THÈME 4 : LA PHOTO NUMÉRIQUE

INTRODUCTION

Le mot photographie signifie « dessin avec de la lumière ».Au Xe siècle, le mathématicien arabe Al Hasan Ibn Al Haytam démontre que l’oeil n’émet pas de lumière mais la reçoit. Considéré comme le père de l’optique moderne, il développe d’important travaux sur la lumière en utilisant la chambre noire.

Les rayons lumineux, en passant par un trou de petite taille, créent une image inversée de l’objet éclairé.

La photographie numérique a révolutionné le domaine de la photographie par la généralisation de capteurs, intégrés en particulier aux smartphones actuels.Le coût presque nul d’une prise de vue et la facilité de partage font que plusieurs milliards de photographie numériques sont prises chaque jour, puis postées sur les réseaux sociaux.

Première photo de Nicéphore Niepce :une aile de sa propriété

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CH1. Le fonctionnement d’un appareil photo

1. Principe de fonctionnementUn appareil photo, qu’il soit argentique ou numérique,

perçoit la lumière de ce qui lui fait face à travers un orifice fin

et recueille cette image à l’aide d’un dispositif chimique ou

électronique, le capteur. Un système optique, l’objectif,

permet d’agir sur la concentration des faisceaux lumineux

afin de reproduire une image sur le capteur. Même s’ils sont

souvent rudimentaires et très miniaturisés, les appareils

photo des smartphones reposent sur le même principe.

2. Le capteurUn capteur transforme l’énergie lumineuse en un signal

électrique. Le capteur est composé d’une grille de photosites, c’est-à-dire de cellules mesurant l’intensité

lumineuse reçue. Afin de mesurer les valeurs des couleurs entrantes dans l’appareil, chaque photosite est

recouvert d’un filtre coloré (filtre de Bayer) ne laissant passer que les rayons d’une seule couleur : le

rouge, le vert ou le bleu. (Il y a deux fois plus de filtres verts, car l’oeil humain est plus sensible à cette

couleur). Un point de l’image, appelé pixel, sera donc défini par quatre photosites du capteur.

Chaque photosite, selon la quantité de lumière reçue, produit un courant électrique plus ou moins fort.

Cette information analogique est convertie en information numérique dans le Convertisseur Analogique

Numérique. Celui-ci va donc convertir les intensités électriques de chaque couleur en langage binaire .

Matrice de Bayer

Fonctionnement d’un capteur numérique et d’un convertisseur analogique/numérique

Fonctionnement comparé de l’oeil et de l’appareil photo

capteur

lumière

Matrice de Bayer

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CH2. L’IMAGE NUMÉRIQUEUne image possède deux caractéristiques : sa définition et sa résolution. Les deux s’appuient sur la notionde pixels.

1. Le pixelUn pixel est l’élément le plus petit d’une image. Chaque pixel est composé d’un mélange des trois couleurs.L’information venant de quatre photosites est nécessaire pour reconstituer un pixel d’une image. (Le

nombre de photosites avec filtre vert est doublé pour restituer le plus

fidèlement la vision d’un œil humain qui est plus sensible au vert.)

2. La définitioncorrespond au nombre de pixels qui composent l’image (nombre de pixels en Longueur X nombre de

pixels en Largeur). Par exemple : 2048 X 1152.

3. La résolutioncorrespond à la quantité de pixels par unité de longueur exprimée en PPP (point par pouce) ou DPI en

anglais (dots per inch). Le pouce est une unité britannique valant 2,54 cm.

Plus la résolution est élevée, c’est-à-dire plus la densité de points sur la surface est importante, plus les

points seront petits et l’image précise.

La résolution n’a de sens qu’au moment ou l’image est sur un support physique. La résolution est donc

utilisée pour connaître la qualité d’une image sur un écran ou imprimée.

Plus la résolution sera élevée, c’est-à-dire plus la densité de pixels sur la surface est importante, plus les

pixels seront petits et l’image précise.

Attention : ne pas confondre la taille, la définition et la résolution d’un document.

(Voir vidéo  : Taille, définition et résolution d’une image sur le site snt).

Différentes définitions et résolutions d’une même images dont la taille est d’un pouce par un pouce

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4. Le codage de couleur ( ou profondeur de couleur)

Une image numérique utilise plus ou moins de mémoire (il s’agit de son poids) selon son nombre total de

pixels mais aussi selon les informations de couleur qu’elle possède, c’est ce que l’on nomme le codage de

couleur.

Remarque   : Chacune des intensités de couleur est codée en langage binaire par le capteur.

L’élément de base dans le système de numération binaire est le bit qui ne peut prendre que deux

valeurs : 0 ou 1.

Le codage couleur correspond donc au nombre de bits utilisés pour coder la couleur d’un pixel. Il

s’exprime en bit par pixel (bpp).

Pour calculer le poids d’une image en octets, on utilise la formule :

Poids (bits) = nombre de pixels x codage couleur (bpp)

1 bit permet de stocker 21 = 2 états (0 et 1, noir et blanc),

alors que 8 bits permettent de stocker 28 = 256 états (soit 256 nuances d’une couleur).

Image en noir et blanc :

codée sur 1 bit 2 nuances possibles : noir ou blanc.→

Image en niveau de gris :

codée sur 8 bits 256 niveaux de gris→

Image en RVB :

Chaque couleur (RVB) est codée sur 8 bits

→ 256 x 256 x 256 couleurs

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CH3. LES MÉTADONNÉES EXIF

Les métadonnées d’une photo numérique sont un ensemble d’informations qui décrivent la photo et qui

sont conservées dans un fichier EXIF (Exchangeable Image File Format). Ces informations sont par

exemple le modèle de l’appareil, les dimensions en pixels, l’ouverture du diaphragme, la durée

d’exposition, la date du cliché et les coordonnées GPS de l’appareil au moment de la prise de vue. Une

partie de ces données peut être lue directement sur l’écran de l’appareil photo ou dans les propriétés de

l’image sur un ordinateur ou un smatphone. Seuls des logiciels spécialisés permettent d’accéder à toutes

les métadonnées.

Il est possible de supprimer des informations sensibles des métadonnées EXIF, ou d’en ajouter comme le

« titre », « l’auteur » ou des « mots-clés ». Ce type d’informations peut être précieux pour automatiser le

classement et l’indexation des images.

Remarque : Le fichier EXIF d’une photo prise par un smartphone comporte plus de 100 lignes

d’informations !

Métadonnées affichée dans les propriétés de l’image sur ordinateur

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CH4. LES FORMATS D’IMAGES

Il existe de nombreux formats d’images qui sont indiqués par l’extension du nom du fichier (partie du

nom située après le point).

Les images sont fréquemment compressées, c’est-à-dire transformées à l’aide d’un algorithme pour

réduire leur taille. Une compression des données permet une plus grande capacité de stockage et des

téléchargements plus rapides. Cette compression peut se faire avec ou sans perte d’information.

La compression de données

est l'opération informatique consistant à transformer une suite de bits A en une suite de bits B plus courte pouvant restituer, après décompression, les mêmes informations, ou des informations voisines.

Un algorithme de compression sans perte restitue après décompression une suite de bits strictement identique à l'originale. Ces algorithmes sont surtout utilisés pour les archives, les fichiers exécutables (les programmes) ou les textes.

Un algorithme de compression avec perte restitue après décompression une suite de bits plus ou moins voisine de l'original selon la qualité désirée. Ces algorithmes sont utiles pour les images, le son et la vidéo. Wikipédia

Les APN peuvent proposer trois formats d’enregistrement : Raw, Tiff et Jpeg.

Format Compression Profondeur descouleurs

Poids Qualité de l’image

Raw Non 48 bpp 24 Mo Excellente

Tiff Oui, sans perte 48 bpp 2,3 Mo Bonne

Jpeg Oui, avec perte 24 bpp 210 Ko CorrecteDifférents formats d’enregistrement.

CH5. LE RÔLE DES ALGORITHMES DANS LES APN

De nombreux algorithmes interviennent au cours de la capture et du traitement de l’image par l’appareil

photo numérique. Ils effectuent différentes opérations lors de la prise de vue (calcul de l’exposition, mise

au point, stabilisation), puis lors du traitement automatisé de l’image (amélioration de la netteté, du rendu

des couleurs).