Imagerie Numérique Représentation et codage des images Licence Pro SIL IN 2. Formats de fichiers d images bitmaps

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1 Imagerie Numérique Représentation et codage des images Licence Pro SIL IN 2. Formats de fichiers d images bitmaps E. Remy IUT de Provence

2 Définition d une classe Image On suppose dans la suite de ce cours qu on a une classe C++ nommée GrayImage disposant des fonctions membres suivantes : typedef unsigned short int ushort; ; // O 65535O typedef unsigned char ubyte; ; // class GrayImage { ushort width,height height; ubyte *pixels; public : GrayImage(); GrayImage(ushort width,ushort height); ~GrayImage(); const ushort& Width() const; const ushort& Height() const; ubyte Pixel(ushort x,ushort y) const; ubyte& & Pixel(ushort x,ushort y); }; 23/11/2004 2

3 Pièges classiques Ecrire à l écran la valeur d un ubyte sans conversion en int. Prob.. : Ecrira la lettre dont la valeur est le code ASCII. Sol. : Convertir explicitement en int : cout<< <<int(c); Affectation ou comparaison entre un ushort et un int signé : Prob.. : Conversion dangereuse avec perte de précision et perte de signification du test. Sol. : N utiliser que des comparaison et affectation entre ushort! Dans les cas réellement particuliers où un signed int doit intervenir, effectuer une conversion explicite, mais il faut alors obligatoirement surveiller et contrôler la perte de précision qui i en découle! 23/11/2004 3

4 Entrées/sorties texte en C++ Ouvrir un flux C++ en mode lecture/ecriture ecriture pour des données texte : #include <fstream> istream is(" ("nom.txt"); // pour la lecture ostream os("nom.txt nom.txt"); // pour l él écriture Lecture depuis un flux de données texte : int donnee; is>> >>donnee; char c; is.get(c); Ecriture vers un flux de données texte : int donnee; ; os<<donnee donnee; char c; os.put(c); 23/11/2004 4

5 Entrées/sorties binaires en C++ Ouvrir un flux C++ en mode lecture/ecriture ecriture pour des données binaires : #include <fstream> istream is(" ("nom.txt",ios::binary); // pour la lecture ostream os("nom.txt nom.txt", ",ios::binary); // pour l él écriture Ecriture d un certain nombre d octets de la mémoire vers un flux de données binaires : is.write(adresse, (adresse,nombre_d_octets); int i; is.write(&i, (&i,sizeof(i)); // dépendant d de l archi l! Lecture depuis un flux de données binaires d un certain nombre d octets vers la mémoire : is.read(adresse, (adresse,nombre_d_octets); int i; is.read(&i, (&i,sizeof(i)); // dépendant d de l archi l! 23/11/2004 5

6 Big/little Endian Les voyages de Gulliver Ordre du stockage en mémoire des octets codant un entier (short int, int,, long int). Exemple : soit le long int i ayant pour valeur héxadécimal 0x défini par : unsigned long int data=0x ; Il sera codé en mémoire : Big endian (MAC/SGI/ ) : 0x01,0x23,0x45,0x67 Little endian (PC) : 0x67,0x45,0x23,0x01 En cas de changement d architectures : conversions nécessaires! 23/11/2004 6

7 Besoin d enregistrer une image 1/n Pouvoir stocker une image sur support permanent (disque dur ou CD-ROM ROM) Permet de stocker temporairement l information et De la récupérer plus tard, à l identique. Format texte (TXT) : format simpliste. GrayImage i( ); { // ecriture ostream f("image.txt image.txt"); f<<i.width i.width()<<" " <<i.height i.height()<< ()<<endl; for(ushort y=0;y<i.height i.height();y++) { for(ushort x=0;x<i.width i.width();x++) f.put(i.pixel i.pixel(x,y)); f<<endl endl; } } { // lecture istream f("image.txt image.txt"); ushort x,y,w=0,h=0; f>>w>>h; f.get(); // pour le endl Image* pi = new GrayImage(w,h); for(y=0;y<pi->height Height();y++) { for(x=0;x<pi->width Width();x++) f.get(pi (pi->pixel(x,y)); f.get(); // pour le endl } 23/11/ }

8 Besoin d enregistrer une image 2/n Besoin d un stockage efficace en taille Utilisation d un algorithme de compression de texte, ou Codage en binaire au lieu du texte! Le stockage sur disque est alors plus proche de la forme du stockage en mémoire : format RAW (brut), première version. Image i( ); { // ecriture RAW première version ushort x,y; ostream f("image.txt image.txt", ",ios::binary); f.write(& (&i.width(),sizeof(ushort)); f.write(& (&i.height(),sizeof(ushort)); for(y=0;y<i.height i.height();y++) for(x=0;x<i.width i.width();x++) f.write(& (&i.pixel(x,y),1); } {// lecture RAW première version istream f("image.txt image.txt", ",ios::binary); ushort x,y,w=0,h=0; f.read(&w, (&w,sizeof(ushort)); f.read(&h, (&h,sizeof(ushort)); Image* pi = new Image(w,h); for(y=0;y<pi->height Height();y++) for(x=0;x<pi->width Width();x++) f.read(&pi (&pi->pixel(x,y),1); } 23/11/2004 8

9 Besoin d enregistrer une image 3/n Besoin d être indépendant de la plateforme (little( ou big endian, etc) Retour au codage ASCII (choix de HTML, XML, etc) ) ; Conventions claires sur le stockage : par exemple, poids faibles puis poids forts (little( endian) ) : Image i( ); { // ecriture ostream f("image.txt image.txt", ",ios::binary); ushort x,y; ubyte tmp[4]; tmp[0]= [0]=i.Width()%256; // poids faible tmp[1]= [1]=i.Width()>>8; // poids fort tmp[2]= [2]=i.Height()%256;// poids faible tmp[3]= [3]=i.Height()>>8; // poids fort f.write(( ((const char*) tmp,4); for(y=0;y<i.height i.height();y++) for(x=0;x<i.width i.width();x++) f.write(( ((const char*)i.pixel i.pixel(x,y),1); } { // lecture istream f("image.txt image.txt", ios:: ::binary); ushort x,y; ubyte tmp[4]; f.read((char*) ((char*)tmp,4); ushort w(tmp tmp[1]*256+ [1]*256+tmp[0]), h(tmp tmp[3]*256+ [3]*256+tmp[2]); Image* pi = new Image(w,h); for(y=0;y<pi->height Height();y++) for(x=0;x<pi->width Width();x++) f.read( (char*)pi->pixel(x,y),1); } 23/11/2004 9

10 Inter communicabilité Pour pouvoir l échanger entre deux personnes, ou entre deux ordinateurs. Besoin d une façon commune d écrire l information dans un fichier, indépendamment de la façon dont l image est ensuite organisée (puis utilisée) en mémoire. 23/11/

11 «Cahier des charges» d un codage d image en fichier Dans la majorité des cas : Pas de dégradation de l image (*) entre la sauvegarde et la relecture. Indépendance de la plate forme matérielle (little( ou big endian, etc). Possibilité de stocker différents types d images (TrueColor( TrueColor,, Gris, Palette, etc). Dans certains cas, possibilité de stocker plusieurs images Dans certains cas, possibilité de stocker des informations supplémentaires se rajoutant au format standard. Dans la plupart des cas : Rapidité pour la lecture (mais parfois écriture lente). (*) ou une perte contrôlée et volontaire de qualité. 23/11/

12 Compression d image Comme pour le stockage en mémoire, le stockage sur disque consomme de l espace Compression sans perte de qualité Réduire la taille du codage, sans abîmer l image. Plus lent pour le relire : il faut faire des calculs pour retrouver l image d origine. Compression avec perte de qualité Perte de qualité limitée, et volontairement effectuée. Gros gain en taille de codage! Gain de temps pour la transmission par le réseau! 23/11/

13 Taux de compression Taux de compression = taille originale / taille compressée Exemple : Image de 100 Ko, compressée en 20 Ko. Taux de compression de 5:1. 23/11/

14 Formats standards d images Formats simples non compressés : Niveaux de gris : PGM, TGA,, BMP, TIFF, Couleurs : PPM, TGA,, BMP, TIFF, Format avec compression sans perte : RLE sur Niv.. de gris et Couleurs : TGA,, BMP, TIFF, Huffman sur Gris ou Palette : GIF, TIFF, Format avec compression avec perte : Gris et Couleurs : JPEG (dont JFIF), JPEG2000, TIFF, Pleins d autres encore Plus d information sur : /home/mxr/gfx/ Formats vus en TP 23/11/

15 Forme générale d un fichier d image En tête (header) «Magic number» : reconnaître le format. Largeur, hauteur. Quantification : couleur, gris, noir & blanc, (Eventuellement, mode de compression). Présence d une palette ou non. Autres informations (Eventuellement la palette) Nombre de couleurs de la palette Suite des couleurs de la palette Corps de l image Suite de pixels, éventuellement compressée 23/11/

16 Un format sans compression : PBM, PGM, PPM, P PN M Portable Bit/Gray/Pixel Map (Portable any Map) Peu utilisé car peu performant mais extrêmement simple à lire et à écrire : idéal pour nos TP! Pas possible de coder une palette. 2 Versions : ASCII pur et ASCII+binaire. 23/11/

17 Un format sans compression : PGM : Portable Gray Map (version ASCII+binaire) (1/2) Constitué d un en-tête ASCII : 1. «Magic number» : «P5» suivis d un passage à la ligne 2. Commentaires éventuels : des ligne(s) commençant par «#» 3. La largeur et la hauteur de l image écrite sous forme de texte, sur une même ligne, et séparées par un ou des blancs, suivi d un passage à la ligne. 4. D autres commentaires éventuels 5. Le niveaux de gris maximal (profondeur) codable dans l image, en général 255 sur une seule ligne, avec juste après un unique caractère de passage à la ligne. 6. Début des données binaires des pixels : un octet par pixel donant le niveau de gris entre 0 et /11/

18 Un format sans compression : PGM : Portable Gray Map (version ASCII+binaire) (2/2) Exemple d écriture d une image Image i( ); { // ecriture ostream f("image. image.pgm", ",ios::binary); f<<"p5\n"; f<<"# Une bien belle image!\n"; f<<i.width i.width()<<' '<<i.height i.height()<< ()<<endl; f<<"# Cours de Representation et codage\n"; f<<"# des images. IUT d Arles. d Arles.\n"; f<<"255\n"; "; for(ushort y=0;y<i.height i.height();y++) for(ushort x=0;x<i.width i.width();x++) f.write(( ((const char*)&i.pixel i.pixel(x,y),1); } La lecture est laissée à titre d exercice 23/11/

19 Compression sans perte : RLE Run Length Encoding Couramment utilisé dans les vieux formats d image. Compression sans perte. Taux de compression est dépendant du nombre de couleurs. Principe Remplacer une suite de pixels identiques par le nombre de fois qu ils apparaissent et leur couleur : réduction possible de la taille. Remplacer une suite de pixels différents par leur nombre (en négatif) et la suite : augmentation possible de la taille. Exemple : A.B.C.D.D.D.D.D.E.E.E.F.G (13 symboles) se convertis en -3.A.B.C.5.D.3.E. 3.A.B.C.5.D.3.E.-2.F.G (11 symboles) Le format Targa qui permet RLE sera vu en TP. 23/11/

20 Format BMP Format natif de MS-Windows et d IBM OS/2 Utilisé pour les images (.BMP), les icônes (.ICO) et les curseurs de souris (.CUR). Très comparable à Targa : Supporte le noir et blanc, le gris et la couleur. Supporte avec et sans palette. Supporte avec et sans compression RLE. Ne sera pas vu en TP car un petit peu plus difficile à interpréter que le format Targa et sans grande nouveauté par rapport à Targa. 23/11/

21 Compression sans perte : Huffman Méthode Compression sans perte. Intéressante lorsqu il y a peu de couleurs. Algorithme non spécifique aux images. Principe Trouver quelles couleurs reviennent plus souvent que les autres. Les coder avec moins de bits. Quitte à coder les couleurs rares avec plus de bits que dans l original. 23/11/

22 Compression sans perte : LZW Méthode (Lempel-Ziv-Welch) Utilisé dans les GIF89. De moins en moins utilisé car algorithme UNISYS. Compression sans perte. Intéressante lorsqu il y a peu de couleurs, images tramées. Algorithme non spécifique aux images. Principe Trouver des séquences de pixels qui se répètent. Construire un dictionnaire associant un symbole codé à chaque motif (monodimensionnel). Remplacer la séquence de pixel par le symbole dans le codage. 23/11/

23 Compression sans perte : PNG Format libre soumis à la GNU Public Licence (GPL). A pour vocation d être un remplacement pour GIF. Supporté par la plupart des navigateurs Web, y compris InternetExplorer! Bibliothèque libpng : Permet la compression sans perte (type LZW). Gris, palette de couleurs, TrueColor, Alpha-Channel Channel Permet l affichage progressif en cours de téléchargement : l image devient de plus en plus précise. 23/11/

24 Compression avec perte : JPEG Norme de codage internationale (1992) développée par le Joint Photographic Experts Group pour l échange et la transmission de photos numériques issues du monde réel. Codage avec perte : certains détails peu visibles pour l œil humain sont éliminés. Taux de compression élevé avec perception visuelle peu changée. Couleurs dans l espace YIQ (luminance+chrominance). Codage séparé des deux plans (channels( channels). Repose sur l application (réversible) de la transformation en cosinus discrets (DCT) sur des blocs carrés de 8 pixels de coté. Dans le domaine fréquentiel simplification de l image en fonction de critères psychovisuels. Modulés par un réglage de qualité contrôlé par l utilisateur. Bibliothèque libjpeg du Independant JPEGPEG Group : Sera vu en TP. 23/11/

25 Performances de la compression JPEG Original (769 Ko) JPEG 99% (200 Ko) Ratio = 4:1 23/11/

30 Artefacts de la compression JPEG Compression avec pertes baisse de qualité de l image. l Apparition de blocs (car traités séparément), d autant plus visibles que le taux de compression augmente. 23/11/

31 Original 75% 50% 25% 23/11/

32 Évolution du format : JPEG 2000 Utilise une compression par ondelettes (Wavelets). Qualité d image bien meilleure même à fort taux de compression. Taux de compression plus élevé que JPEG. Mode optionnel de compression sans perte. Artefacts de compression : image plus floue mais pas d apparition de blocs comme JPEG. Compression adaptative suivant les zones de l image. Utilise un découpage récursif en zones carrées (quadtree). 23/11/

33 JPEG (29 Ko) Ratio = 26:1 JPEG 2000 (29 Ko) Ratio = 26:1 23/11/

34 JPEG JPEG /11/

35 Original JPEG 23/11/

36 Original JPEG /11/

37 JPEG (6 Ko) Ratio = 128:1 JPEG 2000 (6 Ko) Ratio = 128:1 23/11/

38 JPEG 2000 (1,04 Ko) Ratio = 740:1 23/11/

39 JPEG 200x? La recherche est très active sur ce problème en ce moment. Différentes pistes sont en concurrence pour améliorer même JPEG2000. Principalement, il s agit de conserver l idée de compression adaptative, mais au lieu de pratiquer un découpage récursif (type quadtree) il s agit de s adapter à la forme de ce qui se représenté sur la photo. Bandlets, curvelets,, etc. 23/11/

40 Format multi sous-formats : TIFF Défini par et propriété d Adobe Format comportant plusieurs «sous-formats» : Compression avec et sans perte : Couleur, Gris (LZW, JPEG, etc). Support des compressions FAX : Noir et blanc. Format tellement complet (et compliqué que très peu de programmes sont capable de lire toutes ses variantes. Les variantes les plus courantes sont cependant lues couramment. Bibliothèque GPL libtiff : supporte les parties les plus communes du format. 23/11/

41 Des questions? 23/11/

42 RAJOUTER Plus de technique sur la compression JPEG et JPEG /11/