Les formats d'images numériques

Cet article présente les différents formats d'images numériques, soit la façon d'encoder l'information dans des types de fichier bien définis que l'on choisira en fonction de leur utilisation : acquisition, traitement, visualisation, impression, diffusion sur les réseaux, archivage.

Les images numériques existent sous format matriciel (bitmap) ou vectoriel ; le format vectoriel n’est pas utilisé en photographie. On caractérise deux grandeurs : la définition qui correspond au nombre de points de l’image (ex : 640x480), et la résolution qui est un nombre de points par unité de longueur (dots per inch ou dpi, en français points par pouce ou ppp). Ce dernier paramètre est important pour être cohérent avec le dispositif d’affichage : de 72 à 100 ppp pour un écran, 300 ppp pour une imprimante.

Les images bitmap sont des matrices de points auxquels sont associées des valeurs de luminance. Ces valeurs codées sur n bits peuvent enregistrer 2ⁿ nuances sur chaque point. Il faut au minimum 3 valeurs de couleurs primaires (en général rouge, vert, bleu) pour restituer la couleur sur chaque pixel de l’image. Sans compression, le poids d’une image couleur codée sur 8 bits vaut donc 3 octets x sa définition. Des algorithmes permettent de réduire la taille du fichier, ils sont « sans perte » ou « non destructifs » quand la totalité de l’information peut être restituée.

NB : la brillance et la couleur de chaque pixel de l’image sont obtenues par interpolation des points adjacents sur le capteur numérique. Les points des capteurs couleur possèdent un filtre coloré pour n’enregistrer qu’une seule des 3 couleurs fondamentales ; ces filtres sont disposés selon la matrice (mosaique) de Bayer. L'image brute produite par le capteur est appelée CFA (color filter array). On notera qu’il y a 2 fois plus de points verts que rouges et bleus car la composante verte est prédominante dans le calcul de la luminance pour l’œil. 

Le calcul permettant de produire une image RVB est appelé dématriçage ou de-bayerisation. Comme l’œil n’est pas un récepteur linéaire, on amplifie le gain dans les faibles valeurs de luminance : c’est la correction gamma.

Au lieu du triplet RVB, on peut aussi définir la valeur d’un pixel par le triplet « teinte, saturation, brillance ». Un canal supplémentaire est parfois ajouté, appelé canal alpha, qui définit le degré de transparence de l'image. Ce canal est codé sur n bits comme un canal couleur.

Le format BMP (bitmap) comprend 3 couches R, V, B de points codés chacun sur 8 bits (256 nuances). C’est un format non compressé qui permet d’afficher (256)³ = 16,8 millions de couleurs sur chaque pixel.

Les format PCX, GIF et PNG sont des formats sans perte comme le BMP, mais compressés.

Le format JPEG (Joint Photographic Experts Group) est un format compressé avec perte très performant pour réduire le poids des fichiers images. Cependant, le découpage en blocs de 8x8 points pour le traitement induit une pixellisation qui devient visible si le taux de compression est trop fort. Le format JPEG2000 utilise une transformation par ondelettes appliquée à toute l’image, c’est aujourd’hui l’algorithme le plus performant.

Le format TIFF (Tagged Image Format) propriété d’Adobe et de Microsoft est très flexible, avec un codage de chaque pixel jusqu’à 64 bits, permettant la compression ou non suivant divers algorithmes dont le JPG. La taille maximale des images est de 4 Go. La version 6 est un standard de référence ; cependant, les logiciels ne peuvent pas toujours exploiter tous les types de fichiers TIFF.

Le format PSD est spécifique à Photoshop ; il permet d’enregistrer l’image sans perte ainsi que tous les réglages et les calques définis dans le logiciel. Ce format est également reconnu par quelques autres applications de retouche d’image comme Gimp.

Le format d’images FITS (Flexible Image Transport System) est le format d’image le plus utilisé en astronomie. Défini par l’Union Astronomique internationale, il est conçu spécifiquement pour des données scientifiques. En effet ce format dispose d’un en-tête de données textes, au format ASCII, pour inscrire des informations sur la prise de vue, le calibrage, les coordonnées etc. Ce format sans perte est disponible en 16 bits et 32 bits, les fichiers peuvent être très volumineux.

Le format RAW (« brut ») est un format propriétaire de chaque marque d’appareil numérique ; les extensions les plus courantes sont CR2 ou CR3 (Canon), NEF (Nikon), ORF (Olympus), RAF (Fuji), ARW (Sony)… Ce format contient l’image native, sans aucun traitement, produite par le capteur avec sa matrice de Bayer spécifique, ainsi que des métadonnées sur la prise de vue. Le codage s’effectue sur 10 à 14 bits par couleur, donc bien plus que le JPEG (8 bits). Cela permet d’exploiter toute la dynamique du capteur ; cependant ce format sans perte produit des fichiers volumineux.

En pratique pour l’astrophotographie, on part des fichiers RAW du capteur qui sont convertis en FIT. Le logiciel effectue le pré-traitement avec les darks, flats et offsets, l’alignement des images puis l’empilement. Le résultat au format FIT peut être converti en TIF sans compression pour être affiné dans un logiciel de retouche d’image. Enfin, l’image finale est convertie en JPG avec un degré de compression adapté pour être visualisée, partagée ou archivée.