PARI 51 Images Numériques Cours #1 : Images numériques, capture et restitution Par : Bernard Besserer! Définitions et généralités sur les images numériques! Capture des images numériques Capteurs CCD La capture d'images couleurs! Restitution des images Cours #1 2
Introduction! «An Image is a Thousand Words Worth» : mieux vaut une image qu un long discours! Image: Moyen important de communication (Eidos " Iconos) Universel (?) Subjectif Représentation: peinture, dessin, photographie,! Image Numérique Image numérisée: suite de bits 01100110010101 surface divisée en éléments de taille fixe Pixel (Picture element) : le plus petit élément manipulé Peut être codé sur 1 ou plusieurs bits 3 Types d Images : images vectorielles! Images vectorielles Description à l aide de courbes et d équations mathématiques le segment est la primitive de base Manipulations (changement taille, modifications géométriques) Poids réduit Ex: PostScript, PDF, Macromedia Flash, SVG 4
! Utilisation : dessin, CAO, police de caractères, cartographie (organisation par couches - layers) Utilisation des images vectorielles 5! Images bitmap Description à l aide d une matrice de points Ex: fichiers BMP, PNG, JPEG, Types d images : images bitmap 6
Représentation mathématique! Mathématiquement, on peut représenter une image comme une fonction bidimensionnelle de l'intensité f(x,y), avec x et y les coordonnées du point et f au point (x,y) la luminosité de ce point.! Une image numérique est la représentation discrète de la fonction continue f(x,y). Elle peut donc être représentée par un tableau à 2 dimension (c'est à dire une matrice) 7 Caractéristiques d'une image numérique! Dimensions / Taille de l image largeur x hauteur en pixels, par exemple 640 x 480 ou 1920 x 1080! Résolution points par pouce ppp (dpi : dots per inch) en relation avec la taille d origine du document! Profondeur nombre de bits par pixel, par exemple 24 bits/pixel (2 24 = 16 millions de nuances de couleurs)! Dynamique nombre de bits par composante, par exemple 8 bits par composante = 256 valeurs possibles 8
Taille de l'image vs résolution! Variation de la taille d'image en gardant la dimension physique constante = modification de la résolution 9 10! Binaire pixels : noir / blanc! Niveaux de gris Monochrome : noir # blanc avec des niveaux intermédiaires (Les caméras fournissent souvent des grandeurs analogiques). L'échantillonnage est possible sur 8, 10, 16 bits Souvent Max. 256valeurs discrètes 0 1 0 255 Représentation en monochrome
Capture d'images! Principe du capteur CDD (Charge Coupled Device) Fonctionnement Différents types de capteurs CCD Artefacts des capteurs CCD Capture d'images couleurs 11 Acquisition par un capteur CCD! Capteurs CCD : transformation de photons (la lumière) en électrons (charge électrique) qui sont accumulés.! Le capteur CCD effectue la Discrétisation! La Quantification est généralement effectué par l'électronique associée 12
Acquisition : matriciel vs linéaire! Avec un capteur CCD matriciel Avec un capteur CCD matriciel (camescope, appareil photo numérique) Avec 3 capteurs CCD matriciels (camescope pro)! Avec un capteur CCD linéaire (Scanner à plat, scanner film, télécinéma) en 1 ou en 3 passes Capteur Capteur Document 13 Document Caméra = capteur + objectif! Une caméra ou un APN (Appareil Photo Numérique), c est un capteur mais aussi un objectif! Projection d un point de l espace 3D sur une surface 2D! Modèle pinhole : 14
Longueur focale! Relation élémentaire entre la surface du capteur, la longueur focale et l angle d ouverture.! A taille de capteur fixe :! A focale fixe : 15 Principes d'un capteur CCD! La matrice CCD est constitué de puits de potentiel.! Ces puits de potentiels capturent les électrons créés par les photons. 16
Principes d'un capteur CCD! La principale difficulté est dans la lecture de la matrice. Elle s'effectue séquentiellement. 17! Exemple de lecture des charges Lecture des informations 18
Transfert des charges! Le transfert des charges est appelé bucket brigade (chaîne de seau).! Il faut évacuer les charges électronique "sans les mélanger" 19 CDD 3 phases 20
CCD 2 phases 21 Animation du transfert de charges 22
Artefacts des capteurs CCD! La rémanence (LAG) pour les sites photosensibles type photodiode : impossibilité de lire toutes les charges en même temps. L information persiste pendant 2 à 3 cycles de lecture.! Le traînage vertical (Smearing) L'effet de "Smearing" apparaît au moment du transfert lorsqu'un puits de potentiel passe dans une zone suréclairée. L'erreur due a ce phénomène dépend de l intensité lumineuse et du temps ou le puits de potentiel se trouve dans cette zone. Cette caractéristique est particulièrement visible sur des images à forts contrastes (image d une lumière infrarouge par exemple). 23 Le traînage vertical 24
Exemple (video minidv amateur) 25 Types de capteurs CCD : intertrame! On distingue les CCD pleine trame et les CCD à mémoire de trame. Les CCD pleine trame sont pourvus d'une fenêtre qui accepte la lumière sur tous les photoéléments alors qu'un CCD à mémoire de trame est coupé en deux par un masque d'aluminium qui sert de mémoire à l'image. Le timing fourni au capteur CCD permet de transférer très vite l'image dans la zone masquée. L'image est alors lue à la "fréquence vidéo" tandis que la nouvelle image est capturée dans la zone exposée. Capteur idéal pour une bonne définition d'image (pixels jointifs). 26
Types de capteur CCD : interligne 27! Il existe aussi des capteurs à transfert de ligne. Une zone masqué existe entre chaque ligne (ou colonne) de l'image. Sur un seul top, toutes les lignes de toute l'image sont transférées dans la zone masquée. La lecture est effectué à la cadence vidéo, pendant que la nouvelle image est intégrée. Attention : pixels non jointifs. Mais bonne caractéristique dynamique (capture d'images en mouvement) Transfert des charges en 4 étapes direction du décalage direction du décalage signal de sortie analogique 28 direction du décalage
Architecture des capteurs CCD 29! Couleurs Trichromacité : 3 plans, composantes, canaux Couleurs réelles (True colors) : 16 millions! Il faut que le capteur décompose l'information sur au moins 3 canaux.! Il existe des caméras multispéctrales Représentation en couleurs! Couleurs indexées Palette Max. 256 couleurs 30
Représentation en couleurs! Une image couleur est donc constitué de 3 plans, soit 3 matrices (donc 3x plus de données)! Si les matrices R(x,y), V*(x,y) et B(x,y) sont identiques, l'image résultante est monochrome. 31 * Notation : V pour Vert ou bien G pour Green Acquisition 3CCD! Séparer les composantes avec des filtres : Caméra professionnelle tri-tube ou tri CCD 32
! Pour faire de la couleur avec un seul capteur CCD, les éléments sensibles sont recouvert d une mosaïque : le filtre de Bayer Acquisition couleur monocapteur 33 Acquisition couleur monocapteur! L image est transférée séquentiellement hors de la matrice CCD. La «fabrication» de l image couleur est effectué par l électronique de la caméra. Cette opération est appelé Demosaicing 34
! Les artéfacts du filtre de Bayer : aliasing couleur. Acquisition couleur monocapteur 35! Un filtre passe bas optique est donc placé sur le filtre de Bayer = l image est donc rendue «floue»! La résolution réelle de l image couleur est inférieure a celle du nombre de pixels du capteur CCD Acquisition couleur monocapteur 36
! Les capteurs CCD sont petits! Taille des capteurs CCD! La «dimension»des capteurs CCD est donné selon une équivalence obsolète (tubes vidicon télévision 1/2", ¾", ) 37! Ecran CRT (Cathode Ray Tube)! Ecran LCD TFT! Imprimantes jet d'encre Restitution des images 38
Stockage Numérique 39! Les images numériques sont sauvegardés sur des supports informatiques : Mémoire CompactFlash, SmartMedia, MemoryStick, SecureDigital Supports optiques CD-R DVD Supports magnétiques Disque dur (HD, Microdrive CF2) Disque amovible (Zip, Jaz, Syquest) Bande (DAT, DLT, DTF, DV)! Pour les visualiser : Ecran Imprimante Restitution de l image! La grande majorité des écrans sont encore analogiques (même les écrans plats!)! Chaîne de restitution tout numérique en progression : Interface DVI Ecran LCD 40
Restitution sur CRT (Cathode Ray Tube)! Restitution de l image sur tube cathodique 41 Restitution sur CRT 42
! La lumière est polarisé. En l'absence de tension (repos), les CL sont arrangés hélicoïdalement. La lumière est transmise. Principe des cristaux liquides! Lorsqu'on applique une tension, les cristaux s'ordonnent. La polarisation ne change plus, la zone devient opaque 43! Pour un écran dit TFT (Thin Film Transistor), chaque pixel est "piloté" par un transistor. Ecrans plats TFT! L'écran est donc de résolution physique fixe! Il peut arriver que des pixels soient défectueux 44
Imprimantes jet d'encre! Principe : projection de micro-gouttelettes d'encre! La résolution atteinte dépends aussi de l'encre et du papier 45 synthèse soustractive! Pour l'impression, c'est la synthèse soustractive qui est utilisée (chaque encre absorbe une longueur d'onde)! Le mélange des encres devrait donner du noir. Mais la densité n'est pas suffisante, on ajoute alors de l'encre noire.! Le modèle couleur est dénommé CMYK (Cyan Magenta Yellow black) 46
Halftoning, dithering! Pour obtenir des tons dégradés, on ne peut jouer que sur le ø des gouttes (halftone) ou sur leur arrangement selon des motifs particuliers (dithering) 47