La méthode de codage utilisée lors de la numérisation de l'image détermine quelle est l'image numérique résultante.

détermine le "format de fichier" de l'image numérique résultante. La quantité de données d'image obtenues après numérisation est très importante et la technologie de codage doit être utilisée pour compresser la quantité d'informations ; dans un certain sens, la technologie de codage et de compression est la clé de la transmission et du stockage des images ; Afin de normaliser la compression d'images, l'Union internationale des télécommunications, l'Organisation internationale de normalisation ISO et la Commission électrotechnique internationale CEI ont formulé et continuent de formuler une série de normes internationales pour le codage d'images fixes et animées. Les normes approuvées incluent principalement la norme JPEG, Norme MPEG, attente H.261.

L'environnement d'exploitation de ce tutoriel : système Windows 7, ordinateur Dell G3.

La méthode d'encodage utilisée dans le processus de numérisation de l'image détermine le « format de fichier » de l'image numérique résultante.

La numérisation d'images est le processus de conversion d'images analogiques avec une distribution continue des valeurs de distribution spatiale et de luminosité en images numériques qui peuvent être traitées par ordinateurs par échantillonnage et quantification.

Le processus de conversion d'une image en une forme pouvant être traitée par un ordinateur - une image numérique.

Le processus spécifique de numérisation d'images

Pour traiter des images dans un ordinateur, les images réelles (photos, images, livres, dessins, etc.) doivent d'abord être numérisées dans un format d'affichage et de stockage acceptable pour l'ordinateur, puis utilisez ensuite un ordinateur pour l'analyse et le traitement. Le processus de numérisation des images se divise principalement en trois étapes : l’échantillonnage, la quantification et l’encodage.

Échantillonnage

L'essence de l'échantillonnage est le nombre de points utilisés pour décrire une image. La qualité des résultats d'échantillonnage est mesurée par la résolution de l'image mentionnée ci-dessus. En termes simples, une image continue dans un espace bidimensionnel est divisée en une structure de réseau rectangulaire à intervalles égaux dans les directions horizontale et verticale, et les petits carrés formés sont appelés pixels. Une image est échantillonnée en un ensemble fini de pixels. Par exemple : une image avec une résolution de 640*480 signifie que l'image est composée de 640*480=307200 pixels.

Comme le montre l'image ci-dessous, l'image de gauche est l'objet à échantillonner et l'image de droite est l'image échantillonnée. Chaque petite grille est un pixel.

La fréquence d'échantillonnage fait référence au nombre d'échantillons en une seconde, qui reflète la taille de l'intervalle entre les points d'échantillonnage. Plus la fréquence d'échantillonnage est élevée, plus les échantillons d'images obtenus sont réalistes et plus la qualité de l'image est élevée, mais plus la quantité de stockage requise est importante.

Lors de l'échantillonnage, la sélection de la taille de l'intervalle du point d'échantillonnage est très importante. Elle détermine dans quelle mesure l'image échantillonnée peut véritablement refléter l'image originale. D’une manière générale, plus l’image est complexe et plus les couleurs de l’image originale sont riches, plus l’intervalle d’échantillonnage doit être réduit. Puisque l'échantillonnage d'images bidimensionnelles est une généralisation d'images unidimensionnelles, selon le théorème d'échantillonnage des signaux, pour restituer avec précision des images à partir d'échantillons d'échantillonnage, le théorème de Nyquist d'échantillonnage d'images peut être obtenu : la fréquence d'échantillonnage d'images doit être supérieur ou égal à Deux fois la composante de fréquence la plus élevée de l’image source.

La fréquence d'échantillonnage fait référence au nombre d'échantillons par seconde, qui reflète l'intervalle entre les points d'échantillonnage. Plus la fréquence d'échantillonnage est élevée, plus les échantillons d'images obtenus sont réalistes et plus la qualité de l'image est élevée, mais plus la quantité de stockage requise est importante.

Lors de l'échantillonnage, la sélection de la taille de l'intervalle du point d'échantillonnage est très importante. Elle détermine dans quelle mesure l'image échantillonnée peut véritablement refléter l'image originale. D’une manière générale, plus l’image est complexe et plus les couleurs de l’image originale sont riches, plus l’intervalle d’échantillonnage doit être réduit. Puisque l'échantillonnage d'images bidimensionnelles est une généralisation de l'échantillonnage unidimensionnel, selon le principe d'échantillonnage des signaux, pour restituer avec précision des images à partir d'échantillons d'échantillonnage, le théorème de Nyquist d'échantillonnage d'images peut être obtenu : la fréquence d'échantillonnage d'images doit être supérieure supérieur ou égal à Deux fois la composante de fréquence la plus élevée de l’image source. [3]

Quantisation

La quantification fait référence à la plage de valeurs à utiliser pour représenter chaque point après l'échantillonnage de l'image. Le résultat de la quantification est le nombre total de couleurs que l'image peut accueillir, ce qui reflète la qualité de l'échantillonnage.

Par exemple : Si un point est stocké en 4 bits, cela signifie que l'image ne peut avoir que 16 couleurs ; si un point est stocké en 16 bits, il y a 216=65536 couleurs. Par conséquent, le nombre de bits de quantification devient de plus en plus grand, ce qui signifie que l'image peut avoir plus de couleurs, ce qui peut naturellement produire des effets d'image plus détaillés. Cependant, cela prendra également plus d’espace de stockage. Le problème fondamental pour les deux est le compromis entre les effets visuels et l’espace de stockage.

Supposons qu'il existe une photo en niveaux de gris en noir et blanc. Étant donné que ses changements en niveaux de gris sont continus dans les directions horizontale et verticale, on peut considérer qu'elle comporte d'innombrables pixels et que la valeur en niveaux de gris à tout moment va du noir au blanc. nombre infini de valeurs possibles. Cette image simulée peut être décomposée en un nombre fini approximatif de pixels par échantillonnage à intervalles égaux le long des directions horizontale et verticale, et la valeur de chaque pixel représente l'échelle de gris (luminosité) du pixel. Quantifiez l'échelle de gris afin que sa valeur devienne un nombre limité de valeurs possibles.

Une image obtenue grâce à un tel échantillonnage et quantification est un nombre limité de pixels qui sont discrètement répartis dans l'espace et un nombre limité de valeurs discrètes possibles en valeur de gris, ce qu'on appelle une image numérique. Tant qu'il y a suffisamment de points d'échantillonnage horizontaux et verticaux et que le nombre de bits de quantification est suffisamment grand, la qualité de l'image numérique ne sera pas inférieure à celle de l'image analogique originale.

Le nombre de valeurs discrètes déterminées lors de la quantification est appelé la série de quantification. Le nombre de chiffres binaires requis pour représenter la valeur de couleur quantifiée (ou valeur de luminosité) est appelé longueur du mot de quantification. Généralement, des longueurs de mot de quantification de 8 bits, 16 bits, 24 bits ou plus peuvent être utilisées pour représenter la couleur de. l'image ; plus la longueur du mot de quantification est grande, plus elle peut refléter fidèlement la couleur de l'image originale, mais la capacité de l'image numérique résultante sera également plus grande.

Par exemple : dans la figure ci-dessous, la courbe (figure de droite) de la valeur de gris de l'image continue le long du segment de ligne AB (figure de gauche), la valeur du blanc est la plus grande et la valeur du noir est la plus petite.

Premier échantillonnage : l'échantillonnage est effectué à intervalles égaux le long du segment de droite AB. Les valeurs échantillonnées sont distribuées en continu en valeur de gris, comme le montre l'image de gauche ci-dessous ; la valeur de gris est ensuite numérisée (8 niveaux d'échelle de gris), comme indiqué sur le côté droit de l'image ci-dessus.

Codage par compression

La quantité de données d'image obtenues après la numérisation est très énorme et la technologie de codage doit être utilisée pour compresser la quantité d'informations. Dans un certain sens, la technologie de codage et de compression est la clé de la transmission et du stockage des images. Il existe de nombreux algorithmes de codage matures appliqués à la compression d’images. Les plus courants incluent le codage prédictif d'image, le codage par transformation, le codage fractal, le codage par compression d'image par transformation en ondelettes, etc.

Lorsqu'une compression à haut débit est requise pour les informations d'image transmises ou stockées, une technologie de codage d'image complexe doit être adoptée. Cependant, sans une norme commune comme base, différents systèmes ne peuvent pas être compatibles. À moins que les détails de chaque méthode de codage soient exactement les mêmes, la connexion entre les systèmes sera très difficile.

Afin de standardiser la compression d'images, après les années 1990, l'Union internationale des télécommunications (UIT), l'Organisation internationale de normalisation ISO et la Commission électrotechnique internationale CEI ont développé et continuent de développer une série de normes internationales pour le codage d'images fixes et animées. , les normes approuvées incluent principalement la norme JPEG, la norme MPEG, H.261, etc.

Comparaison d'encodage

Format de fichier image BMP

BMP est un format de fichier image indépendant des périphériques matériels et très largement utilisé. Il utilise un format de stockage bitmap et n'utilise aucune autre compression à l'exception de la profondeur d'image facultative. Par conséquent, le fichier BMP prend beaucoup de place.

La profondeur d'image des fichiers BMP peut être sélectionnée parmi lbit, 4 bits, 8 bits et 24 bits. Lorsque les fichiers BMP stockent des données, les images sont numérisées de gauche à droite et de bas en haut. Étant donné que le format de fichier BMP est une norme pour l'échange de données liées aux graphiques dans l'environnement Windows, tous les logiciels graphiques et d'images exécutés dans l'environnement Windows prennent en charge le format d'image BMP.

Un fichier image BMP typique se compose de trois parties : la structure de données d'en-tête du fichier bitmap, qui contient le type de fichier image BMP, le contenu d'affichage et d'autres informations ; la structure de données d'informations bitmap, qui contient la largeur, la hauteur et la méthode de compression ; de l'image BMP et définir des informations telles que la couleur.

Format de fichier image PCX

La formation des fichiers image PCX nécessite un processus de développement. Le premier prototype de PCX est apparu dans un logiciel commercial de peinture appelé PC PAINBRUSH lancé par ZSOFT. Plus tard, Microsoft l'a transplanté dans l'environnement Windows et est devenu une sous-fonction du système Windows.

Premier largement utilisé dans Microsoft Windows 3.1 Avec la popularité et la mise à niveau de Windows, associés à ses puissantes capacités de traitement d'image, PCX, ainsi que les formats de fichiers image GIF, TIFF et BMP, sont utilisés par de plus en plus d'images graphiques. Grâce aux outils logiciels, il a également reçu de plus en plus d'attention de la part des gens. PCX est le premier format de fichier à prendre en charge les images couleur et prend désormais en charge jusqu'à 256 couleurs.

Les concepteurs de PCX ont eu la vision d'introduire le format de fichier image couleur à l'avance, ce qui en fait désormais un format de fichier image très populaire. Les fichiers image PCX se composent d'un en-tête de fichier et de données d'image réelles. L'en-tête du fichier se compose de 128 octets et décrit les informations de version et la résolution horizontale et verticale du dispositif d'affichage d'image, ainsi que des informations telles que la palette de couleurs : dans les données d'image réelles, il représente le type de données d'image et le type de couleur.

Les données des fichiers image PCX sont des données d'image compressées à l'aide de la technologie PCXREL. PCX est le format de fichier image pour PC Paintbrush. La profondeur d'image du PCX peut être sélectionnée entre 1, 4 et 8 bits. Étant donné que ce format de fichier est apparu plus tôt, il ne prend pas en charge les vraies couleurs. Les fichiers PCX utilisent le codage de longueur d'exécution RLE et le corps du fichier stocke les données d'image compressées.

Par conséquent, lors de l'écriture des données d'image collectées au format de fichier PCX, elles doivent être codées RLE : et lors de la lecture d'un fichier PCX, il doit d'abord être décodé RLE avant un affichage et un traitement ultérieurs.

Format de fichier image TIFF

Le fichier image TIFF (TaglmageFileFormat) est un format de fichier image relativement courant développé par Aldus et Microsoft pour les systèmes de publication assistée par ordinateur. Le format TIFF est flexible et modifiable et définit quatre formats différents : TIFF-B convient aux images binaires ; TIFF-G convient aux images en niveaux de gris en noir et blanc ; TIFF-P convient aux images couleur avec une palette ; R convient aux images RVB en vraies couleurs.

TIFF prend en charge plusieurs méthodes d'encodage, notamment la compression RVB non compressée, la compression RLE et la compression JPEG. TIFF est le plus complexe des formats de fichiers image existants. Il est évolutif, pratique et modifiable et peut être fourni aux programmes d'édition d'images exécutés dans des environnements tels qu'IBM PC.

Un fichier image TIFF est constitué de trois structures de données, à savoir l'en-tête du fichier, un ou plusieurs répertoires appelés IFD contenant des pointeurs de marque, et les données elles-mêmes. La première structure de données d'un fichier image TIFF est appelée Image File Header ou IFH.

Cette structure est la seule partie avec une position fixe dans un fichier TIFF ; le répertoire du fichier image IFD est un bloc d'informations avec une longueur d'octet variable. La marque Tag est la partie centrale du fichier TIFF, et les informations requises sont définies dans. le répertoire du fichier image. Tous les paramètres de l'image sont utilisés. Chaque entrée du répertoire contient un paramètre de l'image.

Format de fichier GIF

GIF (Graphics Interchange Format) signifie à l'origine « format d'échange d'images » et est un format de fichier image développé par CompuServe en 1987. Les données du fichier GIF sont un format de compression sans perte en ton continu basé sur l'algorithme LZW. Son taux de compression est généralement de l’ordre de 50%, et il n’appartient à aucune application. Presque tous les logiciels pertinents le prennent actuellement en charge, et il existe un grand nombre de logiciels du domaine public qui utilisent des fichiers image GIF.

Les données des fichiers image GIF sont compressées et des algorithmes de longueur variable et d'autres algorithmes de compression sont utilisés. Par conséquent, la profondeur d'image du GIF varie de 1 bit à 8 bits, c'est-à-dire que GIF prend en charge jusqu'à 256 couleurs d'images.

Une autre caractéristique du format GIF est qu'il peut stocker plusieurs images couleur dans un seul fichier GIF. Si les multiples données d'image stockées dans un fichier sont lues une par une et affichées à l'écran, elles peuvent former une image couleur ultime. Animations simples.

Le décodage GIF est plus rapide car les images GIF sont stockées dans des lignes entrelacées et peuvent être numérisées en quatre passes lors du décodage et de l'affichage en même temps. Bien que le premier scan n’ait montré qu’un huitième de l’image entière et que le deuxième scan n’en ait montré qu’un quart, il montrait déjà une vue d’ensemble de l’image entière.

Lors de l'affichage d'images GIF, les images entrelacées vous donneront l'impression qu'elles semblent s'afficher plus rapidement que les autres images. C'est l'avantage des images entrelacées.

Format de fichier JPEG

JPEG est l'abréviation de Joint Photographic Experts Group (Joint Photographic Experts Group). Le suffixe de fichier est ".jpg" ou ".jpeg". et est contrôlé par un logiciel développé par la Fédération de développement, il s'agit d'un format de compression avec perte qui peut compresser les images dans un petit espace de stockage. Les données répétées ou sans importance dans l'image seront perdues, endommageant ainsi facilement les données de l'image.

En particulier, l'utilisation d'un taux de compression trop élevé réduira considérablement la qualité de l'image récupérée après la décompression finale. Si vous recherchez des images de haute qualité, il n'est pas conseillé d'utiliser un taux de compression trop élevé. Cependant, la technologie de compression JPEG est très avancée. Elle utilise une compression avec perte pour supprimer les données d'image redondantes et peut afficher des images très riches et vives tout en atteignant des taux de compression extrêmement élevés. En d'autres termes, elle peut utiliser le moins d'espace disque pour obtenir des images plus vives. . Bonne qualité d'image.

Et JPEG est un format très flexible qui a pour fonction d'ajuster la qualité de l'image, permettant de compresser les fichiers avec différents taux de compression, et prend en charge plusieurs niveaux de compression. Le taux de compression est généralement compris entre 10:1 et 40:1. le taux de compression, plus la qualité est faible ; à l’inverse, plus le taux de compression est faible, meilleure est la qualité.

Par exemple, un fichier bitmap BMP de 1,37 Mo peut être compressé à 20,3 Ko. Bien entendu, vous pouvez également trouver un équilibre entre la qualité de l’image et la taille du fichier. Le format JPEG compresse principalement les informations haute fréquence et conserve bien les informations de couleur. Il convient à une utilisation sur Internet, peut réduire le temps de transmission des images, peut prendre en charge les vraies couleurs 24 bits et est également couramment utilisé dans les images nécessitant un ton continu.

Le format JPEG est actuellement le format d'image le plus populaire sur Internet. C'est un format qui permet de compresser les fichiers à la plus petite taille. Lorsqu'il est stocké au format JPEG dans le logiciel Photoshop, il offre 11 niveaux de compression, représentés par les niveaux 0-. 10. Parmi eux, le niveau 0 présente le taux de compression le plus élevé et la pire qualité d’image. Même en sauvegardant au niveau de qualité 10 avec pratiquement aucune perte de détails, le taux de compression peut atteindre 5:1. Lors de l'enregistrement au format BMP, un fichier image de 4,28 Mo est obtenu. Lors de l'enregistrement au format JPG, le fichier ne fait que 178 Ko, avec un taux de compression de 24:1.

Après de nombreuses comparaisons, l'utilisation de la compression de niveau 8 constitue le meilleur rapport entre espace de stockage et qualité d'image. Le format JPEG est largement utilisé, notamment sur Internet et les lecteurs de CD-ROM.

Actuellement, tous les navigateurs prennent en charge le format d'image JPEG, car la taille du fichier au format JPEG est plus petite et la vitesse de téléchargement est rapide. En tant que version améliorée de JPEG, JPEG2000 a un taux de compression environ 30 % supérieur à celui de JPEG et prend en charge la compression avec et sans perte.

Une caractéristique très importante du format JPEG2000 est qu'il peut réaliser une transmission progressive, c'est-à-dire transmettre d'abord le contour de l'image, puis transmettre progressivement les données, améliorant continuellement la qualité de l'image, permettant à l'image d'être affichée depuis le flou. pour effacer.

De plus, JPEG2000 prend également en charge la fonction dite "région d'intérêt", qui vous permet de spécifier arbitrairement la qualité de compression de la zone d'intérêt sur l'image, et vous pouvez également sélectionner la partie spécifiée à décompresser en premier . JPEG2000 présente des avantages évidents par rapport au JPEG et est rétrocompatible, ce qui lui permet de remplacer le format JPEG traditionnel.

JPEG2000 peut être appliqué aux marchés JPEG traditionnels, tels que les scanners, les appareils photo numériques, etc., et peut également être appliqué aux domaines émergents, tels que la transmission réseau, les communications sans fil, etc.

Format TGA

Le format TGA (Tagged Graphics) est un format de fichier image développé par la société américaine Truevision pour sa carte d'affichage. Le suffixe de fichier est ".tga" et a été accepté par les sociétés internationales de graphisme et d'imagerie. industrie. . TGA a une structure relativement simple et constitue un format universel pour les données graphiques et d'images. Il a une grande influence dans le domaine du multimédia et constitue le format préféré pour convertir des images générées par ordinateur en télévision. La plus grande caractéristique du format d'image TGA est qu'il peut créer des graphiques et des fichiers image de forme irrégulière. Généralement, les fichiers graphiques et image sont carrés. Si vous avez besoin de fichiers image ronds, en forme de losange ou même vides, TGA peut être utilisé. pratique ! Le format TGA prend en charge la compression, en utilisant un algorithme de compression sans distorsion.

Format EXIF

Le format EXIF ​​est un format de fichier d'image d'appareil photo numérique promu par Fujifilm en 1994. Il est en fait identique au format JPEG. La différence est qu'en plus de sauvegarder les données d'image, il peut également stocker la prise de vue. date, ouverture, obturateur et flash. Données et autres documents d'exposition et informations accessoires ainsi que des images de petite taille.

Format de fichier image FPX

Le format de fichier image FPX (extension fpx) a été développé conjointement par Kodak, Microsoft, HP et Live PictureInc, et officiellement publié en juin 1996. FPX est un format de fichier image multi-résolution. , c'est-à-dire que l'image est stockée dans une série de résolutions différentes. L'avantage de ce format est que la qualité de l'image peut être conservée lorsque l'image est agrandie. De plus, lors de la modification de l'image FPX, seule la partie modifiée sera traitée. L'image entière ne sera pas traitée ensemble, réduisant ainsi la charge sur le processeur et la mémoire et réduisant le temps de traitement de l'image.

Format SVG

SVG est un format de graphique vectoriel évolutif. Il s'agit d'un langage graphique vectoriel standard ouvert qui peut être arbitrairement agrandi pour l'affichage graphique. Les bords sont extrêmement clairs. Le texte reste modifiable et consultable dans l'image SVG. Les fichiers générés sont petits et se téléchargent très rapidement. adapté à la conception de pages graphiques Web haute résolution.

Format de fichier PSD

Il s'agit d'un format de fichier spécial pour le logiciel de traitement d'image Photoshop, et l'extension de fichier est. psd, qui peut prendre en charge diverses fonctionnalités d'image de calques, canaux, masques et différents modes de couleur, est un format d'enregistrement de fichier original non compressé. Le scanner ne peut pas générer directement des fichiers dans ce format. Les fichiers PSD ont parfois une grande capacité, mais comme toutes les informations originales peuvent être conservées, l'enregistrement au format PSD est le meilleur choix pour les images qui n'ont pas encore été finalisées lors du traitement de l'image.

Format de fichier CDR

Le format CDR est un format de fichier graphique dédié au célèbre logiciel de dessin CorelDRAW. Puisque CorelDRAW est un logiciel de dessin graphique vectoriel, CDR peut enregistrer les attributs, l'emplacement, la pagination, etc. du fichier. Cependant, sa compatibilité est médiocre. Il peut être utilisé dans toutes les applications CorelDraw, mais les autres logiciels d'édition d'images ne peuvent pas ouvrir de tels fichiers.

Format de fichier PCD

PCD est l'abréviation de Kodak PhotoCD et l'extension de fichier est. pod est un format de fichier Photo CD développé par Kodak, qui ne peut être lu que par d'autres systèmes logiciels. Ce format utilise le modèle de couleur YCC pour définir les couleurs de l'image. Les espaces colorimétriques YCC et CIE contiennent beaucoup plus de couleurs que les couleurs RVB et CMJN des moniteurs et des périphériques d'impression. Les images PhotoCD sont pour la plupart de très haute qualité.

Format de fichier DXF

DXF est l'abréviation de Drawing Exchange Format, et l'extension l'est. dxf est le format de fichier graphique dans AutoCAD. Il stocke les graphiques en mode ASCII et exprime très précisément la taille des graphiques. Il peut être appelé et modifié par de grands logiciels tels que CorelDraw et 3DS.

Format de fichier UFO

Il s'agit d'un format d'image dédié du célèbre logiciel d'édition d'images Ulead Photolmapct, qui peut enregistrer complètement tous les attributs d'image traités par Photolmapct. Il convient de mentionner que les fichiers OVNI utilisent des objets au lieu de calques pour enregistrer les informations sur l'image.

Format de fichier EPS

EPS est l'abréviation de Encapsulated PostScript, qui est un format standard multiplateforme. L'extension sur la plate-forme PC est. eps, sur la plateforme Macintosh. epsf, principalement utilisé pour le stockage d'images vectorielles et d'images raster. Le format EPS est décrit dans le langage PostScript et peut enregistrer d'autres types d'informations, telles que plusieurs courbes de tons, canaux Alpha, séparations de couleurs, chemins de détourage, informations sur l'écran, courbes de tons, etc., de sorte que le format EPS est souvent utilisé pour l'impression. ou impression. Les multiples options de format EPS dans Photoshop permettent un contrôle complet de l'impression, encore meilleur que le format TIFF dans certains cas.

Format de fichier image PNG

PNG (Portable Network Graphics), dont le nom d'origine est "Portable Network Graphics", est le dernier format de fichier image accepté sur Internet. PNG peut fournir des fichiers image compressés sans perte, 30 % plus petits que GIF. Il fournit une prise en charge des images en couleurs vraies 24 bits et 48 bits ainsi que de nombreux autres supports techniques. Étant donné que PNG est très nouveau, tous les programmes ne peuvent actuellement pas l'utiliser pour stocker des fichiers image, mais Photoshop peut gérer les fichiers image PNG et peut également les stocker au format de fichier image PNG.

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