Support de Cours Introduction à l imagerie numérique
Sommaire Chapitre 1 La phase d acquisition 1.1 Introduction à l imagerie numérique 3 1.2 Le scanner 7 1.3 Le camescope numérique 8 1.4 L appareil photo numérique 9 Chapitre 2 Traitement de l image 2.1 La correction 16 2.2 La retouche 16 2.3 L assemblage 16 Chapitre 3 La restitution 3.1 L impression 17 3.2 La projection 20 3.3 Annexe 21 3.4 Lexique 22 2
Chapitre 1 La phase d acquisition 1.1 Introduction à l imagerie numérique L image numérique Une image numérique est constituée de Pixels. Numérique ou digital : les informations sont codées sous forme chiffrée. Un pixel est caractérisé par un rapport des couleurs Rouge, Vert, Bleu (RVB). Par exemple, si pour chaque couleur on a 256 niveaux (2 puissance 8 niveaux), le point constitué de trois couleurs aura 256x256x256 = 16 777 216 couleurs possibles. On dit que la couleur est codée sur 24 bits (3 fois 8 bits) ou a une profondeur de couleur de 24 bits. En image numérique fixe, le «déclenchement» consiste à stocker l information en 24 bits de chaque pixel. Le temps de balayage électronique du capteur correspond grossièrement au temps d obturation de l appareil argentique. En image numérique animée, le balayage du capteur est effectué 25 fois par seconde pour respecter la fréquence du cinéma traditionnel. 3
1. La matrice Une image est composée d une succession de points collés les uns aux autres, que l on appelle des PIXELS une fois visibles sur l écran. La vision d ensemble porte le nom de MATRICE (un tableau). Regardez cette matrice! Chacun de ces points est composé de trois couleurs : Rouge, Vert, Bleu. C est le système R.V.B. que nous allons détailler à présent. 2. Rouge-Vert-Bleu Chaque point de l écran est en réalité composé de trois sources lumineuses Rouge, Verte et Bleue : C est le mode R.V.B. Chaque PIXEL perçu par l œil est donc composé de trois points se superposant. Le principe C est un système additif. Quand on juxtapose de manière égale ces trois couleurs primaires, une lumière blanche apparaît au centre. 4
La chaîne numérique La chaîne numérique s oriente autour de trois phases principales : 1. La phase d acquisition L acquisition est la transformation de la réalité (scène ou document) en fichier informatique. Elle est faite par des capteurs que l on appelle plus spécifiquement CCD. Éléments CCD La lumière est projetée sur le C.C.D. (Charge Couple Device) qui convertit ces informations en données numériques. Cette étape consiste à prendre des images, issues de différentes sources et de les transférer dans votre PC. Les scanners, les appareils photos numériques ou cameras vidéos utilisent généralement le principe des capteurs CCD (Charge Couple Device). C est à dire que des milliers de petits «yeux» photographient chacun des points de l image qui s afficheront sur votre écran. La qualité de numérisation dépend entre autre de la qualité de résolution de ces appareils. 5
Trois possibilités s offrent à vous pour importer, au choix : L image située dans un scanner à l aide du Pilote. L image provenant d un appareil photo numérique. L image provenant d un camescope numérique. 2. Le traitement Le traitement est une série de corrections et de retouches de l image. - On peut ainsi rectifier les défauts survenus lors de la prise de vue : correction de couleurs, de luminosité, rayures - On peut aussi modifier le document (enlever ou ajouter un personnage, effacer des éléments non souhaités ) - Compresser l image pour rendre le fichier d origine plus compact. 3. La restitution La restitution sert à diffuser l image. - Sur papier - Par projection - Par envoi électronique 6
1.2 Le scanner Fonctionnement d un scanner La surface de référence des scanners est le A4 (21x29,7 cm), parfois le legal US (21,6 x 35,6cm). La densité des capteurs détermine la définition optique (600, 1200 voire 2400 points par pouce linéaires). Les constructeurs parlent parfois de densité interpolée (les points intermédiaires sont calculés en fonction de la valeur des points voisins) et un 1200 points optiques peut donner des fichiers en 9600 points interpolés. Cependant, la densité optique est le critère de base! Les capteurs CCD permettent de numériser des objets qui ne sont pas strictement appliqués sur la vitre alors que les CIS ne voient que ce qui est pressé contre la vitre (Le plus répandu reste le CCD). La quasi totalité des scanners est reliée au PC par l interface USB. 7
1.3 Le camescope numérique Le caméscope est destiné à capter des images animées, il est moins exigeant en définition puisque l œil associe les images successives et compense donc la netteté. Un caméscope se révèle donc être un très modeste appareil photo numérique à la définition à peine suffisante. Le principe de compression vidéo (MPEG par exemple) est basé sur le découpage en séquences bornées par deux images clefs ; chacune des images intermédiaires étant représentée par la différence sur l image qui la précède. Les CODECS correspondent à différents algorithmes ; ils servent à compresser les vidéos lors de l enregistrement et à décompresser lors de la lecture. Le problème des camescopes numériques vient du compromis réalisé entre la qualité des images et de la fluidité du film. 8
1.4 L appareil photo numérique On pourrait penser que les appareils photos numériques ressemblent aux appareils photos argentiques. Ils sont tous les 2 équipés d une optique (assemblage de lentilles), d un diaphragme et d un obturateur. Toutefois, dans le cas de l argentique, l image est impressionnée sur une pellicule photo tandis que le numérique enregistre l image sur des cellules photos électriques. 9
Découpe d un appareil photo numérique Le nombre de pixels s exprime en méga pixels (millions de pixels) mais les fabricants disent rarement la taille physique du capteur, or une trop forte densité sur une petite surface détermine un bruit de fond (apparition de valeurs aberrantes pour certains pixels) nécessitant de baisser leur sensibilité et de traiter l image par des moyens informatiques pas nécessairement maîtrisés par tous les constructeurs. Le nombre de pixels est déterminant pour la finesse de l image mais cette notion est à rapprocher de l usage prévu de la photo : un capteur de 2 méga pixels donnera une photo parfaite en 10x15 cm et quasi parfaite en 15x20cm. Les photo sites ne voient qu une couleur déterminée par le filtre placé à l avant. Ils délivrent cependant un message en 3 couleurs par interpolation d information avec les sites voisins : le capteur filtré en Bleu par exemple détermine la quantité de lumière Verte et Rouge d après la quantité de lumière reçue par les sites voisins filtrés en vert et en rouge (RVB). 10
Le stockage Les appareils traduisent l image en fichier. Le RAW est le fichier natif issu directement du calculateur, il est d un format spécifique à l appareil. Le TIFF est un standard de compression sans altération : l image originale est respectée mais encore encombrante. Le JPEG est un format dont on peut faire varier le taux de compression. A taux faible, on perd très peu d informations ; à forte compression, l image résultante a perdu des informations. Pour compresser, le système associe des pixels d information semblable pour coder une seule définition. Les fichiers comportants des zones uniformes (ciel, mer ) prendront moins de place que des fichiers très détaillés (sous bois, ville ). Le GIF se limite à 256 couleurs au maximum et sera réservé aux images comportant des aplats de couleurs et peu de dégradés. Les formats standard de mémoires évoluent pour prendre de moins en moins de place tout en étant de plus en plus fiables, la technologie est celle des mémoires flash dont les informations sont conservées même sans alimentation électrique. La capacité d une carte en nombre de clichés est fonction de la taille du fichier et donc du type de capteur, du taux de compression et de la définition choisie. 11
La taille des photos Le capteur génère une image dont la taille est fonction du capteur et de la profondeur de couleur. Par exemple, un capteur générant une image de 1530 x 2048 pixels en 24 bits nécessite 1530 x 2048 x 24 = 75 202 560 bits ou 75 202 560 / 8 =9 400 320 octets ou 9,4 méga octets. Une carte de 64 Méga octets ne stockera que 6 images! La compression JPEG minimum ramènera l image d origine de notre exemple à un peu moins de 2 MO et si on compresse davantage en restant dans des limites tolérables, on peut descendre à 700 KO. Dans ce cas, on stockera 30 à 100 images. Les appareils permettent de prendre les clichés avec une partie des capteurs seulement. Un appareil de 1530 x 2048 pixels permettra de prendre une photo en 1024x768 par exemple par interpolation de pixels. Le fichier généré sera dégradé mais de taille bien plus modeste. Ceci est suffisant dans certains cas. 12
Image numérisée en 300 * 300 dpi L image de gauche est numérisée en 300 ppp. C est une image de bonne qualité formée par un nombre important de pixels. L image ci-dessous est formée par un nombre limité de pixels dans la mesure où elle est numérisée en 100 ppp. Cette image est donc de moins bonne qualité mais elle prend aussi moins de place dans le disque dur de votre ordinateur. Image numérisée en 150 * 150 dpi LE C.C.D est alors composé de 150 capteurs par colonne. 13
La résolution des images C est la résolution qui définit la qualité de l image. Plus celle-ci est élevée, plus l image est détaillée. Vous n utiliserez pas la même résolution pour une image destinée à l impression que pour l envoyer par e-mail. Il existe un rapport direct entre le poids (en Ko), la taille (en Cm) et la résolution des images (en dpi ou ppp). A 150 dpi, l image ci-dessus pèse 50 Ko. La même image, ci-contre numérisée à 75 dpi ne pèse plus que 12 Ko. Attention : Si vous conservez la même taille pour l image numérisée en 72 dpi, vous observerez une perte de qualité. En effet, moins de pixels composent cette image, ce qui explique sa qualité médiocre. 14
Le transfert des photos Pour transférer des photos de l appareil à l ordinateur, les fabricants livrent un câble de liaison, en général USB et un logiciel de transfert. Des fabricants livrent les appareils avec une station d accueil, celle-ci est connectée au PC en permanence, le simple fait de poser l appareil sur la station transfère les images et recharge les batteries de l appareil. Des appareils modernes sont reliés par un standard FIREWIRE qui permet des débits donc des temps de transfert beaucoup plus courts. En insérant une carte dans les lecteurs, reliés au PC, on assure le transfert des données. 15
Chapitre 2 Traitement de l image Vous allez pouvoir : Corriger des photos - Le contraste - La luminosité - Les couleurs dominantes - Les rayures - Les yeux rouges Les créations Personnalisez vos documents avec : - Des cartons d invitation - Des faire-part - Envoyer une photo par e-mail - Réaliser votre album photo numérique - Réaliser vos sites Web Recadrer Isoler une partie de l image Appliquer des effets Les plus courants : ADOBE Photodeluxe Photoshop (LE) Corel Photo house Macromédia Fireworks Microsoft Photo Editor (Avec le PACK office) Photo draw Ulead Photoimpact JASC Paint shop pro 16
Chapitre 3 La restitution Comme une photo argentique, l image numérique peut se transférer sur papier imprimé, par diaporama électronique ou par Internet. Le même document peut utiliser les trois voies et par exemple être expédié sous forme très compressée. La résolution des imprimantes se calcule aussi en dpi ( ou ppp) et leurs caractéristiques à l heure actuelle varient de 360 (qualité normale) à 2800 dpi. 3.1 Les modes d impression L impression jet d encre consiste à envoyer sur le papier de minuscules gouttes d encre Cyan, Magenta et Jaune pour créer l image définitive à partir des petits points colorés obtenus (CMJN). Les imprimantes laser sont moins bien adaptées à l impression des photos par l impossibilité de mélanger les colorants et donc à former des demi teintes. C est cependant le laser qui donne les meilleurs résultats sur papier ordinaire mais aussi qui produit les documents les moins chers. 17
La résolution et la taille d impression Le document pris en 2 méga pixels sera parfait en 10x15 mais on commencera à voir nettement les points à partir de 20x30. L imprimante elle, donnera toujours la même définition, quelle que soit la surface imprimée. Schéma 1: Les tailles d impression en fonction de la résolution de la photographie Schéma 2: Le nombre de pixels en fonction de la taille d impression désirée Page 18
Le papier et les encres L encre est constituée de colorants et de solvants, c est un produit technique complexe soumis à des contraintes extrêmes. Pour se fixer sur le papier rapidement (jusqu à 25 mille gouttes par seconde), l encre doit être attirée par lui afin de ne pas rebondir, mais pas trop afin de ne pas s étaler! La tension superficielle de ces deux éléments doit donc être complémentaire, surtout pour le papier photo dont la surface brillante micro poreuse doit en outre laisser pénétrer l encre. Dans le temps, les composants chimiques de l encre et du papier ne doivent pas interagir entre eux ni avec les polluants atmosphériques courants pour que l image ne se dégrade pas trop dans le temps... Page 19
3.2 La projection 1) Le vidéo projecteur Vos images pourront être diffusées par un vidéo projecteur! Voici les définitions courantes des projecteurs: SXGA: 1280 x 1024 pixel soit 1,3 méga pixels. XGA: 1024 x 768 pixel soit 0,8 méga pixels. SVGA: 800 x 600 pixel soit 0,48 méga pixels. VGA: 640 x 480 pixel soit 0,31 pixels. Il sera donc préférable de dégrader dans la définition du projecteur les images à afficher pour alléger la taille des présentations qui n auront donc pas la qualité des projections de diapositives. 2) Les images et Internet Vos images pourront également être diffusées sur un site Internet ou envoyées par courrier électronique. Le problème majeur reste l adéquation entre la qualité du cliché et le temps de transmission en rapport avec le type de connexion Internet dont on dispose. Une photo de 1 Méga octet sera transmise en quelques secondes en très haut débit, il lui faudra quelques minutes en connexion par modem RTC (modem raccordé sur la ligne de téléphone). Il sera donc nécessaire d utiliser les formats Gif et Jpeg dont nous avons parlé auparavant pour leur donner une taille suffisamment réduite et être ainsi accessible plus rapidement. Page 20
3.3 L annexe La consultation Consulter, regarder et manipuler vos images nécessite en général l utilisation de logiciels spécifiques. Un logiciel de consultation qui se comporte comme une table lumineuse pour des diapos. Les images d un fichier sont visibles sous forme de petites icônes. Le plus commun est ACDSEE que l on peut acheter en boutique ou essayer pour une durée de 2 mois en le téléchargeant sur le site www.acdsystems.com. XNVIEW est un autre logiciel proposant les mêmes services mais totalement gratuit. Page 21
LEXIQUE Pixel : contraction de l'expression anglaise Picture Element ; la plus petite représentation graphique sur un écran auquel peut être attribué la luminosité, la couleur, le clignotement. Bits : c'est la plus petite représentation numéraire des systèmes d'informations, elle ne peut prendre que deux valeurs 0 et 1. 8 bits représentent un octet (bytes en anglais). Argentique : procédé d'impression de la photographie classique, les rayons lumineux noircissent plus ou moins fortement les ions argents présents sur la pellicule photo, ce qui va reproduire l'image photographiée. CCD : de l'anglais Couple Charged Device, ce sont les cellules photos-sensibles que l'on trouvent sur les appareils photos numériques, ils transforment l'énergie lumineuse reçue en signal électrique. USB : de l'anglais Universal Serial Bus. C'est une norme de connexion de périphériques externes, dont l'intérêt est d'être beaucoup plus rapide que le port série. FIREWIRE : c'est une norme de connexion de type série à très haut débit (10 à 40 Mo/s maximum). Elle est utilisée notamment pour connecter au PC des périphériques externes très rapides (graveurs externes, disques durs externes, caméras vidéo, etc..). CODECS : Codec est l'abréviation de COmpression-DECompression. Il s'agit d'algorithmes appliqués à un ensemble de données, utilisés en vidéo numérique pour diminuer le volume des données. MPEG : Motion Picture Experts Group. Norme de compression pour le son et les images en temps réel. En compression vidéo, le principe de base est de ne stocker que ce qui change d'une image à une autre. Le format MPEG2 équivaut, en qualité d'image, au VHS. DPI : de l'anglais Dot Per Inch ou Point Par Pouce (PPP). C'est la densité de CCD par pouce linéaire, dans le cas des scanners des appareils photos et caméscopes numériques. Page 22
LEXIQUE Interpolation : Calcul de données supplémentaires afin d'augmenter la résolution d'une image, la qualité d'un son. On distingue, par ordre de qualité croissante, l'interpolation par proximité, l'interpolation bilinéaire, l'interpolation bicubique. Photosites : Un photosite est constitué d'un substrat de silicium dopé, sur lequel on a déposés un isolant et une électrode, tous deux étant transparents. Lorsqu'un photon arrive sur le photosite, il traverse l'électrode et l'isolant, et donne lieu à la génération d'une charge négative lorsqu'il atteint de substrat de silicium. Les charges négatives ainsi formées sont "stockées" dans le photosite grâce à l'action de l'électrode qui est chargée positivement. Résultat : l'image est enregistrée sous la forme de charge électriques contenues dans les photosites. RAW : Un fichier au format RAW est un fichier qui contient les niveaux de lumière enregistrés par le capteur. Ce "négatif digital" présente de nombreux avantages. Le format RAW est un format haute résolution beaucoup plus compact que le format TIFF (fichiers 2 fois plus petits). Le traitement de l'image peut être plus complexe puisqu'il s'appuie sur le processeur de votre PC qui est plus puissant que le processeur de votre appareil. Le format RAW est le plus adapté à la pratique du labo numérique. L'image n'a pas subi de compression et la profondeur des couleurs est supérieure au 24 bits du format TIFF ou JPEG (30 bits pour le Canon PRO70, 36 bits pour le Nikon D1). Elle n'a pas non plus subi de traitement interne et le rendu des couleurs est très naturel. Il n'existe pas de format RAW standard et vous devez impérativement passer par le driver du constructeur pour visualiser les photos. TIFF : de l'anglais Tagged Image File Format, c est un format d'image non compressé. GIF : Graphics Interchange Format, format de fichiers graphiques très utilisés dans la conception de pages Web. Le nombre de couleurs de ce type d'image est limité à 256 et peut gérer la transparence.compact Flash Carte mémoire ou carte fonction amovible réinscriptible mise au point par Sandisk en 1994. Ce format de carte mémoire, probablement le plus répandu, est utilisé par Canon, Nikon, Casio, Kodak... Page 23
LEXIQUE Cette carte est dotée d'un contrôleur intégré. Il en existe deux versions : la CF1 de 3.3 mm d'épaisseur et la CF2 qui a 5 mm d'épaisseur. JPEG : Joint Photographic Experts Group Format de d'image compressé avec pertes de données. C'est la norme de fait de compression d'image dans les appareils photo numériques. La compression JPEG est basée sur le codage des couleurs, sachant qu'un appareil photo numérique restitue 16.7 millions de couleurs et que l'oeil humain n'en perçoit que 2500, la compression JPEG réduit donc le nombre d'informations concernant les couleurs. Le taux de compression est réglable. L'information concernant la luminosité étant plus importante que l'information couleur, la plupart des pixels stockent ici uniquement l'information luminosité. Lorsque le fichier JPEG est ouvert, la couleur manquante est automatiquement calculée à partir de l'information existante. SXGA : Super Extended Graphics Array Désigne une résolution image de 1280 x 1024. SVGA : Super VidéoGraphics Array Super VGA, fait référence à une résolution d'affichage d'écran égale à 800 x 600. CMYK CMJN : Cyan, Magenta, Yellow et Key Cyan, magenta, jaune et noir (CMJN en français). Il s'agit des couleurs utilisées pour l'impression en couleurs. (synthèse soustractive des couleurs). Le blanc est la couleur par défaut (en fait, la couleur du papier) et le noir est obtenu par addition du cyan, du jaune et du magenta à leur intensité maxi male. En pratique, le noir obtenu n'est pas vraiment noir. Il est plutôt marronverdâtre. Pour obtenir un vrai noir, on va donc soustraire la part de noir du cyan, du magenta et du jaune et il sera reproduit par de l'encre noire. l'espace colorimétrique devient donc CMJN. Page 24
LEXIQUE RVB : Rouge, Vert, Bleu (Red, Green, Blue en anglais = RGB) Les trois couleurs de base de la synthèse additive des couleurs. Votre écran et votre imprimante ne reproduisent pas les couleurs avec le même espace colorimétrique. L'écran travaille avec l'espace RVB. Le noir est la couleur par défaut et le blanc est obtenu par addition du rouge du vert et du bleu à leur intensité maximale. Vous venez de voir avec nous un cours sur L imagerie numérique. Copyright 2000-hc Page 25