Photo numérique : pixels, couleurs et poids d'une image

En entrée, le capteur. Le capteur d'un appareil photo est couvert de minuscules cellules sensibles à la lumière, les photosites. Dans le modèle courant à filtres de Bayer étudié ici, chaque photosite mesure la lumière à travers un filtre coloré. Les filtres sont disposés par carrés de quatre, deux verts, un rouge et un bleu. La définition du capteur se compte en millions de photosites.

Cette disposition n’est pas celle de tous les capteurs.

En sortie, l'image RVB du modèle étudié. L'image est un quadrillage de pixels (de l'anglais picture element). Chaque pixel est de couleur uniforme et codé par trois nombres R, V, B : la quantité de rouge, de vert et de bleu. La définition de l'image est son nombre de pixels, souvent donné par largeur × hauteur (1 920 × 1 080) ou en mégapixels. Elle n'est pas forcément égale au nombre de photosites : ce sont des algorithmes qui calculent les pixels à partir des photosites.

La profondeur de couleur. En général, chaque composante R, V, B est codée sur 8 bits, c'est-à-dire un octet : elle prend une valeur entière de 0 à 255.

Nombre de couleurs. Avec 8 bits, une composante prend 256 valeurs. Les trois composantes étant indépendantes, un pixel peut prendre 256 × 256 × 256 couleurs :

print(256 * 256 * 256)

16777216

soit plus de 16 millions de couleurs.

Poids des données de l’image du modèle. On suppose un codage RVB à 8 bits par composante, sans canal alpha, sans palette, sans compression ni en-tête. Chaque pixel occupe 3 octets (un par composante). Pour une image de 1 920 × 1 080 pixels :

largeur, hauteur = 1920, 1080
pixels = largeur * hauteur
print(pixels, 3 * pixels)

2073600 6220800

L'image compte 2 073 600 pixels et occupe 6 220 800 octets, environ 6,2 millions d'octets, sans compter l'en-tête du fichier.

Formats et compression. Le format et le mode de compression sont deux informations distinctes. Un RAW peut être non compressé, compressé sans perte, ou avec perte selon le réglage ; Nikon propose ces trois modes pour NEF. TIFF accepte lui aussi plusieurs compressions. Pour garantir l’absence de perte, il faut vérifier le mode choisi, pas seulement le nom du format. Le JPEG usuel étudié ici utilise une compression avec perte : la décompression ne restitue généralement pas exactement les données de départ.

Métadonnées EXIF. Le fichier contient aussi des informations sur la prise de vue : modèle de l'appareil, réglages, date, parfois la localisation. Elles peuvent révéler où une photo a été prise.

Énoncé. Un pixel a pour composantes (200, 120, 40), un orange. Quelle est sa valeur en niveau de gris (par la moyenne des composantes), et quelles sont les composantes de son négatif ?

Niveau de gris. On fait la moyenne des trois composantes, arrondie à l'entier inférieur ; le pixel gris aura ses trois composantes égales à cette valeur :

r, v, b = 200, 120, 40
g = (r + v + b) // 3
print(g)

120

Négatif. Chaque composante c devient 255 − c :

r, v, b = 200, 120, 40
print(255 - r, 255 - v, 255 - b)

55 135 215

Appliquer le même calcul à tous les pixels transforme toute l'image : c'est le principe d'un traitement d'image par programme.

Quand les trois composantes sont égales, le pixel est gris : du noir (0) au blanc (255).