AstroNat
– G.Grillot - Maj –
Les Formats de Fichiers Graphiques:
Ce document reproduit le texte d'un exposé que j'ai présenté lors d'une réunion de mon association d'astronomie. L'intérêt pour les images numériques grandissant, il me paraissait intéressant de faire un résumé rapide de leurs caractéristiques. Les formats de fichier évoluant sans cesse ce texte ne peut pas être exhaustif, mais il permettra à chacun, je l'espère, d'acquérir un minimum de connaissances pour comprendre la structure des images numériques et l'intérêt de bien choisir un format de fichier, selon son type de codage des couleurs, sa méthode de compression et en fonction de l'utilisation envisagée de l'image.
La dure réalité de l'astrophotographe « numérique »:
Il existe tant de formats de fichier qu'un programme de traitement d'images ne peut pas tous les supporter. Les caméras CCD pour l'astrophotographie permettent d'enregistrer les images sous un format propriétaire en général inconnu par les programmes de traitement d'images. Un utilitaire de traitement et de conversion d'images est souvent fourni et avec un peu de chance, vous pourrez transformer vos précieux fichiers "UN à UN"!!! en un format moins ésotériques tel que: FIT, TIF, BMP... Il reste à trouver LE précieux logiciel de traitement d'images qui acceptera “LA version"!!! de ce format de fichier et qui vous offrira "LE" traitement que vous cherchez...
Qu'est-ce qu'une image informatique (ou électronique):
Quand nous regardons une photo nous la voyons sous la forme d'une surface continue. Pour pouvoir traiter cette image à l’aide d’un ordinateur il va falloir la numériser. C’est à dire découper sa surface en petites zônes que l’on appelle pixel.
Images Bitmap:
Une image peut être considérée comme un tableau de cellules (les pixels) contenant de 1 à 32 bits codant l’information de couleur.
Ce tableau contient Y lignes (hauteur) de X pixels (largeur).
L’astrophotographie utilise des images de ce type.
Images Vectorielles:
Au lieu de sauvegarder tous les pixels d’une image, il peut être utile de stocker une méthode de description de l’image sous forme de fonctions et/ou de vecteurs. On devra alors recalculer l’image avant de la visualiser. Outre un gain éventuel de place, ce type d’image est bien adapté aux plans destinés à la CAO (Construction Assisté par Ordinateur). Ces images peuvent être très facilement adaptées à la taille désirée sans perte de données.
Le codage des couleurs:
Le Soleil émet de nombreuses ondes ou rayonnements électromagnétiques. Ces ondes sont différentes des ondes sonores car elles peuvent se propager dans le vide. Fort heureusement, une faible partie de ce rayonnement parvient jusqu’à nous, la plus grande partie (dangereuse pour la vie) étant absorbée dans les couches supérieures de l’atmosphère. Le domaine de sensibilité de notre vision est inclus dans cette étroite bande de rayonnements.
De tous temps les hommes ont observé les arc-en-ciel qui se forment lorsqu’il pleut et que le Soleil brille, mais c’est Isaac Newton (1642-1727), qui expliqua que la lumière blanche est composée d’un mélange de couleurs et montra que l’on peut, grâce à un prisme, décomposer la lumière blanche et mettre en évidence ses composants:
Violet, Indigo, Bleu, Vert, Jaune, Orange, Rouge. (Environ 400 nm à 800 nm)
C’est ce que l’on appelle le Spectre de la Lumière Blanche.
La Méthode des Peintres:
Les peintres savent depuis longtemps obtenir toutes les nuances de couleur à partir d’un mélange des 3 couleurs primaires: Rouge, Jaune et Bleu.
(voir le cercle chromatique des peintres).
Leur mélange 2 à 2 donnent les couleurs complémentaires: Vert, Violet, Orange.
Le Blanc est obtenu en mélangeant les 3 couleurs primaires.
La Physiologie:
La loi de la Synthèse Trichrome dit qu’il est possible de reproduire une sensation colorée quelconque en mélangeant 3 couleurs bien choisies appelées primaires. Cette loi suggère l’existence dans la rétine de 3 pigments sensibles au Rouge, Vert, Violet. Dès 1802 Young, puis Helmholtz ont avancé cette hypothèse confirmée plus tard par différentes analyses physiologiques et biochimiques.
La Technique :Télévision, Informatique, Imprimerie:
Les systèmes de couleur utilisés sont de type trichrome. On utilise 2 types de méthodes de mélange des couleurs:
Une Méthode Additive:
On ajoute les couleurs primaires au Noir. Plus il y a de couleur, plus on tend vers le Blanc. Les systèmes “additifs” sont des systèmes émissifs. C’est le système de synthèse des couleurs utilisé dans les écrans de télévision ou d’informatique (fond noir).
Le Système RVB (RGB en anglais): - Rouge, Vert, Bleu - est le plus utilisé des systèmes de codage additifs des couleurs dans les fichiers graphiques.
On utilise, en général, 3 octets, soit 24 bits, pour coder une couleur (possibilité de 16 Millions de couleurs différentes).
Chaque octet code pour une composante de couleur Rouge, Vert, Bleu.
Un niveau de gris est obtenu lorsque les 3 octets prennent la même valeur.
Blanc=255,255,255 Noir=0,0,0.
Une Méthode Soustractive:
En théorie: les couleurs primaires sont soustraites du Blanc pour créer de nouvelles couleurs. Plus on soustrait de couleur et plus on tend vers le Noir. On peut aussi dire que le Noir est l’absorption totale de la lumière par les pigments colorés.
Les système “soustractifs” réfléchissent la lumière émise par une source externe. Toutes les images papier (fond blanc) sont un exemple d’utilisation de la méthode soustractives.
Le Système CMJ (CMY) - Cyan, Magenta, Jaune - est le système de codage soustractif des couleurs utilisé en imprimerie (fond du papier blanc) et en photographie. Il est utilisé par les imprimantes couleurs.
Le Cyan absorbe le Rouge.
Le Magenta absorbe le Vert.
Le Jaune absorbe le Bleu.
La couleur résultante correspond à la longueur d’onde de la lumière réfléchie par les pigments.
En général on utilise une 4ème couleur pour l’impression: le Noir. Il est en effet très difficile et très coûteux d’obtenir des encres CMJ très pures et donc un Noir pur sans cet artifice. On obtient donc des systèmes d’impressions en quadrichromie.
On utilise en général 3 octets pour coder une couleur dans ce système (rarement 4). La correspondance avec le système RGB est assez facile à faire.
Blanc=0,0,0 Noir=255,255,255.
La Méthode HSV: (Hue, Saturation, Value)
Cette méthode n’utilise pas un mélange de couleurs pour en créer une nouvelle,
mais modifie les caractères de saturation et d’intensité d’une teinte.
“Hue” représente le code de la “Teinte”, exemple rouge, bleu, orange, jaune, vert...
“Saturation” représente la quantité de Blanc mélangée à la “Teinte” de base. Une couleur saturée à 100% est dite “pure”; elle ne contient pas de Blanc.
“Value” représente la luminosité de la couleur résultante (quantité de Noir).
Cette représentation des couleurs correspond à la manière dont les peintres créent leur palette de couleurs.
La Méthode YUV:
Système de codage utilisé pour la télévision. Ce système est un type particulier de codage RGB.
Y représente la Luminance.
U et V correspondent à la Chrominance.
Intérêt de la compression des images:
Il suffit de quelques chiffres pour comprendre l’intérêt de compresser les images.
- Un écran d'ordinateur peut afficher couramment des images contenant: 640*480, 800*600 ou 1024*768 pixels. Chaque pixel contient 3 ou 4 octets d'information de couleur. Ces images occupent environ de 1,2 Mo (Mega Octets = 10^6 octets) à 3 Mo.
- Si vous numériser une page de taille A4 (21.0*29.7 cm) à la résolution minimale de 300 DPI (300 points par pouce) en 32 bits (4 octets) couleurs. Un pouce valant environ 2.54 cm, vous obtenez environ 29000 pixels, soit environ 110 Mo!!...
Une méthode de compression est donc indispensable pour ne pas encombrer trop vite le disque dur.
Compression Vectorielle:
- Certains formats de fichier, ne contiennent pas le tableau complet des points images, mais seulement un ensemble de fonctions ou de “vecteurs” permettant de redessiner l’image. Ceci peut-être considéré comme une manière de compression.
Compression avec perte de données:
- “JPEG, AVI, MPEG, QuickTime”:
Il faut se méfier des méthodes de compression utilisées dans certains fichiers graphiques. Certains algorithmes (très efficaces par ailleurs pour compresser d'autres types de photos) acceptent une plus ou moins grande perte de données en fonction du taux de compression souhaité.!! Les fichiers de type JPEG utilisent une méthode de compression spatiale avec pertes de données. Tous les formats de fichier vidéo que je connais (MPEG, AVI, QuickTime,..) utilisent des méthodes de ce type.
Ces méthodes sont à proscrire (à mon avis) pour l'astrophotographie, surtout si on souhaite se constituer une base de photos de référence. Ceci réduit donc l'utilisation des camescopes ou des appareils photos numériques en astrophotographie.
Ces méthodes sont néanmoins très efficace pour la compression d’images issues de photographies numérisées. Le JPEG est aussi est un format courant sur Internet.
“Fractales”
- Les méthodes de compression de type "fractale" sont aussi à rejeter pour la même raison.
Compression sans perte de données:
- RLE :
La plus simple, la plus ancienne aussi peut être, code les suites de pixels identiques à l'aide du nuombre de répétitions suivi de la valeur des pixels. Peu efficace.
elle peut être utilisée sous différentes variantes dans les fichiers: BMP, 255, PCX,..
- LZW :
Utilise un codage par chaines de caractères dont la table est reconstruite au fur et à mesure de la lecture du fichier. Très efficace, mais malheureusement, une licence d’utilisation est depuis peu nécessaire pour utiliser cet algorithme.
on l'utilise dans les fichiers: GIF, TIF...
- Huffman (CCITT):
Utilise un codage par tables prédéfinies. Pas de licence nécessaire à son utilisation.
On l’utilise dans certains fichiers TIF et pour les transmissions de Fax.
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Les Formats de Fichiers Graphiques:
Il existe un nombre impressionnant de format de fichier graphique et il n’est pas question de tous les citer. Chaque format possède ses avantages et ses inconvénients et répond parfaitement aux besoins de certains utilisateurs. Aucun format ne peut être universel et il convient de choisir son format graphique en fonction de l’utilisation prévue de l’image. Passons en revue quelques-uns des principaux formats existants.
Formats courants:
Bien que peu utilisés en astrophotographie, ces formats sont courants et potentiellement utiles.
- EPS:
Format de fichier vectoriel standard pour l’impression professionnelle. C’est le plus fiable. Tous les programmes de PAO peuvent importer des fichiers EPS.
- PDF:
Format créé par Adobe, il préserve les informations vectorielles et bitmap. Très utilisé pour les travaux d’impressions professionnels. Les manuels d’utilisation des logiciels sont maintenant fournis sur CD-ROM sous ce format. Ce format est lisible sous PC et MAC.
- WMF:
Cité ici pour mémoire, c’est le format vectoriel et bitmap de windows. Il ne présente aucun intérêt pour l’astrophotographie.
- PCX:
Un ancien format qui ne supporte que 256 couleurs au maximum. Sa méthode de compression est simple et sans perte de données (RLE).
Les Formats pour l’Astrophotographie:
-GIF:
Le format des images Web, malheureusement limité à 256 couleurs ou niveaux de gris. Son mode de compression LZW sans perte de données lui permet d’être utilisé en astrophotographie. Malheureusement la licence d’utilisation de l’algorithme LZW limite actuellement son utilisation. Son entête prévoit la présence de zone de texte et permet donc d’enregistrer les conditions de prise de vue pour faciliter l’archivage.
-PNG:
Alternative au format GIF. Pas de limite sur le nombre de couleur (48 bits), il supporte aussi les échelles de gris sur 16 bits. Mode de compression efficace sans perte de données et sans licence. On peut enregistrer des informations de type texte. Un choix possible si on trouve le programme supportant ce type de fichier.
-PICT:
Format bitmap et vectoriel en environnement Mac uniquement.
-BMP (ou DIB):
Format natif d'images de Windows. En général, non compressé. Il n’a pas de limite de couleur. Mais il existe de nombreuses versions de ce format qui a évolué avec le temps. Certaines versions ne sont pas supportées par les programme de traitement d’images. Il vaut mieux, par exemple éviter d’enregistrer une image avec une profondeur de 16 bits de couleur. Aucune informations de type texte n’est enregistrable.
-TIF:
Format Bitmap supporté par un grand nombre de programme de traitement d’images Mac et PC. Il accepte de nombreux mode de compression dont LZW et Huffman très efficaces. Attention, les dernières versions proposent aussi la compression JPEG: à éviter en astrophotographie (voir ci-dessus)!!! Le nombre de couleurs n’est pas limité. Son entête prévoit l’enregistrement d’éléments de texte. Ceci peut être utile pour enregistrer les conditions de prise de vue d’une photo et faciliter l’archivage. Mais peu de programme d’image permette de créer ces zones de texte.
-FIT:
C’est le format “astro” professionnel par excellence. Ses spécifications sont maintenues par la Nasa. Il faut savoir qu’un fichier FIT peut aussi contenir d’autres types de données que des images. Il ne supporte que les images en niveaux de gris et sans compression!!! Mais il est le seul à accepter des échelles de gris codées de 8 à 32 bits!!
Son entête permet d’enregistrer les conditions de prise de vue et facilite l’archivage.
De plus en plus de logiciels dédiés au traitement photo CCD acceptent ce format.
- Les formats propriétaires des caméras astro CCD:
Chaque fabricant de caméra CCD a créé son format d’images. On trouve des fichiers très simples ne contenant que le tableau de bits de l’image (type ST4), ou des fichiers beaucoup plus complet (type 255) avec un entête complet décrivant les conditions de prise de vue.
Le choix d’un format de fichier:
Aucun format n’est universel, le choix se fera en fonction de l’utilisation prévue de l’image.
Quelques éléments de choix pour l’astrophotographie:
- Nombre de Couleurs ou de Niveaux de gris supportés.
Les traitements d'image à partir des fichiers acceptant une profondeur de couleur plus importante seront beaucoup plus précis.
- Possibilité d’enregistrer les conditions de prises de vue sous forme de texte.
Capital pour l’archivage. N’est pas forcément proposé par le programme créant le fichier, en particulier pour le format TIF lors d’une conversion.
- Type de Compression SANS perte de données
Indispensable pour les photos de référence de carte du ciel.
- Le fichier est-il reconnu par le logiciel de traitement d’image.
Certains formats récemment apparus (PNG) ou d’utilisation spécifique (FIT) ne sont pas lus par les programmes de traitement d’images. Les logiciels dédiés aux traitements astro reconnaissent le format FIT.
Remarques:
Il faut savoir que le codage RVB, (8 bits par composante) des fichiers images (BMP, GIF, PNG, TIF ...). est limité à 256 niveaux de gris. En effet, pour obtenir un gris pur les 3 composantes Rouge, Vert et Bleu doivent avoir la même valeur. On perd donc des informations en transformant les images CCD 16 bits (65536 niveaux de gris) en fichiers 8 bits (256 niveaux de gris).
Une version du format BMP permet l’enregistrement d’images avec une profondeur de 16 bits de couleurs. On n’a alors que 5 bits disponibles par composantes Rouge, Vert, ou Bleu, c’est à dire seulement 32 niveaux de gris possibles !!!.
Le format BMP étant le format d'affichage de Windows, on ne peut donc pas afficher plus de 256 niveaux de gris sur un écran. Pour dépasser cette limite, il n’y a que l'utilisation d'images en "fausses couleurs".
Quelques formats de fichiers à utiliser de préférence:
- Enregistrement des conditions de prise de vue:
Indispensable pour l’archivage des photos. Le format BMP ne permet pas d’enregistrer les conditions de prise de vue. Les autres formats permettent potentiellement de le faire à condition de trouver LE programme proposant cette option.
- Images à Niveaux de Gris:
- 8 bits: FIT, TIF, PNG, GIF, BMP.
- 16 bits: FIT, PNG.
- 32 bits: FIT.
- Images Couleurs:
- 8 bits: (256 couleurs ou moins) TIF, PNG, GIF, BMP
- 24 bits: TIF, PNG, BMP
- Images pour le Web:
GIF, PNG, JPG: l’important est ici, la vitesse de chargement et l’universalité du format. On acceptera la perte de définition du mode de compression JPEG.