1 - Images Numériques et Colorimétrie

Plan Introduction Couleur et perception visuelle Modélisation de la couleur Restitution de la couleur Problèmes de la numérisation Respect des couleurs en infographie

Images Numériques Introduction

Images et Modèles Vision humaine ou Informatique Monde Synthèse (réel ou virtuel) Synthèse Acquisition Restitution Modèle Conceptuel composants de base Vision Interprétation Extraction Informations élémentaires Vision humaine ou Informatique

Pavage et Maillage

Représentation Hiérarchique

(trame rectangulaire) Pixels, Résolution Pixel = Picture Element (pas toujours carrés !) Résolution Nombre de Pixels par ligne et par colonne (trame rectangulaire) Le nombre de bits / Pixel, détermine le nombre de couleurs utilisables à un instant donné. (8 bits -> 256 couleurs)

Informations associées aux pixels couleur Profondeur (Z-buffer) mélange (canal alpha) etc … Des données quantitatives ou qualitatives

Traitement / Synthèse Synthèse : production de pixels (algorithmes, palettes graphiques, …) Traitement : manipulation de pixels obtenus par synthèse ou par numérisation d’images (scanners, caméras, …). Analyse : Extraction de structures dans les images.

Image et Modèle Image Modèle Analyse Synthèse Traitement

Quelques images de synthèse ou traitées

3D Scientifique

Simulation en Architecture (image RADIANCE)

Simulation d’intervention (image RADIANCE)

Rendu Volumique

Visualisation Numérique (image VTK)

Visualisation Expérimentale (image ONERA)

Expérimental/Simulation (image ONERA)

Retouche Avant Après

Image satellite

Google Maps

Réflectance des sols XS1 : 0,5 à 0,59 XS2 : 0,61 à 0,68 XS1 XS2 XS3

Images SPOT

Images SPOT (composition)

Image SPOT (2)

Couleurs et Perception Visuelle

Lumière (1) Lumière = rayonnement électromagnétique Visible chez l’humain 380 nm < longueur d’onde < 780 nm 400 500 600 700 UltraViolet Violet Bleu Vert Jaune Orange Rouge Infrarouge 435.8 546.1 700 Certains serpents «voient» l’Infrarouge Certains insectes «voient» l’Ultraviolet

Lumière (2)

Lumière (3) Couleur : f(l) Lumière monochromatique: 1 seule longueur d’onde Lumière blanche : toutes les longueurs d’onde visibles en même quantité. Mise en évidence => Prisme

Décomposition

Lumière Blanche Couleur : corps noir à 5000°K En pratique: différentes «lumières blanches» (soleil : 4800°K, Ciel : 6500°K, . . . c.f. pellicules photo, étalonnage du blanc des caméras) Couleurs complémentaires : combinaison = blanc

Illuminants Standards

+ Perception CERVEAU : Psychologie, Culture, . . . ŒIL : Physiologie, . . . . + CERVEAU : Psychologie, Culture, . . .

Oeil Œil iris : intensité cornée, humeur aqueuse, cristallin : mise au point rétine : récepteurs

Mise au point => Éviter par exemple le texte bleu sur fond rouge Se fait par déplacements et déformations du cristallin. Les indices de réfraction varient en fonction des longueurs d’ondes (voir prisme, arc-en-ciel, ..). Si deux couleurs de longueurs d’ondes trop différentes sont juxtaposées, l’oeil ne parviendra pas à faire la mise au point. => Éviter par exemple le texte bleu sur fond rouge Bleu sur rouge

Rétine La rétine contient des récepteurs transformant l’énergie lumineuse en impulsions électriques. les bâtonnets sont sensibles aux faibles intensités lumineuses, et saturent à partir d’intensités moyennes. les cônes sont moins sensibles, mais traitent mieux les intensités élevées. L’efficacité lumineuse est optimale à 510 nm (vert) en lumière faible, et à 555nm (jaune vert) en lumière élevée.

Rétine Acuité Visuelle moyenne : 1 ’ d ’arc ou ~ 1mm à une distance de 3,5 m

Cônes Il existe trois types de cônes, qui ont leur efficacité lumineuse optimale pour des longueurs d’ondes différentes (445, 535 et 570 nm). Il permettent la vision des couleurs, (non perçues en lumière faible car seuls les bâtonnets sont activés). Ils se situent principalement dans la fovéa (point focal de l’œil)

Sensibilités Spectrales

Répartition des cones

Nombres de Récepteurs Environ 120 Millions de bâtonnets et 8 Millions de cônes (cônes concentrés dans la fovéa). Transmission par environ 1 Million de fibres nerveuses. => codages favorisent l’intensité par rapport à la couleur ! (4:2:2, PAL, SECAM, NTSC, etc ....) verts : 64 % rouges: 32 % bleus : 4 %

Daltonisme => En tenir compte dans les interfaces utilisateurs Décrit par Dalton, médecin écossais du XVIIIe siècle (qui voyait mal les couleurs). Le Daltonien dichromate ne forme les couleurs qu’avec deux canaux: le plus souvent le vert manque. Le Daltonien trichromate dispose des trois canaux, mais l’un d’entre eux est déficient. Anomalie Héréditaire, et non maladie (en général). Transmise par le chromosome sexuel X. En France : 8% des hommes et 0,45% des femmes. => En tenir compte dans les interfaces utilisateurs

Daltonisme

Test de vision des couleurs

- + Signaux de Couleur Cônes Bâtonnets +/- Jaune/Bleu Noir/Blanc Rouge/Vert

Bases trichromatiques Pratiquement , toute perception de couleur peut être reproduite à partir de 3 couleurs de base. Aucune de ces trois couleurs ne doit pouvoir être obtenue à partir des deux autres (base !). Il existe plusieurs bases: XYZ, YUV, RVB, TLS, YIQ .....

Equivalence en Perception

Modélisation de la Couleur

Couleur des Objets Sources Lumineuses Objets réfléchissants Couleur émise Brillance surfacique Couleur réfléchie Absorption

Composition des Couleurs Additive Soustractive

Décomposition RVB

Modèle RVB V R B

Modèle TLS

Calibrage Trichromatique Réglage de la convergence

Fonctions CIE 1931 x y z

Composantes XYZ d’une couleur X = k P(l) xl dl Y = k P(l) yl dl Z = k P(l) zl dl Pw(l) yl dl k = 100

Diagramme CIE (1931) Espace XYZ

Plan X+Y+Z =1 Plan X+Y+Z = 1 Passage de 3 à 2 variables

Diagramme CIE

Propriétés du Diagramme CIE Lorsque l ’on mélange deux couleurs, la chromaticité obtenue se trouve sur le segment de droite joignant les chromaticités des deux couleurs initiales. La longueur d’onde dominante d ’une couleur est obtenue en prolongeant le segment partant du point blanc et passant par le point représentant la couleur, jusqu’à la bordure du diagramme. Pour 3 couleurs de base données, l ’ensemble des couleurs que l ’on peut obtenir est contenu dans le triangle des couleurs qu ’elles forment sur le diagramme. Le segment joignant deux couleurs complémentaires passe par le point blanc.

CIE Lab

Restitution de la Couleur

Ecran et mémoire d’images

Mode RVB (RGB) 1 1 1

Tables de couleurs 3 3 2 3 2 2 3 2 2 3 2 2 3 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 255 1 1 1 1 1 255 255

Moniteurs Vidéo OU CRT

Moniteurs Vidéo (2) LCD

Différences entre moniteurs Les différents types de moniteurs utilisent des luminophores ayant des caractéristiques différents par : Les longueurs d ’onde émises Leur réactivité aux excitations

Gamme de couleurs d’un moniteur Blanc du Moniteur

Moniteurs Divers Blanc D65 Illuminant C SMPTE EBU NTSC

Diagramme CIE et moniteurs

Transformation RVB <-> XYZ Correspondance RVB <-> XYZ pour un moniteur donné X Xr Xv Xb R X R Y = Yr Yv Yb V Y = M V Z Zr Zv Zb B Z B Correspondance entre moniteurs différents (C2 est le triplet RGB produisant sur le moniteur 2 la même couleur que C1 sur le moniteur 1) C2 = M2-1 M1 C1

Luminance / Chrominance (YIQ) Luminance: Y = 0,3 R + 0,59 V + 0,11 B Y 0,299 0,587 0,114 R I = 0,596 -0,275 -0,321 V Q 0,212 -0,528 0,311 B Chrominance: I et Q NTSC : 4MHz pour Y, 1,5 MHz pour I et 0,6 MHz pour Q

Tramage en imprimerie

Problèmes de la numérisation

Numérisation Echantillonnage Quantification

Echantillonnage

Critère de Nyquist Pour reconstituer un signal sans perte d ’information, il faut qu’il ait été échantillonné à une fréquence au moins deux fois plus élevée que la fréquence maximale qui le compose.

Solutions Possibles On élimine les trop hautes fréquences dans les modèles -> préfiltrage. On augmente la fréquence d ’échantillonnage -> suréchantillonnage. On évite les trames d ’échantillonnage régulières -> échantillonnage stochastique + Combinaison de ces méthodes !

Evolution des matériels La taille des écrans a été multipliée par 2 ou 3 en 20 ans. Les performances des processeurs doublent environ tous les 18 mois (~210 en 15 ans !) Les capacités de stockage évoluent à peu près comme les performances.

Aliasing (aliassage) Avec antialising Sans antialising

Effets de l’aliasing

Peigne de Test

Echantillonnage du peigne

Echantillonnage stochastique

Moiré

Cube texturé

Image tramée scannée

Vue en zoom

Tramage des moniteurs Les écrans graphiques utilisent eux même des grilles n ’ayant pas nécessairement le même résolution que les images. => problèmes de moirages OU

Quantification Le problème de la quantification se pose également pour les images en couleurs, quand il faut par exemple : Utiliser des cartes graphiques 256 couleurs pour des images en 3x8 bits. Produire des images GIF, PNG en couleurs indexées

Respect des couleurs en infographie

Respect des couleurs à l’impression Utilisation de « profils »définis par le constructeur pour chaque imprimante Nécessité de « recalibrer » périodiquement les données en fonction de l’usure, des encres… par utilisation de capteurs pour contrôler les résultats Voir par exemple les techniques développées par Apple autour de ColorSync

Respect des couleurs à l’affichage Problème très important pour conserver les mêmes couleurs tout au long de la chaîne graphique. Distorsion des couleurs entraînée par le rendu des tubes ou écrans plats Une correction d’usine basée sur la « gamma correction » est fournie Possibilité de réétalonnage logiciel ou matériel avec sonde de mesure sur moniteurs haut de gamme.

Principe de la « gamma correction » Sans correction Avec correction

Démonstrations