Images

Les images sont des fichiers spécifiques qui sont représentés par différentes extensions (.jpg, .gif, .bmp, ...). Il s'agit dans cette partie de fournir un bref historique des formats de fichiers dédiés à l'image, puis nous étudierons la structure d'un fichier image standard. Enfin, nous montrerons l'intérêt d'appliquer des algorithmes avec pertes pour coder des images.

Historique des formats

Les formats d'images sont à diviser en deux grandes familles: les images vectorielles et les images bitmap. Les premières sont utilisées pour stocker des objets géométriques (lignes, cercles... plus généralement courbes et polygones). Elles autorisent un stockage efficace et surtout permettent une restitution fidèle quel que soit le zoom appliqué à l'image. Malheureusement, ces formats sont peu appropriés pour représenter des images complexes et ne comportant pas de formes géométriques apparentes.

Il existe donc un autre format de stockage dit Bitmap, qui consistait originellement à stocker sous forme d'un grand tableau les valeurs des pixels (plus exactement on parlait de bitmap dans le cas à 1 bit/pixel, et de pixelmap dans le cas à plusieurs bits/pixel). Ce type d'image est caractérisé par sa résolution, c'est-à-dire le nombre de pixels la constituant sur chacune de ses dimensions, et de la profondeur de bits qui donne le nombre de couleurs que supportera l'image: 8 bits autorisent ${2}^{8}=256$ couleurs (ou niveaux de gris), 24 bits (True Colors) autorisent $16777216$ couleurs. Les profondeurs les plus courantes sont 1, 2, 4, 8, 15, 16, 24 et 32 bits.

Différents formats ont fait leur apparition. Chacun possède ses avantages et ses inconvénients:

• RLE: il est facile à implémenter et très rapide. Son efficacité se vérifie sur les images possédant des zones uniformes. On le retrouve dans des fichiers d'extensions BMP, PCX, RLE...
• LZW: plus complexe, il n'en reste pas moins rapide et permet des taux de compression bien plus élevés. Sa variante LZ77 équipe notamment les formats GIT, TIF et PNG.
• CCITT (IV): ce format fut développé pour l'usage des Fax, mais fut généralisé pour les pages de texte en noir et blanc. Il est rapide, facilement implémentable et offre des taux de compression de 20:1 sans perte d'information
• JFIF: c'est le format le plus utilisé pour les images. Il est normalisé ISO. Utilisée avec l'algorithme JPEG, cette compression se fait avec pertes, et si le taux de compression est trop élevé, on observe un effet mosaïque (nous expliquerons ce phénomène dans la partie associé à l'algorithme JPEG). Un taux de compression typique est 20:1.
• JPEG 2000: présenté comme le successeur de JPEG, ce format utilise les ondelettes. Il permet en outre le réglage de nombreux paramètres pour l'obtention d'un rendu optimal. Malheureusement, des taux de compressions trop élevés introduisent des zones de flou dans l'image. Les taux de compression typiques sont de 40:1 avec un rendu acceptable. Ce format complexe introduit nombres d'innovations que nous détaillerons dans le chapître associé.

Structure des fichiers

Les fichiers graphiques sont usuellement stockés sous forme d'une structure, comprenant bien entendu les données, mais aussi d'autres informations. Il existe trois grands types d'organisation:

• Par Balises: communément appelées tags, elles représentent des informations placées dans un fichier de manière non prédéfinie; leur taille et leur position dans un fichier peut varier.
• Par Champs (Fields): c'est la structure la plus commune, dans laquelle les différentes zones ont une localisation et une taille bien précises (données le cas échéant dans le fichier lui-même, sous-forme d'offset relatif pour la localisation par exemple).
• Par Flux (Streams)

La plupart du temps, les formats de fichiers combinent ces trois types de structure. Les Champs, qui sont fixes, sont accessibles rapidement mais sont moins flexibles dans le cas où des données doivent être ajoutées ou supprimées du fichier.

La structure JFIF (JPEG File Interchange Format), complémentaire des formats PNG ou encore GIF, est généralement utilisée pour les images compressées avec JPEG. JFIF est le format qui est utilisé pour le transport d'images compressées avec l'algorithme JPEG. Dire que le format d'une image est JPEG est donc un abus de langage.

Principe des algorithmes à pertes

Partant du principe qu'une image prend une place importante (3Mo pour une image en 1024x768 pixels codés sur 32 bits), il a fallu trouver un moyen de réduire leur taille. Les algorithmes tels que LZW donnent malheureusement rarement des taux de compression supérieurs à 5:1 . Le format JPEG fut le premier à apporter une réponse claire avec une format standard utilisant la DCT, ie un algorithme adapté aux images. Ainsi, l'image donnée en exemple peut être stockée sur 100 Ko en conservant une grande majorité de l'information contenue dans l'image, même si des artéfacts sont observables. Ceci a une importance toute particulière dans le cas de réseaux ou de films pour lesquels la bande-passante est bien souvent limitée.

Actuellement, la recherche sur la compression avec pertes est très active et autorise des taux de compression très élevés pour un rendu excellent. Outre de nouveaux algorithmes et de nouveaux outils mathématiques, les spécificités de l'appareil visuel humain ont été pris en compte.