Formation « Image numérique : acquisition et traitement d'images »

Ce support de cours s'adresse aux étudiants et utilisateurs souhaitant comprendre les principes fondamentaux de l'image numérique, son acquisition et son traitement. Il couvre les types d'images, la compression, les couleurs, les outils d'acquisition comme le scanner et l'appareil photo numérique, ainsi que les bases du traitement d'images.

L’image numérique

Pourquoi deux types d'images ?

Il existe deux principes pour décrire une image numérique :

1) Bitmap

Une image bitmap est un rectangle constitué de points élémentaires appelés pixels, chacun ayant une couleur uniforme. Par exemple, une image en résolution 800 x 600 contient 480 000 pixels. Décrire une image bitmap revient à préciser la couleur de chaque pixel, stockée sous forme binaire dans un fichier précédé d'un en-tête (header) décrivant la méthode utilisée.

Les formats bitmap courants sont :

• BMP : format de base reconnu par la plupart des applications.
• PCD : format des disques Kodak.
• PPD : format Adobe PhotoDeLuxe, multicouche, gourmand en mémoire, utilisé pour le travail plus que pour l'archivage.
• PSD : format Adobe Photoshop, similaire au PPD.
• TIFF : format issu des scanners, souvent lu par PC et Mac, avec version compressée, mais pas toujours interprété de la même façon selon les applications.

Différents formats bitmap existent car il y a plusieurs façons de coder la liste des pixels : lecture simple, classement par couleur, codage par paquet de pixels identiques, etc. Le choix du format peut influencer la taille du fichier.

Avantages des images bitmap :

• Qualité photographique possible.

Inconvénients :

• Fichiers volumineux.
• Agrandissement provoquant un effet de mosaïque (pixels visibles).
• Création difficile à la souris, usage conseillé de périphériques comme scanner ou appareil photo numérique.
• Retouches délicates, effacer un élément crée un « trou ».

2) Vectorielle

Une image vectorielle est composée de figures élémentaires décrites par des données mathématiques (coordonnées, tangentes, etc.). Le fichier décrit ces objets graphiques indépendants les uns des autres.

Les formats vectoriels courants sont :

• WMF : format vectoriel Windows, utilisé dans Microsoft Draw, Word, Excel.
• DRW : format Micrografx, lu par plusieurs applications.
• CDR : format Corel, peu compatible avec d'autres logiciels.
• EPS : format multicouche Postscript, combinant bitmap et vectoriel, volumineux et non visualisable directement.

Avantages des images vectorielles :

• Fichiers de petite taille.
• Images redimensionnables sans perte de qualité, courbes lissées à toute échelle.
• Retouches aisées car les éléments sont indépendants.

Inconvénients :

• Inadaptées aux images complexes comme les photographies.
• Non reconnues par certains navigateurs Internet et logiciels multimédia.

Exemple de différence entre bitmap et vectoriel :

Une image photographique complexe sera mieux représentée en bitmap pour conserver les détails, tandis qu'un logo ou un dessin simple sera plus efficace en vectoriel pour permettre un redimensionnement sans perte.

La compression

Pour réduire la taille des fichiers image, on utilise la compression, qui peut être sans perte ou avec perte de qualité.

• Compression sans perte : Exemple du format TIFF utilisant la compression LZW (ou Packbits). Les pixels de même couleur contigus sont regroupés pour réduire la taille. Plus l'image est simple, plus la compression est efficace.
• Compression avec perte : Deux procédés :
• Réduction du nombre de couleurs : format GIF (256 couleurs), combinant réduction des couleurs et regroupement des pixels identiques.
• Regroupement de pixels aux couleurs proches avec acceptation d'une perte de qualité : format JPEG (JPG). Le taux de compression est réglable, et à 80% de compression, la différence est souvent imperceptible à l'écran.

Les couleurs

1) Image et nombre de couleurs

Le nombre de couleurs d'une image dépend de son encodage, exprimé en bits par pixel :

• 1 bit/pixel : monochrome noir et blanc
• 2 bits/pixel : 4 couleurs
• 4 bits/pixel : 16 couleurs
• 8 bits/pixel : 256 couleurs
• 16 bits/pixel : 65 536 couleurs
• 24 bits/pixel : 16 777 216 couleurs

Remarque : le terme « couleurs » est approximatif, il s'agit plutôt de nuances, pouvant être des nuances de gris. Une image monochrome encodée en 24 bits reste monochrome.

Exemple d'une image représentant un carré noir dans un cadre blanc :

• 2 couleurs : 2 Ko
• 16 couleurs : 6 Ko
• 256 couleurs : 11 Ko
• 16,7 millions de couleurs : 30 Ko

Il est donc conseillé d'encoder une image avec un nombre de couleurs optimal pour limiter la taille du fichier.

2) Particularité des images à 16 et 256 couleurs : les palettes

Pour 1, 2, 16 ou 24 bits, les couleurs des « gobelets » (représentant les couleurs possibles) sont fixes. En revanche, pour 4 et 8 bits, la palette de couleurs peut varier selon l'image. Par exemple, une image en camaïeu de bleu aura une palette de 256 nuances de bleu, tandis qu'une autre en camaïeu de rouge aura une palette de nuances de rouge.

Chaque image 4 ou 8 bits possède donc sa propre palette, ce qui permet d'obtenir une qualité proche des images 16 ou 24 bits dans certains cas.

Pour réduire le nombre de couleurs, plusieurs méthodes existent, comme la fusion de couleurs adjacentes ou des méthodes optimisées.

Conclusion : Le traitement des images demande essais et patience pour concilier qualité et taille du fichier. Les choix dépendent de la destination de l'image (format, compression, nombre de couleurs). La différence entre 32 000 et 16,7 millions de couleurs n'est pas toujours visible sur la plupart des écrans, et les images ont souvent quelques milliers de couleurs.

Les outils d'acquisition

a) Le scanner

Le scanner est un périphérique permettant la numérisation d'images. Il communique avec l'ordinateur via une carte SCSI ou un port USB. Son usage rappelle celui d'un photocopieur. Il sert à acquérir des images numériques pour affichage ou impression, mais aussi à récupérer du texte imprimé.

1) Acquisition d'images

Les scanners utilisent le standard TWAIN, permettant à tout logiciel compatible de reconnaître le scanner, quelle que soit sa marque. L'interface TWAIN propose des paramètres essentiels :

• Mode d'acquisition : choix entre noir & blanc, niveaux de gris, couleurs (8 bits ou 24 bits).
• Résolution : nombre de dpi (dots per inch), généralement entre 72 dpi et plusieurs milliers. Pour écran, 72 dpi suffisent, pour impression, 300 à 600 dpi sont recommandés.
• Échelle : réglage de la taille de l'image obtenue. Passer de 100 % à 200 % multiplie la taille du fichier par 4 (car concerne les longueurs, donc aires). Il vaut mieux augmenter la résolution que l'échelle pour une meilleure qualité.
• Prévisualisation : numérisation brouillon pour sélectionner la zone à numériser.
• Réglages fins : contraste, densité, à affiner de préférence dans un logiciel de retouche.

2) Reconnaissance de caractères (OCR)

Le scanner numérise le document, mais la reconnaissance de caractères est assurée par un logiciel OCR. Pour obtenir un texte exploitable :

• Numériser des documents avec un bon contraste texte/papier (éviter papiers sombres).
• Numériser des textes propres, sans bavures ni liaisons entre lettres.
• Utiliser une résolution d'au moins 300 dpi en noir & blanc.
• Attribuer un caractère spécial (ex. « § ») aux caractères non reconnus pour faciliter la correction.

b) L'appareil photo numérique

1) Introduction

Un appareil photo comprend une surface sensible (capteur), un objectif, un diaphragme et un obturateur. Il faut ajuster le temps d'exposition (durée d'ouverture de l'obturateur) et l'ouverture du diaphragme pour obtenir une exposition correcte. Une ouverture trop grande avec une vitesse lente donne une image sur-exposée, l'inverse une image sous-exposée. Les appareils modernes automatisent ces réglages, avec possibilité de réglage manuel.

2) Surface sensible

Le capteur numérique remplace la pellicule argentique. Il convertit la lumière en image numérique (suite de 0 et 1). Les principaux types de capteurs sont :

• CCD (Charged Coupled Device) : le plus répandu.
• CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) : dérivé du CCD, moins coûteux, faible consommation, mais plus sensible au bruit en faible lumière.
• SuperCCD : évolution du CCD développée par Fujifilm.

3) CCD et résolution

La résolution du capteur, exprimée en millions de pixels, détermine la taille et le détail de l'image finale. Plus la résolution est élevée, plus l'image est détaillée.

Résolution standard	Taille non compressée	Nombre de pixels (MPixels)
640 x 480	900 Ko	0,30 MPixels
800 x 600	1,37 Mo	0,48 MPixels
1024 x 768	2,25 Mo	0,79 MPixels
1280 x 1024	3,75 Mo	1,31 MPixels
1600 x 1200	5,49 Mo	1,92 MPixels
2048 x 1536	9 Mo	3,14 MPixels

4) L’optique : longueur focale

La longueur focale, en millimètres, est la distance entre le plan optique (surface sensible) et le centre optique de l’objectif, pour une mise au point à l’infini. Elle détermine le champ de vision :

• Focale courte (petit chiffre) : champ large.
• Focale longue : téléobjectif, champ étroit.

Les objectifs à focale variable (zoom) permettent de modifier cette distance. La longueur focale est indiquée sur l’objectif (ex. « 50 mm » ou « 6,5 - 19,5 mm »).

5) L’exposition : diaphragme et obturateur

Le diaphragme ajuste la quantité de lumière traversant l’objectif, similaire à l’iris de l’œil. L’ouverture est indiquée par des valeurs normalisées :

1 - 1,4 - 2 - 2,8 - 4 - 5,6 - 8 - 11 - 16 - 22 - 32 - 45...

Plus le chiffre est petit, plus l’ouverture est grande et la lumière importante. Chaque cran fermé divise la lumière par deux.

Les vitesses d’obturation sont aussi normalisées :

2 - 1 - 1/2 - 1/4 - 1/8 - 1/15 - 1/30 - 1/60 - 1/125 - 1/250 - 1/500 - 1/1000...

Chaque passage double ou divise par deux la durée d’exposition. Par exemple, les couples suivants donnent la même exposition :

• f5,6 à 1/250 s
• f8 à 1/125 s
• f4 à 1/500 s

6) La profondeur de champ

La profondeur de champ est la zone de netteté dans une photo. Elle dépend de :

• Plus le diaphragme est ouvert, moins la profondeur de champ est importante.
• Plus la focale est longue, moins la profondeur de champ est importante.
• À focale et ouverture identiques, plus le sujet est proche, moins la profondeur de champ est importante.
• La profondeur de champ s’étend plus vers l’arrière que vers l’avant du plan de mise au point.

En numérique, la profondeur de champ est généralement plus importante qu’en argentique. Pour isoler un sujet sur un fond flou, il faut s’éloigner, utiliser un téléobjectif et un diaphragme grand ouvert avec une vitesse d’exposition rapide.

7) Zoom optique et numérique

Le zoom optique modifie la longueur focale de l’objectif sans perte de qualité. Le zoom numérique, en revanche, recadre et interpole l’image, ce qui dégrade la qualité (artefacts, bruit, effets d’escalier). Il est conseillé d’éviter le zoom numérique.

Traitement

De nombreux logiciels existent pour le traitement d’images, gratuits, libres ou payants, adaptés à tous les niveaux :

• Gratuits : XnView (opérations de base), Photofiltre (bitmap)
• Libres : Gimp (bitmap), Inkscape (vectoriel), Paint.NET (bitmap)
• Payants : VSO (bitmap), Paint Shop Pro (bitmap), Corel Draw (bitmap), Photoshop (bitmap), Illustrator (vectoriel)

Pré-requis pour utiliser un logiciel de retouche :

• Maîtriser l’explorateur Windows (navigation, gestion des fichiers).
• Utiliser la souris et les raccourcis clavier (SHIFT, CTRL, ALT, ALT+TAB).
• Installer et lancer un logiciel.
• Manipuler les fenêtres (déplacer, redimensionner, fermer).

Pour débuter, Paint (inclus dans Windows) est conseillé pour apprendre les bases (insertion de texte, formes, coloriage).

Gérer les images acquises

Les images issues d’un appareil photo ou d’un scanner sont souvent inadaptées pour une utilisation immédiate et doivent être travaillées.

1) Les formats d'images

Le format par défaut de Windows est le bitmap (BMP). Le format par défaut des scanners et appareils photo du lycée est le JPEG. Le format PNG est actuellement très utilisé.

Chaque format a ses avantages et inconvénients (non détaillés ici).

2) Les dimensions d'une image

Les dimensions s’expriment en pixels (pixel = élément d’image). Modifier la taille est possible sans trop perdre en qualité, selon l’usage.

Exemple :

• 600 x 450 pixels
• Poids : 111 Ko
• Format : JPG

Plus la taille est grande, plus le fichier est volumineux. Il est conseillé de ne pas travailler directement sur l’original mais sur une copie pour éviter les pertes irréversibles.

Glossaire des termes clés

• Bitmap : Image constituée de pixels, chaque pixel ayant une couleur définie.
• Pixel : Plus petit élément d’une image numérique.
• Vectorielle : Image composée d’objets graphiques définis mathématiquement.
• Compression : Réduction de la taille d’un fichier image, avec ou sans perte de qualité.
• Palette : Ensemble des couleurs utilisées dans une image 4 ou 8 bits.
• TWAIN : Standard permettant la reconnaissance des scanners par les logiciels.
• OCR (Optical Character Recognition) : Logiciel de reconnaissance optique de caractères.
• Capteur CCD : Dispositif convertissant la lumière en image numérique.
• Longueur focale : Distance entre le plan optique et le centre de l’objectif, déterminant le champ de vision.
• Diaphragme : Mécanisme réglant l’ouverture de l’objectif et la quantité de lumière reçue.
• Obturateur : Mécanisme contrôlant la durée d’exposition à la lumière.
• Profondeur de champ : Zone de netteté dans une photographie.
• Zoom optique : Variation mécanique de la focale sans perte de qualité.
• Zoom numérique : Agrandissement logiciel par interpolation, dégradant la qualité.
• JPEG : Format d’image compressé avec perte.
• PNG : Format d’image compressé sans perte.

Points clés à retenir

• Les images bitmap sont adaptées aux photographies, mais volumineuses et sensibles à l’agrandissement.
• Les images vectorielles sont légères et redimensionnables sans perte, mais inadaptées aux images complexes.
• La compression réduit la taille des fichiers, avec ou sans perte de qualité selon le format.
• Le nombre de couleurs doit être adapté à l’image pour optimiser la taille du fichier.
• Le scanner utilise le standard TWAIN et doit être réglé en fonction de l’usage (écran ou impression).
• Le capteur CCD détermine la résolution et la qualité de l’image numérique.
• La longueur focale et l’ouverture du diaphragme influencent la composition et l’exposition de la photo.
• Le zoom optique est préférable au zoom numérique pour conserver la qualité.
• Les logiciels de traitement d’image nécessitent des connaissances de base en informatique.
• Il est conseillé de travailler sur des copies d’images pour éviter les pertes irréversibles.