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PARI 51Images Numériques

Par : Bernard Besserer

Cours #1 : Images numériques, capture et restitution

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Cours #1

! Définitions et généralités sur les images numériques

! Capture des images numériques– Capteurs CCD– La capture d'images couleurs

! Restitution des images

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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

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Types d’Images : images vectorielles

! Images vectorielles– Description à l’aide de courbes et

d’équations mathématiquesle segment est la primitive de base

– Manipulations (changement taille, modifications géométriques)

– Poids réduit– Ex: PostScript, PDF, Macromedia

Flash, SVG

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Utilisation des images vectorielles

! Utilisation :dessin, CAO, police de caractères, cartographie (organisation par couches - layers)

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Types d’images : images bitmap

! Images bitmap – Description à l’aide d’une matrice

de points– Ex: fichiers BMP, PNG, JPEG,…

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Représentation mathématique

! Mathématiquement, on peut représenter une image comme une fonction bidimensionnelle de l'intensitéf(x,y), avec x et y les coordonnées du point et f au point (x,y) la luminositéde 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)

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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

(224 = 16 millions de nuances de couleurs)

! Dynamique– nombre de bits par composante, par exemple 8 bits par

composante = 256 valeurs possibles

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Taille de l'image vs résolution

! Variation de la taille d'image en gardant la dimension physique constante = modification de la résolution

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Représentation en monochrome

! 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

00 1

0 255

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Capture d'images

! Principe du capteur CDD (Charge CoupledDevice)– Fonctionnement– Différents types de capteurs CCD– Artefacts des capteurs CCD– Capture d'images couleurs

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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

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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

Document

Capteur

Document

Capteur

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Caméra = capteur + objectif

! Une caméra ou un APN (Appareil Photo Numérique), c’est un capteur mais aussiun objectif

! Projection d’un point del’espace 3D sur une surface 2D

! Modèle pinhole :

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Longueur focale

! Relation élémentaire entre la surface du capteur, la longueur focale et l’angle d’ouverture.

! A taille de capteurfixe :

! A focale fixe :

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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.

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Principes d'un capteur CCD

! La principale difficulté est dans la lecture de la matrice. Elle s'effectue séquentiellement.

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Lecture des informations

! Exemple de lecture des charges

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Transfert des charges

! Le transfert des charges est appelébucket brigade(chaîne de seau).

! Il faut évacuer les charges électronique "sans les mélanger"

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CDD 3 phases

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CCD 2 phases

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Animation du transfert de charges

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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).

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Le traînage vertical

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Exemple (video miniDV amateur)

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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 àmémoire 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).

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Types de capteur CCD : interligne

! 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)

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Transfert des charges en 4 étapes

direction du décalage

direction du décalage

direction du décalage

signal de sortie analogique

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Architecture des capteurs CCD

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Représentation en couleurs

! 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

! Couleurs indexées– Palette – Max. 256 couleurs

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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.

* Notation :

V pour Vert ou bien

G pour Green

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Acquisition 3CCD

! Séparer les composantes avec des filtres :Caméra professionnelle tri-tube ou tri CCD

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Acquisition couleur monocapteur

! Pour faire de la couleur avec un seul capteur CCD, les éléments sensibles sont recouvert d’une mosaïque : le filtre de Bayer

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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

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Acquisition couleur monocapteur

! Les artéfacts du filtre de Bayer : aliasing couleur.

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Acquisition couleur monocapteur

! 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

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Taille des capteurs CCD

! Les capteurs CCD sont petits !

! La « dimension » des capteursCCD est donné selon une équivalenceobsolète (tubes vidicon télévision 1/2", ¾",… )

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Restitution des images

! Ecran CRT (Cathode Ray Tube)! Ecran LCD TFT! Imprimantes jet d'encre

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Stockage Numérique

! 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

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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

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Restitution sur CRT (Cathode Ray Tube)

! Restitution de l’image sur tube cathodique

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Restitution sur CRT

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Principe des cristaux liquides

! La lumière est polarisé.En l'absence de tension (repos), les CL sont arrangés hélicoïdalement.La lumière est transmise.

! Lorsqu'on applique une tension, les cristaux s'ordonnent. La polarisation ne change plus, la zone devient opaque

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Ecrans plats TFT

! Pour un écran dit TFT (Thin Film Transistor), chaque pixel est "piloté" par un transistor.

! L'écran est donc de résolution physique fixe

! Il peut arriver que des pixels soient défectueux

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Imprimantes jet d'encre

! Principe : projection de micro-gouttelettes d'encre! La résolution atteinte dépends aussi de l'encre et du papier

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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 couleurest dénommé CMYK(Cyan MagentaYellow blacK)

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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)