1 institut supérieur dinformatique année universitaire 2008- 2009 chapitre 3

1 Institut Suprieur dInformatique Anne Universitaire 2008- 2009 Chapitre 3

Plan Nature physique de limage 1. Qu'est-ce que la lumire? 2. La perception visuelle chez l'tre humain 3. Synthse de couleurs Additive Soustractive Modlisation et stockage de l'image

Les 2 natures de la lumire Ondulatoire Loptique ondulatoire considre la lumire comme une onde lectromagntique. Explique les phnomnes affectant les ondes : interfrences, diffraction Corpusculaire La thorie corpusculaire considre la lumire comme un flux discontinu de photons. Son nergie est lie la frq de l'onde : E = h (h, constante de Planck ; v, frq) Explique les observations relatives l'mission et l'absorption de la lumire par la matire. Vitesse de dplacement : ~ 300000 km/s. Caractristiques : Frquence. ~ 600000 Ghz lg donde : 500nm Intensit.

Spectre de la lumire Couleur dpend de la longueur d'onde Couleur (notion perceptive) lg donde (notion physique) Attention : l'il ne distingue pas un Y monochromatique (une seule lg d'onde) d'une composition de G et de R. Cest lillusion qui permet d'afficher du Y sur les crans PC Longueur d'onde (nm)Couleur < 380rayonnements ultraviolets 380 - 450violet 450 - 490bleu 490 - 560vert 560 - 590jaune 590 - 640orange 640 - 760rouge > 760rayonnements infrarouges 380nm 760nm

La perception visuelle L'oeil humain : Grce la corne et l'iris limage se forme sur la rtine Rtine : cnes + btonnets Btonnets : peroivent la luminosit et le mouvement Cnes : diffrencient les couleurs 3 types : percevoir le bleu, le vert et le rouge. Perception entre 400 et 700 nm. Si un type de cnes manque : daltonisme.

Sensibilit de l'oeil beaucoup + grande aux variations d'intensit (luminance) qu'aux variations de couleur (chrominance) Luminance (luminance) : % de N ou de B dans la couleur dsire, brillance de la couleur, aspect clair ou sombre Chrominance : Teinte (hue) : dtermine la couleur souhaite partir des couleurs disposition (R,G,B,C,J,M); correspond la couleur de base Saturation (saturation) : mesure l'intensit ou la puret d'une couleur, % de couleur pure par rapport au B (caractre vif ou terne/ couleur vive ou pastel), (

Synthse additive Calcul fait par addition des longueurs d'onde de sources lumineuses R, G, B : Toutes les couleurs peuvent tre synthtises en utilisant les 3 sources monochromatiques correspondant aux maxima de sensibilit des 3 types de cne de la rtine de lil humain Modle RGB Mode de synthse adapt pour les sources lumineuses (tubes cathodiques) Exemple: 2 composantes G et R d'un moniteur d'ordinateur sont allumes quand les phosphores associs sont frapps par les lectrons les couleurs des phosphores juxtaposs se superposent en raison de la mauvaise rsolution de l'il on voit du jaune blanc Mlange des couleurs par addition

Synthse soustractive Calcul fait par soustraction des longueurs d'onde de la lumire Mode de synthse adapte dans le mlange de pigments, le filtrage et labsorption (imprimerie, peinture et art du vitrail) Exemple : L'herbe et les feuilles paraissent vertes car elles absorbent le complmentaire du vert ( violets et ultraviolets). Ce sont les ondes utilises dans la photosynthse. L'encre filtre la lumire rflchie par le papier blanc Lorsquon mlange 2 couleurs au pinceau, la couleur obtenue est le rsultat d'une synthse soustractive La couleur vue est la lumire non absorbe Cyan, Magenta, Yellow : C R, M G, Y B alors que B R & G, R G & B, G B & R Ce sont les 3 couleurs complmentaires de RGB. Modle CMY Mlange des couleurs par soustraction noir Pigment jaune absorbe le bleu W(R+G+B) Y=R+G

Plan Nature physique de limage Modlisation et stockage de l'image 1. Chane de limage 2. Image vectorielle 3. Image bitmap Espace des couleurs et conversion Codage des images Mthode simple Mthode par palette Avantages/limitations Format : BMP, TIFF, GIF, PNG, Format : JPEG

Chane de limage Acquisition/cration : numrisation (scanners, appareils photos & camscopes numriques, carte dacquisition vido )/synthse (via souris, tablettes graphiques ou par modlisation 3D) Codage Perte d'information envisageable la compression Stockage (disquette, disque dur, CD-ROM...) Traitement : modifier la taille, la couleur, ajouter ou supprimer des lments, appliquer des filtres, Transmission change de graphiques, de dessins, d'images. Prolifration de formats, incompatibilits frquentes. Restitution : Affichage, projection, Impression

Format des images Les images vectorielles : On dcrit l'image comme une association dobjets graphiques simples (droites, ellipses,...). Formats SVG, SWF,... Les images bitmap : Image pixlise. On indique la couleur de chaque pixel Formats BMP, GIF, JPEG,...

Image Vectorielle Images dcrites comme l'association dobjets graphiques simples (droites, ellipses...). 3 types de donnes graphiques : Points isols => objets ponctuels. Lignes isoles => objets linaires. Surfaces isoles => objets surfaciques. Mthodes de reprsentation vectorielle : Fil de fer 2D. Polydrique. Codage des contours

Redimensionnement Pas de perte de qualit, les courbes sont lisses quelque soit l'chelle d'affichage Bitmap Vectorielle

Le format WMF WMF (Windows Meta File) format vectoriel de Windows, utilis par Microsoft Draw, et anciennes versions de Word, Excel. Format mixte, pouvant contenir des informations sous forme matricielle Un fichier WMF contient : Une suite d'objet (cercle, carre, bitmap,...). Chacun dcrit par un entte. Peut contenir jusqu 65535 objets

Autres formats vectoriels SVG (Scalable Vector Graphics) : Spcification W3C bas sur XML pour grer les images vectoriels notamment sur le web. Supporte les animations et le son. Format du futur mais dbut difficile : Pas dimplmentation native dans les navigateurs web; dveloppement en cours. Plug-in dAdobe : http://www.adobe.com/svg/viewer/install/main.htmlhttp://www.adobe.com/svg/viewer/install/main.html Editeurs libres : Sodipodi et OpenOffice Draw Apparition de banques de clipart sur l'Internet. AI (Adobe Illustrator) Format de Adobe, trs populaire EPS (Encapsuled PostScript) : Format mixte universel de Adobe bas sur postscript mais contenant une image de prvisualisation vectorielle ou bitmap. PDF (Portable Document Format): Format mixte universel de Adobe driv de PostScript et prservant la mise en forme, les polices, les couleurs et les graphiques du document source. PICT (Picture) : Format par dfaut de Mac OS. SWF (Flash) : Format danimation vectorielle propritaire de Macromedia destin au web, trs populaire. Supporte les animations et le son. DXF (Drawing eXchange Format): Format de AUtodesk utilis en DAO ( logiciel libre QCad ) CGM (Computer Graphics Metafile) : norme ISO; Format mixte utilis en DAO

Avantages Codage riche prenant en compte la smantique Codage compact : fichiers de taille rduite Redimensionnement sans perte de qualit Retouches aises car lments de l'image indpendants Animation + simple grce aux vecteurs Traduction aise en bitmap Recherche de texte, dobjets Lien hypermdia sur des objets, interactivit Gnration automatique partir de donnes XML,

Limitations Inutilisables pour des photographies Pas adapte aux images complexes avec bcp d'objets de petites tailles Bcp de formats industriels, non standardiss, non reconnus par les navigateurs web Impossible de transformer un bitmap en vecteur

Image bitmap Pixelmap, matricielle, raster On indique la couleur de chaque pixel. Pixel (PICture ELement) : + petit lment constitutif d'une image numrique Codage des couleurs: Choix du modle RGB Certains formats supportent le modle CMYK. Manipulation et restitution utilise dautres modles Critres de qualit : couleur & dfinition Dfinition (Ordinateur)Rsolution (Scanner, imprimante) Taille de limage en nb de pixels Nb de points par unit de longueur (2,54cm) (unit dpi/ppp : point par pouce) 300dpi 300 points sur une ligne de 2,54cm

Espace des couleurs Reprsentation mathmatique d'un ensemble de couleurs. Il en existe plusieurs : Le codage RGB (Red, Green, Blue). Le codage CMY (Cyan, Magenta, Yellow) Le codage CMYK Le codage HSL (Hue, Saturation, Luminance). Le codage YUV : vido analogique (PAL et SECAM). Y reprsente la luminance (l'information en N&B), Cb et Cr la chrominance. Permet de transmettre des infos colores aux TV couleurs, en restant compatible avec les TV N&B affichant en niveau de gris. Y = 0,299 * Rouge + 0,587 * Vert + 0,114 * Bleu Cr= Rouge Y Cb= Bleu - Y Le codage YIQ Le codage CIE

Modles RGB, CMY et CMYK Modle RGB La couleur est dfinie comme une somme pondre des couleurs primaires. Choix des couleurs primaires du systme : RGB : Red, Green, Blue Modle CMY La couleur est dfinie comme diffrence pondre entre le blanc et les couleurs primaires. Choix des couleurs primaires du systme : CMY : Cyan, Magenta, Yellow Modle CMYK Extension du modle CMY En pratique, le noir n'est pas tout fait noir. Ajout d'une composante "noir pur". CMYK : Cyan, Magenta, Yellow, BlacK. Possibilit de remplacer les 3 encres couleurs par du noir pour rduire la consommation d'encre

Modle naturel HSL Modle de reprsentation proche de la perception physiologique de la couleur par l'oeil humain. Le modle RGB ne permet pas de slectionner facilement une couleur : claircir une couleur augmenter proportionnellement la valeur des 3 composantes. HSL (TSL en franais ) Hue Saturation Luminance

Systme de reprsentation quation de conversion entre RGB et CMY Exemple : Convertir le Blanc de RGB (1,1,1) CMY (0,0,0) et vice versa. Conversion CMY vers CMYK : mme principe. C = 1 RM = 1 GY = 1 B R = 1 CG = 1 MB = 1 - Y

Codage des images Coder une image Le tableau de pixels. La couleur des pixels : Modle de reprsentation Couleur des pixels : 2 mthodes Mthode simple (pixel couleur) Mthode par palette (pixel indice dans la palette)

Mthode simple Pour chaque pixel, chaque composante RGB occupe n bits. Pixel occupe 3 x n bits. Pixel peut avoir 2 3n couleurs. Mode True Color, Couleurs vraies : n = 8 24 bits 16 millions de couleurs. galement Mode 32 bits : Ajout dune 4 ime composante sur 8 bits :le canal alpha. gre la transparence ou la texture des points. vite les effets de "marches d'escalier". Mode N&B: 1 bit/pixel 2 couleurs possibles (N ou B) Mode 16 couleurs/niveaux de gris Mode 256 couleurs/niveaux de gris : 1 octet/pixel Limitations : Toutes les nuances ne sont pas utilise. Pas assez de nuances pour une teinte donne. Ex. : image sur la mer :bcp de nuances de B; peu de R.

Mthode par palette Mthode par palette (colormap) choisir les couleurs disponibles. Image en couleurs indexes La couleur de chaque pixel : Est code comme une rfrence dans une palette. La palette contient les composantes RGB de la couleur. On obtient alors : N couleurs parmi 2 3M possibles. N = nombre d'entres dans la palette. M = nombre de bits utiliss pour coder une composante d'une couleur dans la palette.

Taille d'une image Taille brute : sans compression. Taille = X. Y. n. X = nombre de colonnes. Y = nombre de lignes. n = nombre d'octets ncessaires pour coder un pixel. Exemple d'une rsolution de 1024 x 768. Nombre de couleursTailleEn octetsEn Ko Noir et BlancX*Y*(1/8)98.30496 Ko Palette de 16 couleursX*Y*(1/2)393.216384 Ko Palette de 256 couleursX*Y*1786.432768 Ko True Color, 16 millions de couleurs. X*Y*32.359.2962.304 Ko

Avantages Adapt aux applications orientes images Qualit photographique

Limitations Codage "pauvre" de l'information. Pas de distinction d'objet dans l'image. Taille des fichiers importante. Traitements d'image longs.

Avantages & limitations (2/2) Limitations (suite) : L'agrandissement provoque un effet de mosaque : La cration d'une image " la souris" est difficile. Usage conseill d'un priphrique de numrisation : scanner, digitaliseur, appareil photo numrique... Retouches dlicates : effacer un lment de l'image cre un "trou".

Formats d'images bitmap Nombreux Caractristiques Nombre de couleurs. Mthode de compression utilise. Contexte d'utilisation. Comparaison : taille des fichiers pour les images NomRsolutionDfinitionNombre de couleurs Image Droopy1024x76872 DPI256 Trounesol1600x114472 DPI16 millions

Format BMP Dfini par Microsoft pour Windows Caractristiques 1, 4, 8 ou 24 bits : jusqu' 16 millions de couleurs. Compression : sans perte, RLE (rarement). Fichiers de taille importante. Reconnu par une majorit de logiciels. ImageNb couleursCompressionTaille Droopy256770 Ko Droopy256RLE613 Ko Tournesol16 millions5363 Ko Tournesol16 millionsRLE1745 Ko

Format TIFF TIFF (Tagged Image File Format). Origine Aldus et Microsoft. Standard de codage des images scannes; PAO, infographie, bureautique pour les images au trait (cliparts, FAX). Puissant mais complexe grer. Possibilit d'adaptation et d'volution. Diffrentes versions incompatibles! Caractristiques : Codage RVB, CMJN, couleur indexes, niveau de gris Compression : RLE, LZW, JPEG, compression FAX, ou aucune. Trs bonnes performances en compression d'images noir et blanc. Fichiers assez gros. Reconnu par une majorit de logiciels. ImageNb couleursCompressionTaille Droopy256Aucune771 Ko Droopy256LZW364 Ko Droopy2Huffman156 Ko Tournesol16 millionsAucune5364 Ko Tournesol16 millionsLZW3395 Ko Tournesol2Huffman462 Ko

Format GIF Format GIF (Graphic Interchange Format) : Compuserve, 1987 : GIF87a. Caractristiques 256 couleurs parmi 16 millions. Compression sans perte LZW, efficace s'il y a des zones homognes. GIF89a : possibilit de transparence, et d'animation. GIF89a : possibilit d'entrelacement (chargement graduel de l'image). Trs utilis : Reconnu par tous les logiciels ou presque LE format du Web avec JPG. ImageNb couleursCompressionTaille Droopy256LZW353 Ko Tournesol256LZW1203 Ko

Format PNG PNG (Portable Network Graphic). Pour remplacer le GIF (devenu payant!!!). Le futur format du Web? Caractristiques : 16 millions de couleurs. Compression sans perte LZW. Possibilit de transparence (niveau de transparence). Possibilit d'entrelacement (chargement graduel de l'image). Pas d'animation. Pas support pas tous les navigateurs web ImageNb couleursCompressionTaille Droopy256LZW310 Ko Tournesol256LZW2723 Ko

Format JPG JPG ou JPEG (Joint Photographic Experts Group) Comit cr en 1986 Norme adopte en 1992/93 (ISO/CEI 10918-1 ou UIT-T Recommandation T.81. ) JPEG 2000 : compression par ondelettes. Caractristiques 16 millions de couleurs. Compression avec perte Possibilit d'entrelacement (chargement graduel de l'image). Pas danimation, pas de transparence Trs utilis Reconnu par tous les logiciels ou presque LE format du Web avec GIF ImageNb couleursCompressionTaille Droopy16 millionsTaux 1451 Ko Droopy16 millionsTaux 10159 Ko Droopy16 millionsTaux 20119Ko Droopy16 millionsTaux 9917Ko Tournesol16 millionsTaux 1897 Ko Tournesol16 millionsTaux 10457 Ko Tournesol16 millionsTaux 20346 Ko Tournesol16 millionsTaux 9940 Ko

Contraintes dexploitation fix par le comit JPEG Modes de compression avec ou sans dgradation Implmentation hard ou soft Rseau de transport Numris (64 kbits/s) Affichage squentiel ou progressif Objectifs fixs ambitieux 2.25 bits/pixel : qualit de loriginale 0.75 bit/pixel : qualit excellente 0.25 bit/pixel : qualit moyenne 0.08 bit/pixel : reconnaissable ! JPEG compression

6 tapes Format des donnes compresses et schma de d/codage. Algorithmes de d/compression proposs mais non normaliss.

JPEG Dcoupage de limage (1) & transformation des couleurs (2) Dcouper limage en M carreaux f i (x,y) de 8 x 8 ou 16x16 pixels les matrices doivent tre carres petit bloc temps de calcul raisonnable JPEG peut coder les couleurs sous plusieurs modles, mais meilleure compression avec codage de type luminance/chrominance (YUV) Oeil + sensible luminance qu chrominance

JPEG Sous chantillonnage (3) Exploiter la faible sensibilit de l'il la chrominance sous chantillonner les signaux de chrominance sous chantillonner 4:4:4, 4:2:2, 4:1:1

JPEG DCT (4) Discrete Cosine Transform Applique sur les matrices Y, Cb et Cr Spare les basses et les hautes frquences prsentes dans l'image Mme principe que la transforme de Fourrier Dcomposition de la fonction f(x,y) dans une base de N*N fonctions dont la somme pondres = f(x,y) Calcul des coefficients C(u,v) 1 si w [1,N-1] si

JPEG DCT (4) Fonction 2D Coefficient DC = valeur moyenne du bloc : cest le plus important Coefficients AC = puissance spectrale pour chaque frquence spatiale.

DCT JPEG DCT (4) C

JPEG Quantification (5) Introduit les principales pertes La DCT est conservatrice si on omet les erreurs darrondis. Rduire le nb de valeurs correspondant aux amplitudes. Hautes frquences = faibles amplitudes peu sensible pour l'il limines. Utilisation dune matrice Q (u,v) qui dfinit le niveau de quantification pour chaque frquence Moins de niveau pour les matrices de chrominance que pour la luminance Les tables doivent tre transmises au dcodeur

JPEG Quantification (5) C C * =

Codage RLE, DPCM & Huffman (6) RLE zigzag pour les AC dun carreau Dans notre exemple RLE sur : 0, -2, -1, -1, -1, 0, 0, -1, EOB (End Of Block) 0, -2, #3 -1, #20, -1, EOB (End Of Block) conomie de 3 valeurs Compression diffrentielle DPCM des cfficients DC Huffman sur les suites de DC et AC encods Les tables doivent tre transmises au dcodeur

JPEG Dcompression Dans notre exemple Rsultat : Erreur : e(x,y) Amplitude max :5 Moyenne : 1.6 Moyenne normalis 1% (1,6/150)

Autres formats PCX (PiCture eXchange). Environnement PC (mode CGA). 256 couleurs. Compression RLE, adapt de faibles nombres de couleurs. PICT QuickDraw. Traite aussi le vectoriel. Spcifique Macintosh. FAX Transmission de documents. Codage binaire (noir et blanc). Compression RLC puis type Huffman. TGA Cr par Truevision (cartes Targa et Vista). Trs puissant (comme TIFF). Peu connu. Compression RLC. Palettes graphiques haut de gamme (PC).

Exemple de dgradation JPG Taux 1Taux 10Taux 20 897 Ko457 Ko346 Ko Taux 50Taux 75Taux 99 241 Ko119 Ko40 Ko

Taux de compression JPG Droopy, compression 10 (159 Ko) Droopy compression 20 (119 Ko )

Rcapitulatifs Pour Droppy Compression sans perte : GIF & PNG. Compression avec pertes : JPG. FormatNb couleursCompressionTaille DroopyTaille Tournesol BMP256770 Ko5363 Ko BMP256RLE613 Ko1745 Ko TIFF256771 Ko5364 Ko TIFF256LZW364 Ko3395 Ko TIFF2Huffman156 Ko462 Ko GIF256LZW353 Ko1203 Ko PNG256LZW310 Ko2723 Ko JPG16 millionsTaux 1451 Ko897 Ko JPG16 millionsTaux 10159 Ko457 Ko JPG16 millionsTaux 20119 Ko346 Ko JPG16 millionsTaux 9917 Ko40 Ko Pour Tournesol Compression sans perte : GIF, mais 256 couleurs. PNG, mais compression insuffisante. JPG !!! Compression avec pertes : JPG

1 institut supérieur dinformatique année universitaire 2008- 2009 chapitre 3

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