Les images numériques

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Acquisition de données

 

Les images numériques

Une image est une représentation dans le plan d'un objet réel. Les images sont omniprésentes dans notre société (dessins, peintures, photographies, etc.). Depuis quelques années, on assiste à une invasion d'images numériques, aussi appelées images "digitales" par emprunt à l'Anglais ("digit" = nombre). Ces images sont constituées d'un très grand nombre de très petits points dont la couleur (ou l'intensité) est définie par des chiffres. Ces points sont appelés "pixels", dérivé de l'anglais "picture elements".

 

Codage des valeurs

Un chiffre par valeur

Dans une image numérique en noir et blanc, chaque pixel a par exemple une valeur conventionnelle de 1 à 10. Les données peuvent être représentées comme une grille de valeurs (exemple de gauche), mais si on décide d'affecter une intensité de gris aux valeurs numériques (1 = noir, 10 = blanc), la grille de chiffres se transforme en image. Les ordinateurs sont prévus pour traiter de manière privilégiée des données numériques codées sur 8 bits. Celles-ci peuvent prendre les valeurs 0 à 255, c'est pourquoi les images numériques sont souvent codées sur 256 niveaux de luminosité, allant du noir (0) au blanc (255). Un gris moyen correspondra donc à une valeur de 127. En fait, l'œil humain n'est pas capable de discerner plus de quelques dizaines de valeurs de gris différents, et l'observateur ne percevra donc aucune discontinuité dans une image codée sur 256 niveaux de gris.

Taille des pixels

Pixels : au plus, au mieux

Une même image peut être représentée par un nombre plus ou moins élevé de pixels. Dans cet exemple, la première image utilise 230x176 pixels, la deuxième image 80x61, et la troisième image 32x24 pixels. On notera que, s'il est toujours possible de reconnaître l'objet dans la troisième image, certains détails, comme les cils, ont disparu.

En augmentant le nombre de pixels couvrant une même image, on réduit bien entendu la taille de chaque pixel (= résolution). La résolution de l'image numérique est le plus souvent exprimée en nombre de pixels par pouce (1 pouce = 2,54 cm). La résolution des images de haut en bas est respectivement de 72, 25 et 10 pixels par pouce. En général, une image de bonne qualité affichée sur un écran d'ordinateur a une résolution d'environ 75 points par pouce, soit environ 3 pixels par millimètre. Au delà de cette limite (c.-à-d. si les pixels sont plus petits), l'œil ne voit plus les pixels individuels et l'image est perçue comme si elle était continue. En fait, les photographies sont également composées d'un très grand nombre de points de petite taille, correspondant aux grains sensibles du film photographique.

Une image numérique en niveaux de gris pourrait être obtenue en juxtaposant un très grand nombre de petits radiomètres enregistrant chacun (dans la partie visible du spectre) l'intensité du rayonnement électromagnétique reçue par chaque pixel. C'est en fait ce que réalisent la plupart des appareils permettant d'obtenir des images numériques (appareils photos numériques, scanners, etc.).

Les secret des couleurs

Dans les exemples précédents, les valeurs numériques codées de 0 à 255 correspondent à des niveaux de gris. Les images numériques résultantes sont donc des images "en noir et blanc", comme aux débuts de la photographie, du cinéma et de la télévision. 
De telles images sont appelées images "panchromatiques" (="toutes les couleurs"). Elles ne renseignent que sur l'intensité globale du rayonnement visible, sans distinction des fréquences (donc des couleurs).
Pour produire des images en couleurs, il faut tenir compte du contenu spectral de la lumière réfléchie par les objets.

La physique permet de démontrer qu'à chaque couleur correspond une fréquence (et une longueur d'onde) précise. Ainsi, la longueur d'onde de la couleur bleue est plus courte que la longueur d'onde de la couleur rouge. Cependant, pour générer des images en couleurs, on a plutôt recours à un artifice, basé sur la manière dont l'œil perçoit les couleurs: les peintres impressionnistes ont montré qu'en juxtaposant de petites touches de couleurs vives, on pouvait évoquer les nuances de teintes les plus subtiles. La théorie de la physique démontre qu'en combinant un pourcentage donné des trois couleurs fondamentales (rouge, vert, bleu), il est possible d'obtenir n'importe quelle couleur du spectre.

Une image numérique en couleurs sera donc créée en analysant séparément les parties du spectre électromagnétique correspondant aux couleurs rouge, verte et bleue (appelées couleurs "fondamentales"). On crée donc 3 images numériques, dont la stricte superposition par transparence (au pixel près) va permettre de recréer une image en couleurs. Si chacune des 3 images "fondamentales" est codée sur 256 niveaux, il est théoriquement possible de synthétiser plus de 16 millions de couleurs (256³).

Sur l'écran d'un ordinateur, plutôt que de superposer 3 images "fondamentales", on va plutôt exploiter le fait que l'œil n'est pas capable de déceler des pixels de très petite taille: un écran couleurs est en fait composé d'un très grand nombre de groupes de 3 points lumineux ou photosites (un rouge, un vert et un bleu), correspondant chacun à un pixel de l'image. Par exemple, si pour un pixel les photosites rouges et bleu sont éclairés au maximum et le photosite vert est éteint, le pixel sera vu en couleur violette. Ce principe s'appelle la synthèse additive (RVB) des couleurs et s'applique à tous les systèmes vidéo en couleur.

En imprimerie par contre, la couleur est obtenue en appliquant des encres qui absorbent certaines parties du spectre de la lumière. On peut obtenir pratiquement toutes les couleurs du spectre en combinant des encres de teinte cyan, magenta et jaune, soit les couleurs complémentaires (opposées) du rouge, vert et bleu, auxquelles on ajoute de l'encre noire pour obtenir des teintes sombres plus denses. Ce modèle est appelé synthèse soustractive (CMJN) des couleurs.

La lumière blanche qui atteint une tache d'encre est composée de toutes les fréquences du spectre visible (du violet au rouge). En traversant la pellicule d'encre, une partie des fréquences est absorbée: l'encre cyan absorbe les fréquences correspondant au rouge, l'encre magenta filtre le vert, et l'encre jaune filtre le bleu. La lumière qui atteint le papier pour y être réfléchie n'est donc plus spectralement homogène et apparaît colorée.

En imprimerie également, on exploite le fait que l'œil ne distingue pas les taches colorées de très petite taille: en imprimant de très petites taches de cyan, magenta et jaune, dans des proportions bien contrôlées, on peut obtenir n'importe quelle couleur du spectre. Pour obtenir des couleurs sombres plus franches, on ajoute de l'encre noire. Toutes les images très richement colorées que l'on trouve dans les livres, sur les affiches, etc. sont donc obtenues avec seulement 4 couleurs différentes !