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lundi 5 décembre 2016

Les technologies de l'image

Les notions liées aux techniques de l'image sont valables pour la photographie numérique, pour les images qui composent les séquences vidéo, etc.
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Mis à jour le 29/01/2007 | Imprimer | Envoyer

Codage de l'image

Images bitmap et images vectorielles

On trouve deux catégories de codage d'images:

  • les images bitmap: les images composées de pixels (un ensemble de points qui composent une image, chaque point ayant une description de sa couleur),
  • les images vectorielles: les images qui représentent des objets géométriques en deux ou trois dimensions (carré, cube, cercle, rectangle, etc.) à l'aide de fonctions mathématiques.

Les avantages:

  • des images bitmap:
    • représentation d'images complexes;
  • des images vectorielles:
    • petite taille des fichiers;
    • uniquement pour des images facilement représentables par des fonctions mathématiques (en grandes lignes des images géométriques simples);
    • facilement maniables, sans perte d'informations, pour les traitements (agrandissement, aplatissement, etc.).

Les désavantages:

  • des images bitmap:
    • importante taille des fichiers;
    • peu adaptées pour des transformations comme l'agrandissement (le zoom), celui-ci étant réalisé avec une perte d'informations utiles pouvant aboutir à une image déformée, présentant des distorsions (elle sera "pixellisée": on voit les pixels qui la composent);
  • des images vectorielles:
    • peu adaptées pour la représentation des images complexes comme les photos réelles;
    • quasi inutilisables pour des images non géométriques.

Pixel

La qualité d'une image numérique est donnée par le nombre de petits rectangles ou carrés obtenus suite à un découpage de l'image en petits carrés ou points, appelés pixels (PICture ELement ). Plus on a de points, meilleure est la qualité de l'image. Par contre, une image de très bonne qualité étant composée d'un très grand nombre de points, elle occupera plus de volume. L'ensemble de ces pixels est contenu dans un tableau à deux dimensions constituant l'image.

Pixels

Les pixels sont visibles dans l'image réelle ci-dessous qui a été agrandie, donc pixellisée.

Pixles

La définition et la résolution sont des termes utilisés pour définir la qualité (la clarté et la netteté) d'une image.

On parle de "définition" et de "résolution" pour les écrans des téléviseurs et des ordinateurs, les imprimantes et les scanners, ou encore les photos et les images numériques. Depuis peu le mot "résolution" est aussi utilisé pour indiquer la définition d'une image ou d'un écran.

Les écrans, les imprimantes, les scanners, etc. sont classés en équipements haute/moyenne/basse résolution/définition. La tendance est d'augmenter la qualité, donc de proposer de plus en plus des équipements ayant une qualité d'image moyenne et une haute définition/résolution.

Définition

La définition d'une image bitmap représente le nombre de points (pixels) constituant l'image, c'est-à-dire le nombre de colonnes de l'image multiplié par son nombre de lignes. Une image possédant 640 pixels en largeur et 480 en hauteur aura une définition de 640 pixels par 480, résumée par "640x480".

Résolution

La résolution établit le nombre de points par unité de surface, exprimé en points par pouce. Le terme consacré est, en anglais, "DPI" (Dots Per Inch). Dot = point = pixel. Inch = pouce = 2.54 cm.

La résolution permet d'établir un rapport entre le nombre de pixels d'une image et la taille réelle de sa représentation sur un support physique, voire un écran de télévision ou une impression papier.

La résolution d'un scanner ou d'une imprimante sera toujours exprimée en dpi. La résolution des écrans est exprimée en nombre de lignes et nombre de pixels par ligne ("640x480" signifie donc 480 lignes et 640 pixels par ligne).

Une résolution de 16 dpi signifie donc 16 colonnes et 16 rangées de pixels sur un inch carré, ce qui nous donne donc 256 pixels sur un inch carré ou 16 pixels (points) sur une ligne d'une longueur d'un inch (2,54 cm).

Une résolution de 300 dpi signifie donc 300 colonnes et 300 lignes de pixels sur un inch carré, ce qui donne donc 90000 pixels sur un inch carré ou 300 pixels (points) sur une ligne d'une longueur d'un pouce (2,54 cm).

La qualité d'une image est meilleure si celle-ci est représentée avec plus de pixels par cm ou par pouce, comme on peut le remarquer dans les exemples ci-dessous.

Qualité de résolution exprimée en DPI

Comment faire le lien entre définition et résolution?

Si on prend un écran de télévision ayant une diagonale de 17 pouces/inch et une définition de 640 sur 480 pixels, on obtient une résolution d'environ 50 DPI (50 pixels par ligne de 2,54 cm). Avec un écran plus grand (diagonale de 21 pouces/inch) et la même définition de 640 sur 480 pixels, on obtient une résolution de 38 DPI.

En conclusion: avec une définition d'écran donnée, plus on augmente la taille de l'écran, moins sa résolution sera bonne. L'image sera donc de moindre qualité (on le voit dans l'image "Juliette Reine du Net" ci-dessus).

Le codage de la couleur

Une image est un ensemble de pixels qui peut être représenté comme un tableau à deux dimensions. Si on ajoute une troisième dimension, on peut donner la représentation complète de l'image car cette troisième dimension contiendra les informations sur la couleur de chaque pixel. L'information concernant la couleur d'un pixel est codée sur un certain nombre de bits (1, 4, 8, 24, 32).

Les standards connus pour le codage de la couleur sont:

  • bitmap noir et blanc: codage sur 1 bit qui représente le blanc ou le noir (deux couleurs);
  • bitmap 16 couleurs ou 16 niveaux de gris: 4 bits définissent la couleur de chaque pixel. On obtient 16 couleurs différentes;
  • bitmap 256 couleurs ou 256 niveaux de gris: le codage de la couleur d'un pixel sur 8 bits (1 octet) donne la possibilité de définir 256 couleurs différentes;
  • colormap ou palette de couleurs: sur 8 bits on va coder la référence vers un tableau de couleurs (tableau ayant à son tour deux dimensions). Une grande palette de couleurs sera ainsi disponible pour chaque pixel);
  • True color (couleurs vraies ou réelles): chaque pixel aura une description des trois couleurs de base (rouge, vert et bleu) codée sur 24 bits (3 fois 8 bits, donc un octet pour chaque couleur de base ce qui donne plus de 16 millions de nuances). On peut également ajouter un quatrième octet pour représenter la transparence ou la texture, la couleur d'un pixel sera alors codée sur 32 bits.

La taille d'une image

Le calcul de la taille d'une image bitmap est simple: on trouve le nombre total de pixels (la largeur multipliée par la hauteur) et on le multiplie par le nombre d'octets utilisés pour coder la couleur de chaque pixel. Le résultat représente la taille de l'image exprimée en octets ou bytes.

Exemple pour le calcul de la taille d'une image 400x600 en True color:

  • nombre total de pixels de l'image: 400 x 600 = 240000;
  • codage de la couleur en True color: 24 bits = 3 octets;
  • la taille de l'image: 240000 x 3 = 720000 octets = 703 Ko (Kb).

Le format des fichiers images

Les images numériques sont enregistrées sur les disques des ordinateurs, sur des cartes de stockage spécifiques, sur CD-ROM, DVD, etc. L'image numérique n'est rien d'autre qu'un fichier avec un nom pour l'identifier et une extension (.jpg, .tif, etc.) qui indique le type de format de fichier.

Le format de fichier est utile car il est reconnu par les outils informatiques qui sont capables de traiter ces fichiers d'une manière automatique:

  • applications spécifiques (par exemple un éditeur ou un navigateur);
  • transformations d'un format en un autre (par exemple une image en format .bmp peut être transformée en un format .jpg);
  • etc.

BitMAP

Le format de fichier BitMAP (.bmp) est le format d'une image numérisée représentée par un tableau de pixels de couleur. La couleur de chaque pixel est codée sur un certain nombre de bits: 1, 4, 8, 24 ou 32. Cette image peut se visualiser sur un écran d'ordinateur, s'imprimer sur une feuille de papier ou être stockée sur un support quelconque.

C'est un format intéressant d'un point de vue graphique car une telle image peut afficher beaucoup de détails. Elle présente toutefois le désavantage d'une grande taille et son éventuelle modification est délicate. En effet, toute modification d'une image en format .bmp engendre des changements point par point.

En général, le format BitMAP n'est pas compressé. Dans certains cas on peut lui appliquer une compression RLE.

TIFF (Tagged Image File Format)

Le format TIF ou TIFF (.tif) est un ancien format graphique qui permet de représenter des images BitMAP compressées sans perte de qualité.

Le format TIF utilise des balises pour décrire les caractéristiques de l'image:

  • les dimensions;
  • le nombre de couleurs utilisées;
  • le type de compression (RLE, JPEG, LZW, Packbits, CCITT G3&4, UIT-T );
  • les corrections appliquées;
  • etc.

L'usage des balises pour la description de l'image favorise les traitements à appliquer par programmation. Par contre, le grand choix d'options fait que la compatibilité des lecteurs est minimale et il arrive souvent qu'une image en format TIFF ne soit pas lisible car certaines options n'ont pas été intégrées.

JPEG (Joint Photographic Experts Group)

Ce format (.jpg) est très connu et très utilisé. Sa caractéristique est de permettre des tailles de fichier réduites grâce à la compression qui est utilisée. La compression est réalisée sans perte d'information car elle n'agit pas sur les dimensions de l'image mais sur ses caractéristiques afin de réduire sa taille.

Ce format de fichier est idéal pour les photos numériques. Avec un taux de compression très élevé, les images numériques JPEG peuvent être stockées sur des supports externes de haute densité tels les cartes SD, etc.

GIF (Graphics Interchange Format)

GIF (.gif) est un format d'image bitmap qui permet de réduire fortement la taille des fichiers grâce à la compression basée sur l'algorithme propriétaire LZW (Lempel-Ziv-Welch). Le format GIF utilise un codage de la couleur de chaque pixel sur 8 bits. Le nombre de couleurs est limité à 256, mais le choix de couleurs différentes est de 16 millions. On peut donc choisir un nombre maximum de couleurs de 256 parmi les 16 millions disponibles!

Ce format est très utilisé dans les pages Web, notamment pour les logos. En plus de la compression, il permet d'obtenir facilement de petites animations à partir de la version GIF89.

PNG (Portable Network Graphics, ou format Ping)

Le format de fichier PNG (.png ) est un format bitmap mis au point en 1995 comme alternative libre au format propriétaire GIF. Le format PNG utilise de plus une meilleure compression, sans perte, et 256 niveaux de transparence, ce qui le rend attractif pour la réalisation des animations.

PCX

Mis au point par ZSoft, le format bitmap PCX (.pcx) est utilisé par le logiciel PaintBrush (en standard sur les systèmes d'exploitation Microsoft Windows). Comme le format BMP, ce format est en général non compressé. Parfois une compression RLE peut être utilisée.

Les techniques de compression d'images

Plus la représentation d'une image s'approche des couleurs réelles, plus la taille de l'image (non compressée) est importante. La taille des fichiers peut être un facteur de ralentissement pour le travail d'un processeur, pour la bande passante des réseaux, ainsi que pour les capacités de stockage. Il est bon de réduire cette taille et de l'augmenter à nouveau en cas de besoin. On parle alors de "compression" et "décompression".

La compression est une technique qui permet de réduire la taille d'un fichier suivant des règles propres à un certain algorithme. Le même algorithme inversé est utilisé pour décompresser un fichier et obtenir à nouveau les données d'origine.

La méthode de compression utilisée est liée au type de données: un fichier audio est compressé avec une autre méthode qu'un fichier image ou un fichier de données.

La qualité d'une compression s'exprime par différents paramètres, le plus connu étant le taux de compression qui indique:

  • soit le pourcentage du résultat obtenu par rapport à l'original,
  • soit le rapport entre la taille initiale et la taille du fichier compressé (par exemple 20:1).

RLE (Run Length Encoding)

Cette méthode de compression simple est utilisée pour des formats d'images comme TIFF, BitMap, PCX, etc. Elle utilise la répétition d'éléments consécutifs et elle apporte un réel gain dans la taille d'un fichier si l'image est composée d'éléments répétitifs.

L'élément répétitif est codé et on va stocker ce code suivi d'un numéro qui représente le nombre de fois que cet élément se répète (par exemple §15 signifie que le caractère § est le code d'un élément qui se répète 15 fois). C'est une méthode assez simple qui se met en oeuvre facilement, mais le taux de compression reste modeste pour les images sans beaucoup de répétitions. La méthode prévoit un système qui détecte les répétitions afin de ne pas coder les éléments non répétitifs, car cela s'avère trop coûteux et la taille du fichier risque d'augmenter au lieu de diminuer.

LZW

Cette compression sans perte a été inventée pour l'archivage et elle est utilisée pour des fichiers de type TIFF, GIF, ZIP, ARJ, PNG, etc. C'est l'algorithme le plus populaire utilisé par tous les utilisateurs des TIC. Son taux de compression est important.

JPEG (Joint Photographic Expert Group)

JPEG est un acronyme qui provient du rassemblement de deux groupes d'experts qui se sont intéressés en 1982 à la problématique de la transmission des images fixes et animées. Il s'agit d'une compression avec pertes qui permet d'obtenir de très bons taux sans que les pertes soient visibles à l'oeil. Les taux de compression obtenus sont de 20:1 à 30:1.

L'image est découpée en blocs de 8x8 points et les algorithmes de compression avec perte s'appliquent bloc par bloc. Cette méthode est fort utilisée pour la compression des images photographiques. Par contre, la compression est moins bonne sur des images géométriques.

Ce type de compression n'est pas utile dans le cas des images médicales. La compression avec pertes peut altérer l'image et indiquer des signes pathologiques à des endroits où ils n'existent pas ou le contraire. Il existe un codage de compression JPEG sans perte dédié au codage des images médicales mais le taux de compression est très faible (2:1 ou facteur 2).

JPEG2000

La dernière version JPEG est le standard JPEG2000 qui focalise ses avantages sur la flexibilité. En plus de l'image, JPEG2000 est aussi un format vidéo compressé à côté des formats MPEG-2 et MPEG-4.

Les avantages et les nouveautés de JPEG2000 sont:

  • une nouvelle méthode de compression qui offre un meilleur taux de compression;
  • deux modes de fonctionnement, avec perte et sans pertes (ce dernier fonctionnement est utile pour les images médicales);
  • plusieurs niveaux de résolution et de détails codés dans le fichier de compression d'image;
  • une image stockée sur un serveur aura la qualité basse résolution incluse dans la haute résolution, le passage d'une qualité à l'autre n'a pas besoin d'un transcodage;
  • pas de donnée redondante, d'où son efficacité;
  • possibilité d'extraction sélective d'une partie d'image;
  • dans une séquence vidéo, chaque image est codée séparément avec Motion JPEG2000, contrairement à MPEG qui code une série d'images.

JPEG2000 va coexister à côté du MPEG4 qui est plus performant au niveau du taux de compression. Par contre JPEG2000 est plus flexible et plus adapté à être utilisé par des applications P2P, par le D-Cinéma, pour un accès sécurisé aux archives, pour l'imagerie médicale ou la photo numérique, etc.

Le standard est organisé en plusieurs spécifications:

  1. compression de base pour un format de fichier minimal. L'extension du fichier est ".jp2" (cette partie est libre des droits);
  2. extensions avec un format de fichier ".jpx" (cette partie sera soumise aux licences);
  3. Motion JPEG2000 avec les formats de fichier ".mj2" et ".mjp2" (cette partie est libre des droits);
  4. conformité (le standard a prévu plusieurs niveaux de conformité);
  5. logiciel de référence (Reference Software);
  6. Multi-raster Content (comment supporter des schémas multiples de compression dans un même fichier);

Le standard JPEG2000 évolue. Les parties qui sont déjà en chantier sont:

  1. JPSEC ou Secure JPEG2000;
  2. JPIP ou Interactive Protocol;
  3. JP3D ou 3-D Extensions;
  4. JPWL ou Wireless.

Pour en savoir plus

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