Préparation TP Images numériques Perception et synthèse de

Préparation TP Images numériques
Perception et synthèse de couleurs
La couleur est une sensation qui se construit dans l’œil et le cerveau, à partir du spectre de la lumière reçue. Dans l’œil,
l’image du monde observé est formée sur la rétine, une matrice de nombreux petits capteurs appelés cônes et bâtonnets; ce
sont les cônes, en particulier, qui produisent la sensation de couleur. Toutefois, de l’immense variété des spectres lumineux
possibles, l’œil humain ne récupère qu’une petite quantité d’information. Il existe en effet trois sortes de cônes dans la
rétine, qui absorbent plutôt la lumière rouge, verte ou bleue, respectivement. La figure ci-dessous présente les réponses
spectrales des trois types de cônes, ainsi que la réponse spectrale des bâtonnets.
Ainsi, la sensation colorée est construite à partir de trois données seulement : R, V et B. Si on excite les cônes rouges, verts
et bleus, en même temps, avec une forte intensité, la rétine est excitée sur la totalité de son domaine spectral de
sensibilité. Le cerveau voit alors du blanc, si bien que l'on peut écrire : Blanc = R + V + B. De la même manière, si l’on excite
fortement les cônes rouge et vert, mais pas le bleu, on obtient une nouvelle sensation de couleur qui est le jaune. Si l’on
excite seulement les cônes bleu et vert, on obtient une autre sensation, celle de la couleur cyan. Enfin, si l’on excite les
cônes bleu et rouge seulement, on obtient la sensation de magenta.
De façon générale, on parle de synthèse additive pour décrire l’apparition de nouvelles sensations de couleur lorsqu’on
superpose des lumières colorées. En pratique, un écran d’ordinateur ou de télévision se contente de réaliser des mélanges
des trois couleurs primaires de la synthèse additive.
Capteurs photographiques
Un capteur photographique est un composant électronique photosensible servant à convertir un rayonnement
électromagnétique (UV, visible ou IR) en un signal électrique analogique (tension électrique). Ce signal est ensuite amplifié,
puis numérisé par un convertisseur analogique-numérique et enfin traité pour obtenir une image numérique. Le capteur est
donc le composant de base des appareils photo numériques, l'équivalent de la pellicule en photographie argentique.
Le capteur photographique met à profit l'effet photoélectrique, qui permet aux photons incidents d'arracher des électrons
à chaque élément actif d'une matrice de capteurs élémentaires constitués de photodiodes (photosite). Deux grandes
familles de capteurs sont disponibles : les capteurs CCD et les capteurs CMOS.
Naturellement, ces capteurs sont sensibles à l'ensemble du spectre de la lumière visible. Grâce à un filtre constitué de
cellules colorées des couleurs primaires de la synthèse additive, chaque photosite du capteur ne voit qu'une seule couleur :
rouge, vert ou bleu. Sur chaque groupe de quatre photosites on trouve un filtre pour le bleu, un pour le rouge et deux pour le
vert, cette répartition correspondant à la sensibilité de notre vision.
Filtre de Bayer
Images numériques
Le terme image numérique désigne toute image (dessin, icône, photographie…) acquise, créée, traitée et stockée sous forme
binaire. On distingue les images vectorielles et les images matricielles.
Dans une image vectorielle les données sont représentées par des formes géométriques simples qui sont décrites d'un point
de vue mathématique. Par exemple, un cercle est décrit par une information du type (cercle, position du centre, rayon,
couleur). Ces images sont essentiellement utilisées pour réaliser des schémas ou des plans. Elles occupent peu de place en
mémoire et peuvent être redimensionnées sans perte d’information.
Une image matricielle est un tableau de points ou pixels. Ce type d’image est caractérisé par :


sa définition c'est-à-dire le nombre de pixels qui la composent en hauteur et en largeur (par exemple « 200 x 450 »)
sa résolution c'est-à-dire le nombre de pixels par unité de longueur (par exemple « 72 pixels par pouce (ppp) » soit
en anglais « 72 pixels per inch (ppi) »). La résolution définit le degré de détail de l’image. Plus elle est élevée,
meilleure est l’image. En contrepartie, plus lourd est le fichier.
Codage de l’information
L'information est codée en binaire : un même élément peut se trouver dans 2 états différents stables. Il constitue une
mémoire élémentaire ou bit (de l’anglais binary digit). Conventionnellement on attribue le symbole 0 à l'un de ces deux états
et le symbole 1 à l'autre.
A l’aide d’un bit on a donc deux possibilités : 0 ou 1 (ouvert ou fermé, noir ou blanc). A l’aide de deux bits on a deux fois
deux soit quatre possibilités : 00, 01, 10, 11. A l’aide de trois bits, on en a 2x2x2 soit 23=8 possibilités. Avec huit bits (un
octet) on a 28 soit 256 possibilités.
En général, l’information est regroupée par groupe de 8, 16, 24, 32 ou 64 bits c'est-à-dire 1, 2, 3 ou 4 octets.
Si chaque pixel est codé sur un bit, on a une image en noir et blanc (0 pour noir et 1 pour blanc).
Si chaque pixel est codé sur deux bits on a quatre niveaux de gris (noir, gris foncé, gris clair et blanc). En général on code
chaque pixel sur 8 bits ce qui offre 256 niveaux de gris.
Pour une image en couleur, chaque pixel est codé sur trois octets, chaque octet correspondant à l’une des couleurs
fondamentales de la synthèse additive. C’est le codage RVB (RGB en anglais) qui offre donc 2563 couleurs possibles (soit plus
de 16 millions de couleurs).
Les bases décimale, binaire et hexadécimale
L’électronique numérique, basée sur la logique booléenne, travaille en base 2, dans laquelle deux symboles suffisent : 0 et 1.
Nous utilisons dans notre vie quotidienne le système décimal. Il est donc indispensable de convertir nos données en bases 2.
La lecture de données binaires étant rapidement fastidieuse, on utilise également le système hexadécimal, basé sur 16
symboles. Le tableau ci-dessous donne la représentation des nombres de 0 à 15 dans ces trois bases.
Base 10
Base 2
Base 16
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Pour convertir un nombre binaire en nombre décimal, on procède comme suit :
27
26
25
24
23
22
21
20
0
1
0
0
1
1
0
1
A
B
C
D
E
F
Le nombre binaire 01001101 est donc égal à 26+23+22+20 soit 64+8+4+1 c'est-à-dire 77.
Inversement, pour convertir un nombre décimal en binaire, on fait une suite de divisions
euclidiennes (ou division entière) le résultat étant la juxtaposition des restes. Pour
reprendre l’exemple précédent on a la suite de divisions indiquée ci-contre. Le nombre
décimal 77 a donc pour valeur binaire : 1001101
Pour convertir un nombre binaire en hexadécimal, on regroupe les bits par quatre en
commençant par la droite. Par exemple le nombre binaire 10110111 est converti en hexadécimal comme suit en utilisant le
premier tableau
Binaire
Hexadécimal
1011 0111
B
7
Questions
-Compléter le schéma ci-contre en indiquant les couleurs primaires et secondaires de la
synthèse additive.
-Relever les analogies entre le fonctionnement de l’œil et celui des capteurs
photographiques.
-Calculer le nombre de pixels d’une image dont la définition est 200x450.
-Quelle sera sa taille, en centimètres, si sa résolution est 72 ppp ?
-Quel sera son poids, si elle est codée en 256 niveaux de gris ? Exprimer le résultat en octets et en kilo-octets.
-Mêmes questions si chaque pixel est codé en 24 bits ?
-Compléter le tableau :
2
100110110101(2)
1573(10)
C3F4(16)
10
16