pas des photos numériques ?
D’où d’autres questions :
Que voit l’appareil photo numérique ?
Que voit l’œil ?
Afin de répondre à ces questions, nous avons fait de nombreuses
rencontre :
à l’IFN, une véritable source d’inspiration
avec AIR SYSTEME
Nous avons voulu comprendre un peu plus, de nous même, nous avons donc
fait nos propres expériences. Afin de prendre encore plus de hauteur et faire
notre propre inventaire forestier, à notre échelle, grâce notamment à la 3D et à la
stéréoscopie.
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I. L'infrarouge
1. Des rayons invisibles
Le nom signifie «en deçà du rouge» (du latin infra: «en deçà de»), car l'infrarouge est une
onde de fréquence inférieure à celle de la lumière rouge (et donc de longueur d'onde supérieure à
celle du rouge qui va de 500 à 700 nm). La longueur d'onde de l'infrarouge est comprise entre 700 nm
et 1mm.
2. De nombreux essais
a)Vérifions notre appareil : voit-il les infrarouges ?
Nous avons pris en photo une télécommande de télévision en maintenant une touche
appuyée, et on a observé qu'il y avait bien une tache rouge sur la photo.
Ce test assura que nos appareils photos numériques voyaient bien l'infrarouge. Le
fabricant de la télécommande donne 950nm comme longueur d’onde du signal invisible
émis.
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Afin de cerner notre sujet nous avons fait de nombreux autres essais.
b) La diapositive « ratée » : un filtre infrarouge efficace et simple
Nous avons vu à plusieurs reprises sur le « net » que nous pouvions utiliser une diapositive « ratée »
c'est à dire noire, comme filtre infrarouge.
Avec celui ci, devant l'objectif de notre appareil photo nous avons pris de nombreux clichés, que
nous avons ensuite comparés avec les mêmes photographies mais sans filtre.
Nous avons réalisé la courbe de réponse en absorbance de notre diapositive, l’absorbance du filtre est
importante jusqu’à 700nm puis elle diminue , les radiations au delà de 700nm ne sont pas absorbées
par le filtre, nous avons donc bien un filtre infrarouge.
En conclusion, c’est l’activité chlorophyllienne de la végétation que le filtre infrarouge permet de
détecter.
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II. L'Inventaire
d'inspiration.
Forestier
National,
une
réelle
source
Mercredi 14 février 2007, nous avons été reçus à l’ IFN (Inventaire Forestier National), au
Château des Barres (Nogent sur Vernisson), par Monsieur Jean-Guy Boureau, spécialiste de l’analyse
forestière à partir de clichés infrarouges.
L’Inventaire Forestier National nous a été présenté et nous avons découvert la richesse des
applications du rayonnement dans le proche infrarouge λ<900 nm pour cartographier les forêts,
délimiter les essences d’arbres qui apparaissent de différentes couleurs sur les photographies
aériennes, compter les arbres…
De plus les couvertures aériennes sont stéréoscopiques.
Sur ces photographies, on
distingue différentes
espèces grâce au
différentes teintes de
rouges présentes .
Ces photographies
permettent d’ apprécier
l’évolution d’un paysage
en comparant 2
inventaires., de distinguer
les zones humides qui
apparaissent sombres
l’eau absorbant
complètement le
rayonnement infrarouge
proche .
Il est possible dans le
proche infrarouge de
distinguer un feuillu d’un
conifère par exemple.
.
Nous remercions Monsieur Bourreau et l’ensemble du personnel de l’arboretum des Barres de nous
avoir accueilli. Cet échange d’idées avec quelques personnes de l'IFN a en effet été très fructueux.
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III.Nous avons voulu comprendre nous sommes allés faire
nos propres expériences
Pas question d’attendre le lâché de ballon sonde prévu en octobre pour l’ouverture de la fête de la
science pour faire des photos aériennes ! Il faut trouver une autre solution !
1.Le ballon solaire captif
Notre idée : Faire des photographies aériennes à partir d’un ballon solaire captif.
Nous avons réalisé plusieurs prototypes de ballon solaire dont un de forme tétraédrique de 6m
d’arrête. Le ballon solaire est une montgolfière ultra-légère. L'enveloppe est réalisée avec un film
plastique noir en polyéthylène d’une dizaine de microns (des sacs poubelles!), absorbant tout le
rayonnement solaire reçu.
Ça marche !!! Mais …
Pourquoi un ballon TETRAEDRIQUE? Comparons les rapports de volume et de surface de
différentes formes géométriques.
Cas d'une sphère de rayon R:
V= 4
S'=4πR²
3 πR³
3V =R³
4π
2/3
3V =R²
4π
2/3
4π 3V =4πR²
donc
4π
( )
( )
( )
S'=4π 3V
4π
2/3
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Cas d'un cube de côté a:
V=a³
S''=6a²
V=a³
6V=6a³
2/3
6V =6a²
donc S''=6V
2/ 3
Cas d'un tétraèdre régulier: ABCD est un tétraèdre régulier de hauteur DG où G est le centre
de gravité du triangle ABC.
Calculons la hauteur d’une face :
CI²+IB²=CB²
CI²+( a2 )²=a² car IB= AB
2
CI²=a²- a
2
4
CI²= 3a
4
2
2
donc CI= 3a = a 3
2
4
Soit s la surface d’une face
s= CI×2.AB
S la surface totale du tétraèdre S=4s
S= a 3 × a × 4= a² 3
2 2
Pour calculer le volume, déterminons la hauteur CG du tétraèdre:
CG= 2
3 CI
a 3 a 3
CG= 2
3× 2 = 3
Le triangle CGD est rectangle en G
CG²+GD²=CD²
é
donc, GD²=CD²-CG²=a²-( a 3 )²=( 2a )
3
3
GD=
é
2a = a 2
3
3
ABC est la base, s la surface de la base
2
s= AB×2 CI = a 3
4
9
1
V= s× GD
3 =3×a
2
2 ×a 3 =
3
12× V
=a³
2
12× V
(
)=a²
2
12× V
)²/ ³=a² 3
3(
2
4
a
3
2
12
donc S= 3 (
12× V
6× V
)²/ ³= 3 (
)²/ ³
2
2
Courbes des fonctions S, S' et S''
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5
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3
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-3
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-5
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-9
-10
-11
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3
4
5
6
7
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- On voit: S(V)>S''(V)>S'(V)
- Pour un même volume, La forme tétraédrique possède le plus de surface. Ainsi, notre ballon
solaire possèdera une surface exposée au soleil optimale. Cela aura pour effets bénéfiques de
chauffer plus vite l'air emprisonné et mieux maintenir la différence thermique entre extérieur
et intérieur du ballon.
2. L’atelier en vadrouille avec AIR SYSTEME
Mercredi 3 mai 2007, l’équipe , ainsi que les deux enseignantes animatrices, avaient rendezvous avec Eric Gauchy, société AIR SYSTEME.
En effet, Monsieur Gauchy ayant entendu parler des activités autour des photos aériennes
dans l’infrarouge de l’atelier scientifique, a proposé de mettre à notre disposition tout son matériel
afin de nous aider dans nos recherches.
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La société AIR SYSTEME d’Eric Gauchy réalise des photographies aériennes à l’aide d’un ballon
captif à hélium embarquant un système sophistiqué de commande de déclenchement d’appareil
photographique, Eric Gauchy diffuse ses photographies
de la région montargoise dans
l’hebdomadaire L’ECLAIREUR du Gâtinais.
Nous nous sommes rendus quelque part...
...dans la forêt de Montargis, où l'un d'entre nous a été aux commandes afin de prendre un "tas" de
photographies, dans le domaine du visible et dans le domaine de l’infrarouge.
Cette visite nous a permis de nous intéresser davantage au domaine de l'infrarouge et de réaliser nous
même des photographies dans le visible et dans l'infrarouge de la forêt proche.
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Il apparaît très clairement que l'on distingue mieux les feuillus des conifères sur les photographies
dans l'infrarouge que dans le visible.
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3.Les chloroplastes, la causes des différentes couleurs?
Nous avons émis l'hypothèse que les différents végétaux n'avaient pas le même spectre
d'absorption dans l'infrarouge . C'est donc pour cela qu'ils nous apparaissent dans différents tons de
rouge.
Nous avons alors réalisé une solution de chlorophylle brute;
Nous avons broyé des feuilles d'arbres, des épines de sapin et de l'herbe avec du sable fin (pour
casser les parois cellulaires) et de l'alcool à 90° (pour solubiliser la chlorophylle et certains
pigments).
Puis nous avons filtré le contenu du mortier afin d'obtenir la solution dite de «chlorophylle brute»;
Pour finir nous avons réalisé le spectre d’absorption de chacun des échantillons.
On peut observer que les feuillus, les conifères et l'herbe ont une réponse spectrale de même allure
dans l’infrarouge. Nos résultats ne nous permettent pas de valider notre hypothèse. Nous nous
sommes donc intéressés à la réflectance de la végétation.
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4. La réflectance
C’est le rapport entre l'énergie solaire réfléchie et l'énergie solaire incidente sur une surface.
L’absorption des ondes électromagnétiques par les végétaux due aux pigments chlorophylliens
est importante dans le domaine du visible (bleu et rouge). Dans le domaine du proche infrarouge
50% du rayonnement est réfléchi. La réflectance dans l’infrarouge est directement liée à la
végétation.
On observe sur ce graphique que la réflectance des feuillus est plus importante que celle des
conifères, ce qui nous explique que les feuillus sont plus clairs que les conifères sur les photographies
dans l'infrarouge. En effet, ils réémettent plus de lumière que les conifères qui apparaissent donc plus
foncés. Il y a également une variabilité de la réflectance au cours du temps, due essentiellement à la
sénescence des feuilles.
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5. Comparons ce que voit l’A.P.N. à ce que voit l’œil ?
L’appareil photographique numérique dispose d’un capteur, celui que nous avons utilisé possède un
capteur CCD :
Le capteur CCD peut être assimilé à la pellicule argentique des appareils photos argentiques. En effet
il permet la sauvegarde de l'image prise à l'aide d'un appareil photo numérique,
Son sigle CCD est l'abréviation de Charge-Coupled Device.
a) Quel en est le principe ?
Le capteur CCD est un composant électronique qui permet la conversion de photons ( visible,UV,IR)
en un signal électrique analogique, ce signal est ensuite numérisé par un convertisseur analogique
numérique. Le capteur CCD est composé de photocapteurs basé sur le principe de l'effet
photoélectrique,
L'effet photoélectrique permet aux photons
incident d'arracher des électrons à chaque
photosite,
Les capteurs forment une matrice de capteurs élémentaires constitué de photodiodes. Ce composant
semi-conducteur a la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en
signal électrique.
Ces capteurs sont plus efficaces que la pellicule argentique : près de 50% des photons reçus
permettent de collecter un électron contre environ 5% de photons révèlent un grain photosensible
pour la pellicule argentique. Pour le capteur CCD le nombre d'électrons collectés est proportionnel à
la quantité de lumière reçue, ces capteurs sont sensibles à l'ensemble du spectre de la lumière y
compris à l' infrarouge. Les capteurs CCD sont sensibles à des photons dont la longueur d’onde de la
radiation électromagnétique s'étend de 200nm à 1200nm, donc de l'ultraviolet à l'infrarouge.
Un filtre dit de Bayer placé sur le capteur de sorte que chaque photosite ne « voit » qu'une seule
couleur : rouge, vert ou bleu. En effet de cette façon on diminue le nombre d'informations que reçoit
chaque capteur et se « spécialise » dans le domaine de longueurs d'onde imposé par le filtre.
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La répartition des couleurs du filtre de Bayer sur le capteur permet d’assurer une répartition
correspondant à la sensibilité de notre œil : 2 verts pour un rouge et 2 verts pour un bleu.
L'efficacité quantique, est le rapport du nombre d’électrons extraits par le nombre de photons
incidents éclairant un photosite du capteur.
Il est intéressant de connaître la réponse spectrale de l’œil et de la comparer à la réponse spectrale du
capteur CCD.
Spectre solaire perçu au
travers de l'atmosphère (en
orange)
et
courbe
de
sensibilité spectrale typique
de l'œil humain (en vert). La
correspondance des maxima
n'est certes pas un hasard,
mais le fruit de l'évolution.
Donc le capteur CCD donne une image dont les couleurs sont proches de celles que notre œil perçoit.
De plus pour éliminer le proche infrarouge, sur le capteur CCD est placé un filtre « hot mirror » .
Les courbes de réponse spectrales de l'oeil et du capteur CCD sont alors superposables.
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b) Quel est le rôle de notre filtre diapositive « ratée » ?
λ
Le rayonnement arrivant sur le capteur comprend les différentes parties du spectre visible atténuées
alors que la partie du proche infrarouge est moins atténuée.
c) Nous avons voulu vérifier la courbe de réponse d’un capteur élémentaire
Le capteur CCD étant un constitué de photodiodes. Nous avons choisi une photodiode MPX21
éclairée par la lampe du projecteur de diapositives.
On a décomposé la lumière blanche émise par le projecteur avec un réseau 140 traits/mm nous
obtenons une figure de diffraction.
On déplace la photodiode dans le spectre et on relève la tension aux bornes de la résistance
R=1 MΩ selon la couleur de la lumière arrivant sur la photodiode ;
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Il nous est difficile de déterminer précisément la valeur de la longueur d'onde. On vous présentera le
graphique U=f(couleur).
L’œil humain comme l’APN possède des capteurs qui mesurent l’énergie lumineuse reçue et
transmettent ces informations au cerveau ou à un logiciel de traitement pour les APN pour fabriquer
une image .
L’œil possède deux sortes de capteurs les bâtonnets (qui ne sont pas sélectifs donc ne permettent pas
de distinguer les couleurs ) et des cônes qui sont des capteurs dont la sensibilité maximale se situe
des un domaine de longueur d’onde correspondant à une couleur donnée.
Il existe trois types de cônes qui diffèrent par la radiation qu’ils détectent : de courtes, de moyennes
ou de grandes longueurs d’onde..
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IV.Nous avons pris de la hauteur
Lundi 8 octobre 2007
15h30
De tradition l’atelier scientifique anime l’ouverture de la fête de la science dans notre lycée, et
depuis trois ans un ballon stratosphérique est lâché depuis la cour du lycée devant les 1000 élèves du
lycée. Le site du lâcher était la pelouse du skate Park du lycée Durzy, endroit découvert, à l’abri du
vent. Laurent Vayssade et Annabel HUREL de l’association Planete Science nous ont aidés pour
procéder au lâcher du ballon et au suivi de la télémesure.
1.La chaine de vol
La nacelle supérieure a été
réalisée et équipée par les élèves
de la classe de 202. Elle emportait
des
capteurs
de
pression,
température, luminosité et une
télémesure .
Ballon en latex gonflé à l’hélium
La nacelle inférieure a été conçue
et
fabriquée
par
l’atelier
scientifique et
emportait nos
précieux
appareils
photonumériques.
Les réflecteurs radar permettent
aux avions de repérer le ballon ou
les nacelles.
Les parachutes insérés dans la
chaîne de vol s’ouvrent pour
freiner la descente des nacelles.
2.Nous voulions voir de plus haut mais … récupérer nos appareils photos.
Nous avons inventé un système de largage de la seconde nacelle .Ce système est composé
d'un ballon de baudruche gonflé, attaché, a un fil de paille de fer lui même raccordé à un retardateur.
Ce retardateur retient l'énergie de la pile et la libère à la troisième minute. La paille de fer devient
incandescente et perce le ballon de baudruche.
Schéma du montage
R
Pile
4,5 V
&&
C
u
Interrupteur
駘 ectronique
&&
uG
C
20
Paille de fer
Chronogrammes :
uC
4,5 V
uG
4,5 V
0t1
à t = 0, on ferme l'interrupteur….et on lâche le ballon
à t = t1= RC ≈ 200 s la tension uC dépasse la valeur de 2,5 V. La tension uG passe alors de 0 à environ
4,5 V. Cette valeur de tension déclenche le transistor qui se comporte alors comme un interrupteur
fermé. Le courant passe dans le morceau de paille de fer qui se met à chauffer très fortement. Le
ballon, en contact avec la paille de fer, fond et se dégonfle, ce qui libère la nacelle.
3. La seconde nacelle.
La nacelle inférieure contenant deux appareils photos est ainsi larguée au bout de trois
minutes. Les appareils photos sont éloignés l'un de l'autre de 50 cm et sont en mode camera. Ils sont
allumés quelques secondes avant le départ du ballon.
La distance entre les deux appareils photos permet de réaliser une seule série d'images grâce à la
stéréoscopie.
Nos partenaires nous
ont accompagné dans
les airs afin de repérer
la position de notre
nacelle largable.
Air Systeme
Et le paramoteur
d’Air Gatinais
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Mission réussie !!!
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V. La Vision stéréoscopique
1. Qu'est ce que la vision stéréoscopique?
Nous les humains, et la quasi-totalité des animaux percevons le relief. Ceci est du au fait que
nous ayons deux yeux, ceux-ci regardent un même objet mais de deux points de vue différents. Cette
double information est traitée par le cerveau qui, à partir de 2 images en 2D, nous fait apparaître une
seule en 3D. C'est le cerveau qui en réalité, qui fait tout le travail.
Lorsque la photographie fut inventée, on a cherché a reproduire cette une vision, à partir d'images
planes: C'est la stéréoscopie. Ici, ce n'est plus un réel objet que nous regardons, c'est deux images
d'un même objet de deux angles légèrement différents. Ainsi, en obligeant chaque œil à regarder
chaque image séparément, nous reconstituons le phénomène.
2. A quoi nous sert la stéréoscopie ici?
Voir nos photos en relief, en plus de la vision infra rouge, nous apportera des informations
supplémentaires sur la végétation. On pourra distinguer par exemple, les arbrisseaux des autres arbres
plus vieux, distinguer plus nettement l'âge relatif d'une futaie par rapport à une autre, nous
renseignant sur l'évolution de l'aire étudiée. Ce qui nous permettra d'affiner la topologie végétale
autour de notre lycée. Aussi, voir en relief nous permettra de voir certaines choses que nous n'aurions
pu voir en 2D, de les faire ressortir.
3. Comment réaliser une image en relief?
Pour réaliser une image dite stéréoscopique, il existe plusieurs méthodes. Mais nous avons
choisi celle-ci:
a)- Prise de photos
Nous avons pris deux appareils photos numériques identiques, que nous avons fixé dans notre
nacelle l'objectif vers le bas. Comme pour nos yeux, il fallait que les appareils soient bien parallèles
et alignés. L'écart n'a que peu d'importance mais, il faut savoir que plus ils seront éloignés, plus le
relief sera exagéré et fera ressortir les choses.
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Nous avions, à l'origine, choisi de mettre un mètre d'écart entre les deux appareils qui auraient été
mis sur « fonction caméra ». Ainsi, vu que l'objet à étudier (le sol) est très éloigné nous pourrons
quand même apprécier le relief. Mais les contraintes de notre cahier des charges nous imposaient que
toutes les arêtes de notre nacelle ne devait pas être inférieure à 30cm pour des questions de sécurité
(notamment à propos de l'atterrissage). Cela nous faisait alors une nacelle de 100*30*30cm. Et là,
elle dépassait le poids autorisé (1kg), avec les appareils photos en charge. Il a du donc fallut prendre
la douloureuse décision de couper notre nacelle en deux. Mais l'écart entre les objectifs demeure
beaucoup plus grand que celui que nous avons entre nos yeux.
b)-Traitement des images obtenues
En décomposant nos deux films, on obtient donc deux photos aériennes prises à un instant t donné.
Le défi ici est d'obliger chaque œil à regarder une image séparément, ce qui est pratiquement
impossible sans outils. Si l'on superpose ces deux images homologues, ce serait incompréhensible, à
cause du décalage (appelé parallaxe), mais en appliquant des filtres sur chaque image, un rouge et un
vert par exemple et en chaussant des lunettes anaglyphes (aux verres l'un vert, l'autre rouge): l'œil
« rouge » ne verra pas l'image rouge et inversement, l'œil « vert » ne verra pas l'image « verte ».
Ainsi, chaque œil regarde une image et le cerveau en crée une autre, cette fois-ci en 3 dimensions. Le
fait d'utiliser des couleurs complémentaires permet d'éviter toute confusion et de rendre les images
complètements indépendantes visuellement parlant.
Certes, cette méthode possède des inconvénients: non seulement, on perdra la notion des couleurs et
leurs informations, mais les couleurs voisines de celles des filtres seront carrément absorbées. En
revanche, cette technique permet à plusieurs personnes à la fois de voir le relief à partir d'un écran,
elle rend la vision stéréoscopique très accessible à tous.
c). Ce que l'on a pu tirer de nos clichés stéréoscopiques
Des images stéréoscopiques que nous vous ferons découvrir.
Pour surveiller un petit bout de notre Terre
L'objectif a été réalisé, comme l'IFN, nous possédons nos propres photos dans
l'infrarouge et dans le visible. Nous pouvons ainsi observer l'activité sauvage autour du
lycée.
Ce travail d'équipe sur un an et demi fut très enrichissant pour tous, nous permettant
d'élargir nos connaissances dans les domaines de la physiques, la chimie et la biologie,
mais aussi de vivre une intéressante aventure humaine.
L'infrarouge ne pourra-t-il pas servir pour réaliser un jour, l'inventaire forestier
mondial afin de surveiller l'évolution de la planète? Le soucis écologique influançant
de plus en plus les directions politiques. On protège mieux ce que l'on connaît, ainsi la
photo infrarouge possède des applications directes et pourrait nous permettre de mieux
saisir l'actualité, en prévision de l'avenir et des mesures pour le changer.
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Bibliographie et webographie
www.wikipédia.fr
www.absolut-photo.fr
www.planete-sciences.org
http://pagesperso-orange.fr/ballonsolaire/index.htm
www.ifn.fr
http://unjeudecouleur.free.fr
Paysages de Forêts aux portes du visible
sous la direction de Claude Vidal
Manuel Science de la Vie et de la Terre spécialité
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Collection Périlleux