La photographie numérique et le traitement d'image
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La photographie numérique
Du photosite au pixel : comment une image est codée
Tu prends des dizaines de photos par semaine sans jamais te demander ce qui se passe entre la lumière et le fichier. Or il s'y produit une véritable numérisation : une scène continue, faite de lumière, est convertie en un tableau fini de nombres. Comprendre ce passage, c'est comprendre à la fois pourquoi une image « pixellise », pourquoi elle pèse lourd, et pourquoi on peut la transformer par calcul.
Le capteur : des millions de petits seaux à lumière.
L'objectif projette l'image sur un capteur électronique, couvert de minuscules cellules photosensibles appelées photosites. Chaque photosite se comporte comme un petit seau : il accumule la lumière reçue pendant la durée d'exposition et produit un signal électrique d'autant plus fort que la lumière était intense. Ce signal est ensuite converti en un nombre. À chaque photosite correspond, en sortie, un pixel de l'image.
Le codage RVB des couleurs.
Chaque pixel d'une image en couleurs est codé par trois nombres, correspondant à l'intensité des trois composantes rouge, verte et bleue : c'est le codage RVB (RGB en anglais). Chaque composante est en général codée sur 8 bits, ce qui donne 2 puissance 8 = 256 niveaux, numérotés de 0 à 255.
Un pixel occupe donc 3 × 8 = 24 bits, soit 3 octets, et le nombre de couleurs représentables vaut 2 puissance 24 = 16 777 216, souvent arrondi à « 16 millions de couleurs ».
| Couleur | R | V | B | Explication |
|---|---|---|---|---|
| Noir | 0 | 0 | 0 | Aucune lumière émise. |
| Blanc | 255 | 255 | 255 | Les trois composantes au maximum. |
| Rouge pur | 255 | 0 | 0 | Seule la composante rouge est allumée. |
| Jaune | 255 | 255 | 0 | Rouge + vert en synthèse additive : contre-intuitif mais exact. |
| Gris moyen | 128 | 128 | 128 | Les trois composantes égales donnent toujours un gris. |
La photographie numérique
Traiter, compresser, documenter une image
Une image numérique est un tableau de nombres : elle est donc calculable. Modifier une photo revient à appliquer une opération arithmétique à chaque pixel — et un appareil photo moderne en applique des dizaines avant même de te montrer le résultat.
Voici trois traitements que tu dois savoir refaire à la main.
| Traitement | Calcul appliqué à chaque pixel | Effet |
|---|---|---|
| Niveaux de gris | m = (R + V + B) / 3, puis remplacer les trois composantes par m | Les trois composantes deviennent égales : toute couleur disparaît. |
| Négatif | R' = 255 − R, V' = 255 − V, B' = 255 − B | Le clair devient sombre et inversement ; les couleurs sont inversées. |
| Seuillage (binarisation) | Si la luminosité dépasse un seuil, le pixel devient blanc, sinon noir | L'image ne contient plus que deux valeurs : utile pour isoler une forme. |
D'autres traitements font intervenir non pas un pixel isolé mais son voisinage : un flou remplace chaque pixel par la moyenne de ses voisins, un filtre de détection de contours repère au contraire les écarts brusques entre pixels voisins. C'est le principe des filtres qu'utilisent les applications de retouche.
La compression : réduire le poids des fichiers. Une photo non compressée pèse des dizaines de mégaoctets, ce qui est ingérable pour le stockage comme pour l'envoi. On la compresse donc, selon deux familles de méthodes qu'il faut absolument distinguer.
| Compression sans perte | Compression avec perte | |
|---|---|---|
| Principe | Repérer les régularités et les coder plus efficacement | Supprimer les détails que l'œil perçoit mal |
| Réversibilité | Totale : on retrouve l'image d'origine à l'identique | Impossible : l'information supprimée est définitivement perdue |
| Gain de place | Modéré | Important, souvent d'un facteur 10 ou plus |
| Formats | PNG, GIF | JPEG |
| Usage typique | Logos, captures d'écran, dessins, images à transparence | Photographies, partage et publication en ligne |
Ces informations sont précieuses pour classer ses photos ou vérifier l'authenticité d'un cliché. Elles sont aussi indiscrètes : publier une photo prise chez soi, coordonnées GPS comprises, revient à publier son adresse. Beaucoup de réseaux sociaux suppriment les EXIF à la publication, mais ce n'est ni systématique ni garanti — et un fichier transmis directement, par messagerie ou par courriel, les conserve généralement. Le réflexe utile est de savoir les consulter et les effacer avant partage.
L'appareil photo, un système embarqué.
Entre le capteur et le fichier affiché, le processeur de l'appareil enchaîne automatiquement de nombreux traitements : mise au point automatique, réglage de l'exposition, balance des blancs, réduction du bruit, accentuation, assemblage de plusieurs prises pour le HDR ou le mode nuit. Une photo de smartphone est donc le résultat d'un calcul autant que d'une capture optique : deux appareils photographiant la même scène produiront des images différentes non seulement par leur optique, mais par leurs algorithmes.
Quelques repères historiques.
— 1826-1827 : Nicéphore Niépce réalise la première photographie argentique.
— 1969 : invention du capteur CCD dans les laboratoires Bell, point de départ de l'imagerie électronique.
— 1975 : Steven Sasson met au point chez Kodak le premier appareil photo numérique, de très faible définition.
— 1990 : diffusion des logiciels de retouche, qui rendent la modification d'image accessible à tous.
— Années 2000 : intégration d'appareils photo dans les téléphones, puis explosion de la photographie calculée.
Exercices corrigés
Comment appelle-t-on la cellule photosensible du capteur qui accumule la lumière lors d'une prise de vue ?
- A.Un pixel
- B.Un octet
- C.Un filtre
- D.Un photositeBonne réponse
Réponse : D — Un photosite
Le photosite est l'élément physique, situé sur le capteur, qui accumule la lumière et produit un signal électrique. Le pixel, lui, est l'élément de l'image numérique obtenue : à chaque photosite correspond un pixel en sortie, mais ce sont deux notions distinctes — l'une matérielle, l'autre informationnelle. L'octet est une unité de quantité de données, et le filtre désigne un traitement appliqué à l'image.
Dans le codage RVB sur 8 bits par composante, quelles valeurs peut prendre la composante rouge d'un pixel ?
- A.De 1 à 8
- B.De 0 à 255Bonne réponse
- C.De 0 à 256
- D.De 0 à 100
Réponse : B — De 0 à 255
Sur 8 bits, on dispose de 2 puissance 8 = 256 valeurs différentes. Comme la numérotation commence à 0, elles vont de 0 à 255 — et non de 0 à 256, ce qui en ferait 257. C'est l'erreur du décalage d'une unité, très fréquente : il y a bien 256 niveaux, mais la valeur maximale est 255. L'échelle de 0 à 100, elle, est celle des pourcentages, pas celle du codage RVB.
Que désigne la définition d'une image numérique ?
- A.Le nombre de couleurs qu'elle peut contenir
- B.Le poids du fichier en mégaoctets
- C.Son nombre de pixels, exprimé par largeur × hauteurBonne réponse
- D.Sa taille d'affichage en centimètres
Réponse : C — Son nombre de pixels, exprimé par largeur × hauteur
La définition est le nombre de pixels de l'image, donné sous la forme largeur × hauteur, par exemple 1920 × 1080. À ne pas confondre avec la résolution, qui exprime le nombre de pixels par pouce et décrit la finesse d'affichage ou d'impression. Une même image conserve sa définition qu'on l'imprime en timbre-poste ou en affiche : seule sa résolution change.
Quel format d'image utilise une compression sans perte ?
- A.Le JPEG
- B.Le MP3
- C.Le RVB
- D.Le PNGBonne réponse
Réponse : D — Le PNG
Le PNG compresse sans perte : on récupère exactement l'image d'origine, pixel pour pixel. Le JPEG, lui, compresse avec perte — il gagne beaucoup de place en supprimant définitivement des détails. Attention aux intrus : le MP3 est un format audio, également avec perte, et RVB n'est pas un format de fichier mais un mode de codage des couleurs.
Combien de couleurs différentes peut-on coder avec 24 bits par pixel ?
- A.24, le nombre de bits par pixel, pas le nombre de couleurs obtenues
- B.256, valable seulement pour une composante sur les trois
- C.768, obtenu en additionnant les trois fois 256 au lieu de les multiplier
- D.16 777 216, soit environ 16 millions de couleurs distinctesBonne réponse
Réponse : D — 16 777 216, soit environ 16 millions de couleurs distinctes
Avec 24 bits, le nombre de combinaisons vaut 2 puissance 24 = 16 777 216, d'où l'expression « 16 millions de couleurs ». On peut le retrouver autrement : chaque composante offre 256 possibilités, et elles sont indépendantes, donc 256 × 256 × 256 = 16 777 216. Répondre 768, c'est additionner les trois fois 256 au lieu de les multiplier : or les composantes se combinent, elles ne s'ajoutent pas. Et 256 correspond à une seule composante, sur 8 bits.
On convertit en niveaux de gris le pixel (R, V, B) = (90, 120, 150) par la méthode de la moyenne. Que devient-il ?
- A.(90, 90, 90)
- B.(120, 120, 120)Bonne réponse
- C.(360, 360, 360)
- D.(150, 150, 150)
Réponse : B — (120, 120, 120)
On calcule la moyenne des trois composantes : (90 + 120 + 150) / 3 = 360 / 3 = 120. Les trois composantes prennent ensuite cette valeur, ce qui donne (120, 120, 120). Vérification : trois composantes égales donnent toujours un gris, on est cohérent. L'option (360, 360, 360) oublie la division par 3, et elle est de toute façon impossible puisque les valeurs ne dépassent jamais 255.
On applique un seuillage à une image en niveaux de gris avec le seuil 128 : les pixels de valeur supérieure ou égale à 128 deviennent blancs, les autres noirs. Que deviennent les pixels de valeurs 60, 128 et 200 ?
- A.Blanc, blanc, blanc
- B.Noir, noir, blanc
- C.Blanc, noir, noir
- D.Noir, blanc, blancBonne réponse
Réponse : D — Noir, blanc, blanc
Appliquons la règle valeur par valeur. 60 est inférieur à 128, donc noir. 128 est supérieur ou égal à 128 — l'égalité est incluse dans la condition — donc blanc. 200 est supérieur à 128, donc blanc. On obtient noir, blanc, blanc. Le point délicat est la valeur exactement égale au seuil : c'est la formulation « supérieur ou égal » qui tranche, d'où l'importance de lire précisément l'énoncé d'une condition. Le seuillage produit ainsi une image ne contenant plus que deux valeurs, ce qui sert par exemple à isoler une forme ou un texte du fond.
Quelle couleur obtient-on avec le pixel de composantes (R, V, B) = (0, 0, 0) ?
- A.Du noirBonne réponse
- B.Du blanc
- C.Du gris moyen
- D.Du bleu
Réponse : A — Du noir
En synthèse additive, un écran émet de la lumière : si les trois composantes valent 0, aucune lumière n'est émise, le pixel est noir. Le blanc correspond à l'inverse, (255, 255, 255), et le gris moyen à (128, 128, 128). Le bleu pur serait (0, 0, 255) : ici, la composante bleue est nulle elle aussi.
Que sont les métadonnées EXIF d'une photographie ?
- A.Les pixels situés sur les bords de l'image
- B.Des informations enregistrées dans le fichier : date, appareil, réglages, parfois coordonnées GPSBonne réponse
- C.Le nom du fichier et son extension
- D.Les couleurs dominantes calculées par l'appareil
Réponse : B — Des informations enregistrées dans le fichier : date, appareil, réglages, parfois coordonnées GPS
Les EXIF sont des données sur la photo, stockées à côté des pixels dans le même fichier : date et heure de prise de vue, modèle d'appareil, réglages d'exposition, orientation, et souvent la position GPS. C'est exactement la notion de métadonnée : une donnée qui décrit une autre donnée. Le nom du fichier, lui, appartient au système de fichiers et non au contenu de l'image.
Une image mesure 1 000 × 600 pixels et est codée en RVB sur 24 bits, sans compression. Quel est son poids ?
- A.600 000 octets
- B.1 600 octets
- C.1 800 000 octets, soit environ 1,8 MoBonne réponse
- D.14 400 000 octets
Réponse : C — 1 800 000 octets, soit environ 1,8 Mo
Procédons en deux temps. Nombre de pixels : 1 000 × 600 = 600 000. Poids par pixel : 24 bits = 3 octets, un par composante. Poids total : 600 000 × 3 = 1 800 000 octets, soit environ 1,8 Mo. Répondre 600 000 octets, c'est oublier de multiplier par 3 — cela correspondrait à une image en niveaux de gris. Et 14 400 000 est le résultat en bits multiplié encore par 8 : attention à ne pas convertir deux fois.
On applique un négatif au pixel de composantes (R, V, B) = (200, 50, 110). Quelles sont ses nouvelles composantes ?
- A.(55, 205, 145)Bonne réponse
- B.(0, 0, 0)
- C.(200, 50, 110)
- D.(120, 120, 120)
Réponse : A — (55, 205, 145)
Le négatif remplace chaque composante par 255 moins sa valeur. Calculons : 255 − 200 = 55, 255 − 50 = 205, 255 − 110 = 145. Le pixel devient donc (55, 205, 145). Contrôle utile : la composante qui était la plus forte, 200, devient la plus faible, 55 — c'est bien le principe de l'inversion. L'option (120, 120, 120) est le résultat d'un autre traitement, le passage en niveaux de gris.
Quelle couleur obtient-on avec le pixel (R, V, B) = (255, 255, 0) ?
- A.Du orange sombre
- B.Du blanc
- C.Du jauneBonne réponse
- D.Du vert
Réponse : C — Du jaune
En synthèse additive, rouge et vert à intensité maximale donnent du jaune vif — un résultat contre-intuitif si l'on pense à la peinture, où ce mélange donnerait un brun. La différence tient au fait qu'un écran émet de la lumière au lieu d'en absorber. Le blanc exigerait les trois composantes à 255, donc du bleu en plus, et le vert pur serait (0, 255, 0), avec un rouge nul.
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