Images numériques Plan généralg L image - création d une image - l œil - la photographie - lumière, couleur et rayonnements L image numérique - principes généraux - traitement et restitution - format des images - applications Ecran numérique à Times Square (New-York) Extrait d une image numérique résultant de la photographie d un tableau Jean Cassanet 1
L image «La représentation d un être ou d une chose» Une image peut être réalisée à des fins - utilitaires - esthétiques - sociétales - de postérité Dès la préhistoire, l image a pris place dans la société, sous forme de gravures rupestres et pariétales. Ci-contre : gravures pariétales de la Grotte Chauvet, située à Vallon Pont d Arc (Ardèche), datant d environ 30 000 ans BP. Une reproduction de cette grotte a été réalisée (elle est ouverte depuis mars 2015) pour permettre aux visiteurs d admirer ces œuvres sans dégradation pour les originaux 2
La création d une d image Elle suppose : - le choix d un mode de représentation (dessin, peinture, photo ) - des outils (pinceaux, brosses ) - la mise en œuvre d une méthode et la maîtrise d un savoir-faire Tours et sa cathédrale (dessin effectué par un élève de Rembrandt) «La Ronde de nuit» (Rembrandt) «Vitruve», croquis de Léonard de Vinci 3
- Des domaines de création sans limites Dessin d architecture Dessin technique Photographie aérienne Jusqu aux années 1970-1980, le dessin industriel réalisé «à la main» tenait encore une place importante dans la conception et la fabrication des objets de toute nature. Les logiciels de CAO-DAO (Conception Assistée par Ordinateur et Dessin Assisté par Ordinateur) et les stations de travail informatisées ont rapidement fait disparaître les grandes tables à dessin. 4
L Oeil La réalisation d une image s appuie sur l observation, la mémoire d où le rôle de l œil, fondamental pour l observation et la restitution Caractéristiques principales de l œil : - sensibilité spectrale - résolution spatiale L œil humain présente un maximum de sensibilité spectrale à 560 nm (vert), de jour. Par contre, il est peu sensible aux rayonnements de courte longueur d onde (violet) et de grande longueur d onde (rouge) Le pouvoir séparateur (résolution spatiale) exprime l aptitude de l œil à distinguer des éléments d image très rapprochés. Pour l œil humain, il vaut 1 minute d arc. On peut Donc distinguer un détail de 3 mm à 1 m ou 0,1 mm à une distance de 0,33 m d un document (ce qui reviendrait à distinguer théoriquement 6 millions de points sur une feuille de format A4!) 5
La photographie Due à la convergence des progrès de l optique et de la chimie la photographie fut une révolution dans le domaine de l imagerie. - Première image photographique en 1826 (Niepce) - Première image «fixée» en 1839 (Daguerre) - Première photo aérienne, prise depuis un ballon, au-dessus de Paris en 1858 (Nadar) Ci-contre : chambre photographique en usage dans les années 30. Les conflits armés du 20 ème siècle ont largement contribué au dévelopement de la photographie aérienne nécessaire pour établir une cartographie précise du territoire. jusqu aux années 1990, la photographie argentique a dominé. 6
Dans la seconde moitié du 20 ème siècle, l élargissement du domaine de sensibilité spectrale des films photographiques au proche infrarouge a stimulé des applications nouvelles de la photographie. Les émulsions sensibles au rayonnement du proche infrarouge ont permis de mettre en évidence des phénomènes qui ne pouvaient être clairement observés sur les photographies opérant uniquement dans le domaine du visible. Pour que la restitution soit lisible par un opérateur, un «glissement» est opéré lors du tirage, l infarouge étant représenté en rouge, le rouge étant représenté en vert et le vert, en bleu. L exemple ci-contre montre que pour l étude de la végétation, l image infrarouge apporte des informations complémentaires. 7
Lumière, couleur et rayonnements «Lumière» => lumière «visible», correspondant au domaine de rayonnements perceptibles par l œil humain (environ de 400 à 800 nm). Une lumière «monochromatique» caractérisée par sa longueur d onde produit sur l œil l impression d une «couleur». Le domaine du «visible» n est qu une toute petite partie du spectre des rayonnements électromagnétiques. L œil est un détecteur de rayonnements électromagnétiques qui n est sensible que dans ce domaine. Les domaines du spectre qui n appartiennent pas au «visible» peuvent être explorés à l aide de détecteurs spécifiques. 8
Les couleurs sont rarement l expression d un rayonnement monochromatique. Le plus souvent, elles résultent de l émission de radiations de différentes longueurs d onde. La combinaison de trois couleurs fondamentales permet, selon la luminance de chacune, d obtenir une infinité de couleurs. En synthèse additive, les trois couleurs fondamentales sont le rouge, le vert et le bleu. En analyse soustractive, les trois couleurs fondamentales sont le jaune, le magenta et le cyan. Ci-dessus : exemples de synthèses additives ; la couleur obtenue dans le carré témoin dépend de la luminance attribuée à chacune des trois couleurs fondamentales (rouge, vert, bleu). Cette luminance est codée sur 256 niveaux, de 0 à 255. On peut obtenir 256 x 256 x 256 combinaisons différentes, soit 16 777 216 couleurs. 9
Sources naturelles de rayonnements Le dessin, la photographie, la peinture se pratiquent usuellement en faisant appel à une source de lumière naturelle. Sur Terre, cette lumière est due à l éclairement solaire. Les lois physiques de l émission de rayonnements par un corps idéal nommé «corps noir» peuvent se traduire comme suit : Tout corps dont la température est supérieure au «zéro absolu» (- 273,15 C) émet un rayonnement électromagnétique. Plus la température augmente, plus la longueur d onde du rayonnement émis devient courte. le Soleil, avec une température de surface de l ordre de 5700 C émet des rayonnements centrés sur 0,55 µm, et dont une grande partie appartient au domaine du visible. A noter que selon les mêmes lois d émission, la Terre, dont la température moyenne de surface se situe à 15 C émet des rayonnements de l ordre de 10 µm de longueur d onde (non détectables par l œil humain). 10
L image «numérique» L image numérique résulte de la transposition graphique d un tableau de nombres Ce tableau est organisé selon une matrice de lignes et de colonnes A chaque nombre de ce tableau correspond un élément de l image, ou pixel. L image numérique résulte de l association d un grand nombre de pixels Le zoom d un image numérique met en évidence sa structure et les pixels qui la composent. 11
Tout tableau de nombres peut subir des traitements mathématiques variés autorisant des restitutions spécifiques. Le traitement d images est incontournable pour la lecture, la restitution et l interprétation des images numériques. Lissage, filtrage, contraste etc, font partie d une panoplie d outils de traitement usuellement utilisés. Le traitement d images numériques relève fondamentalement du domaine des mathématiques. Exemple de traitement numérique (très partiel) : Effet de contraste : à l aide d une «fenêtre mobile», on détecte les variations de valeurs numériques et on les accentue dans un sens ou dans l autre. A partir du tableau initial, on construit un second tableau de valeurs modifiées, par exemple en augmentant de 2 les valeurs fortes et en diminuant de 2 les valeurs faibles. 12
Numérisation La création d une image numérique, passe par la transformation d une grandeur physique analogique en nombre, ou conversion analogique-numérique (CAN). Par exemple, il peut s agir de la lumière d abord convertie en tension électrique par une photodiode, puis en un nombre traduisant l intensité de cette lumière. Finalement : Obtention d un tableau de nombres exprimant les variations de la grandeur physique initiale. 13
Conversion analogique-num numérique Cette opération s effectue dans tout appareil délivrant des données numériques à partir de la détection d une grandeur physique. Le processus décrit ci-contre est le même dans un appareil photo numérique, dans un scanner 14
Numération et numérisation Numération : - binaire (0 ou 1) - décimale (de 0 à 9) - hexadécimale (de 0 à F) Pour des raisons physiques, la numérisation s appuie sur le langage binaire (ex : lumière ou obscurité, tension électrique ou absence de tension électrique ). En binaire, la plus petite information numérique est codée sous forme d un bit (binary digit) qui ne peut prendre que deux valeurs : 0 ou 1 En associant 2 ou 3 bits,on peut accéder à la représentation de 4 ou 8 valeurs. En associant 8 bits, on peut écrire 256 valeurs différentes (soit 2 8 ). Cette association de 8 bits s appelle «un octet» («byte», en anglais). 15
Traitement et restitution d une d image numérique Exemple : cas d une image satellitaire SPOT Le satellite SPOT peut acquérir des images en mode multispectral, c est-à-dire dans des canaux (domaines de longeurs d onde) distincts. Dans l exemple choisi, on s intéressera aux satellites SPOT disposant en mode multispectral de 3 canaux d observation (vert, rouge et proche infrarouge, respectivement dénommés XS1, XS2, XS3) Pour un même champ d observation, pour une même scène, on peut disposer de plusieurs ensembles de mesures qui sont numérisées et constituent un fichier numérique par canal. Chaque élément d image ou pixel (picture element) correspond au sol à un carré de quelques mètres de côté. 16
Zone d étude : Estuaire de la Seine Ci-contre : Composition colorée d une image acquise dans 3 domaines de sensibilité spectrale du capteur embarqué (vert,rouge et infrarouge). Altitude du satellite : 800 km A droite, extrait de la scène précédente, sur laquelle on distingue le port de Honfleur. 17
Extraction d image dans les 3 canaux (de gauche à droite : vert, rouge et infrarouge) et affichage en niveaux de gris, de la réflectance la plus faible (en noir) à la plus forte (en blanc). La surface du sol est soumise au rayonnement solaire. Les différents milieux réfléchissent plus ou moins ces rayonnements vers le capteur du satellite et de façon différente selon les domaines de longueur d onde. Dans la sous-image étudiée (le port de Honfleur), on voit que selon les domaines de longueur d onde, les différents milieux (eau, végétation, zones construites) réfléchissent le rayonnement solaire de façon plus ou moins intense. 18
Principe d un seuillage et d une visualisation en niveaux de gris Chaque nombre exprime pour le pixel considéré l aptitude du milieu observé à réfléchir l énergie solaire (dans le domaine de l infrarouge, puisqu il s agit ici du canal XS3). En examinant les pixels les uns après les autres, on voit qu on peut les regrouper par «classes» (à gauche), puis affecter à chacune de ces classes une couleur ou un niveau de gris spécifique. Il en résulte une «image», expression des valeurs numériques initiales, elles-mêmes issues de mesures physiques. 19
Visualisation en composition colorée La composition colorée ci-contre est obtenue en affectant à chaque canal une couleur, puis en effectuant à l écran la synthèse additive des 3 images colorées. Ici, le canal XS1 a été représenté en bleu, Le canal XS2 en vert, et le canal XS3 (qui correspond à l infrarouge) en rouge. Pour chaque pixel, la synthèse des couleurs fondamentales génère une couleur spécifique exprimant la synthèse des 3 valeurs numériques. Dans l exemple choisi, pour le pixel situé en ligne 1989 et en colonne 2550, les valeurs numériques sont : - 60 pour le canal XS1-43 pour le canal XS2-94 pour le canal XS3 20
Format d une d image numérique Dans le domaine du traitement d image, le mot «format» a une signification particulière. Il désigne le «format du fichier», c est-à-dire ce qui résulte de transformations mathématiques internes effectuées avant mise à disposition pour l utilisateur. Le format est caractérisé par une «extension» accolée au nom du fichier lui-même. Exemples : Paris.bmp, océan.jpg, bateau.tiff, nuages.raw La problématique du format : Lors de l acquisition d une image, tout accroissement de la sensibilité du capteur, de son aptitude à détecter les moindres détails et de son champ d observation entraîne une augmentation du nombre de pixels et du nombre d octets. Plus le volume d une image (en octets) est grand, plus le temps de traitement est long, plus la restitution est exigeante (microprocesseur, écran, imprimante), et plus le stockage est lourd. Le choix d un format vise à rendre conciliables ces contradictions en fonction des desiderata de l utilisateur. 21
Image brute ou compressée? Dans une image brute, toute l information physique initiale est conservée. La compression d une image permet d en diminuer le volume. Cette compression peut être non destructrice (formats PNG, RAW) mais le volume demeure important. Elle peut aussi être destructrice, (GIF, JPEG, )mais le volume peut alors être fortement diminué. Image matricielle ou vectorielle? Une image matricielle (ou bitmap) est constituée d un ensemble de points organisés en lignes et colonnes (formats BMP, GIF, JPEG, TIFF.). Une image vectorielle est décrite d un point de vue mathématique. Son volume peut être très faible s il s agit de représenter des formes simples et elle se redimensionne sans perte de qualité (formats PDF, DXF ). Par exemple pour représenter un carré, les seules informations nécessaires sont : - les coordonnées d un sommet, - la longueur et l orientation d un côté - l épaisseur et la couleur du trait. L ensemble de ces informations ne nécessite que peu d octets. 22
Les images numériques ; applications La photographie numérique Le domaine spectral concerné est le même que pour la photographie argentique. Dans son principe général, l appareil photographique conserve ses éléments principaux (chambre noire,objectif, diaphragme, déclencheur ). Le film argentique est remplacé par un capteur spécifique (capteur CCD ). Un logiciel de traitement d images assez sommaire et un écran de visualisation complètent l équipement. Ci-dessus, un capteur CCD comportant des millions de cellules sensibles à la lumière, et gros plan sur ces cellules. 23
La miniaturisation extrême de l électronique a permis l intégration d appareils photographiques dans les boitiers des téléphones portables. Ces photophones permettent de réaliser des photos et de courtes séquences vidéo avec une qualité acceptable pour une visualisation sur écran de moyenne résolution. L optique d un tel appareil est de dimensions très réduites, ce qui en limite les performances. Pour pallier les faiblesses optiques des smartphones courants, certains constructeurs réalisent des modèles munis d une optique plus volumineuse, mais aussi plus performante. 24
En haut de gamme, les chambres photographiques traditionnelles ont conservé ou amélioré leurs caractéristiques optiques (objectif, tirage ) tout en profitant des développements de l optoélectronique pour remplacer les films par des capteurs plans de très haute définition. 25
La photographie numérique aérienne a Les chambres photographiques utilisées actuellement pour la photogrammétrie à partir de prises de vue aériennes délivrent également des images numériques de très haute résolution dans le domaine du visible et du proche infrarouge. Exemple ci-dessus : UltraCam (utilisée par l IGN, Institut Géographique National, pour ses missions aériennes) 26
Ci-dessus : exemple de produit de photographie aérienne ultra haute résolution 27
L imagerie satellitaire au service de l observation l de la Terre Pour des raisons évidentes (éloignement des satellites, impossibilité de récupérer des films), la télédétection est depuis le début des années 1970 à l origine de la plupart des développements techniques liés à l acquisition des images numériques et à leur traitement La France a joué un rôle très important en ce domaine avec un programme spatial ambitieux : - développement de lanceurs (série Ariane 3, 4, 5 ) - construction de satellites - conception et réalisation de capteurs CCD et de dispositifs optiques => Filières SPOT et Pléiades Le schéma ci-contre présente le principe du système d acquisitions d images depuis un satellite SPOT. L énergie solaire réfléchie par les taches élémentaires de 10 m de côté située au sol est transmise aux détecteurs CCD. Il en résulte l enregistrement du signal pour une ligne d image. 1,3 ms plus tard, le satellite a progressé de 10 m à la vitesse de 7,5 km/s et le capteur enregistre la ligne suivante etc. 28
Le tableau ci-dessus présente les principales caractéristiques des satellites SPOT et Pléiades. A noter que SPOT 5 est en fin de vie, après 13 années de «bons et loyaux services». 29
Les satellites Pléiades : Ils assurent en complément des satellites SPOT des missions d imagerie à très haute résolution spatiale sur des sites au choix. Ce sont des satellites dits «agiles». 30
L imagerie satellitaire au service de l observation l de la Terre Les satellites Pléiades : Entrée du port de Lorient vu par Pléiades 31
Détail d une image Pléiades (port de Lorient) 32
L imagerie médicalem Les progrès de l électronique ont permis la détection de rayonnements électromagnétiques bien au-delà du domaine du visible, d où le développement de méthodes d analyse peu invasives (scanner X) voire noninvasives (thermographies) dans le domaine médical. Toutes ces techniques d analyse délivrent des images numériques qui subissent des traitements et des restitutions graphiques mises à disposition du corps médical qui en pratique l interprétation. La thermographie, tout particulièrement, n est pas invasive, puisqu elle résulte de l émission de rayonnement infrarouge (dans le domaine des 10 µm) par le corps humain lui-même. Par contre, même si elles sont indolores, les techniques basées sur l étude de l absorption de rayons X par l organisme présentent un certain degré de nocivité, en raison du caractère destructeur des photons associés à ces rayonnements de très courte longueur d onde. Leur usage doit donc être limité. 33
Exemple : Scanner X Un tube émetteur de rayons X tourne autour du corps du patient lui-même lentement translaté dans le faisceau. Le signal détecté après traversée du corps permet de construire point par point une image numérique. Ce système permet d étudier l absorption des rayons X selon les 3 dimensions de l espace. 34
L imagerie industrielle ; un exemple dans le bâtiment Les contraintes énergétiques imposent de plus en plus souvent des travaux de rénovation et d isolation des bâtiments. Pour engager des travaux souvent délicats et coûteux, un diagnostic préalable s impose et le recours aux techniques de la thermographie sont devenus très courants. Ces analyses s effectuent aussi bien à l échelle d un appartement qu à l échelle d une ville. Du point de vue technique, les appareils de thermographie (connus sous le nom de caméra infrarouge ou caméra thermique) initialement réservés au monde professionnel se miniaturisent et gagnent maintenant le domaine amateur. 35
En conclusion, les images numériques - concernent une multitude de domaines d application - offrent sur écran des restitutions de grande qualité pour un faible coût - peuvent être stockées longtemps sans dégradation - sont aisément transmissibles par les réseaux existants - peuvent subir des traitements complexes et variés... avec toutes les conséquences positives ou négatives que cela implique, bref :. Il n y a pas d images justes, il y a juste des images. Jean-Luc GODARD 36