Club d’Astronomie de Lyon Ampère

Les formats d’images en astrophotographie

vendredi 24 février 2006 par Jacques Michelet

Cet article va s’attacher à décrire les différents types de fichiers que le possesseur d’un APN peut être amené à utiliser dans le cadre de l’astronomie. C’est donc un article très orienté vers l’informatique, laquelle s’est imposée en quelques années dans le domaine de l’astro-photographie.

On peut rapidement diviser l’ensemble des opérations
pour générer une image en 4 étapes successives :
- Acquisition des poses avec un APN
- Le traitement proprement-dit
- Le post-traitement
- La publication sur l’internet

Un premier constat s’impose : il
n’existe pas un format de fichier
unique qui s’applique à l’ensemble
de ces opérations ; (sans cela, on ne
m’aurait pas demandé de faire un
article sur la question...). En effet,
chacune des étapes précédentes
a une spécificité qui va dans la
pratique imposer un type ou un
format de fichier bien particulier.
Mais avant de détailler ces étapes,
on va évoquer quelques notions
concernant les images informatiques
en général.

Les images : de l’information, que de l’information, rien que de l’information

Forte entropie

En informatique, une image est
constituée de pixels organisés en
lignes et colonnes. Chacun des ces
pixels est codé sur un nombre de bits
variable suivant le matériel utilisé : de
8 bits pour des images noir et blanc
(type webcams) jusqu’à 24 bits pour
les images couleur des APN.
Outre ces caractéristiques basiques (hauteur,
largeur, nombre de bits par pixel),
une image a une caractéristique
très importante : la richesse de
l’information qu’elle recèle.
On conçoit aisément qu’une photo
de paysage de montagne contient
une information beaucoup plus
riche qu’une photo d’une étendue
saharienne, elle-même beaucoup
plus riche qu’une simple image
monochrome ; et ce, même si ces
trois images ont la même taille et
le même nombre de bits par pixel.
Cette richesse se mesure par une
grandeur appelée « entropie »,
grandeur qui est proportionnelle au
nombre de bits minimal pour bien
rendre compte de l’image.

Faible entropie

Quelques exemples : une image
monochrome a une très faible entropie
 : pour la coder entièrement, il suffit de
quelques octets : 1 ou 2 pour donner
sa couleur, 3 ou 4 de plus pour donner
sa taille. Une image représentant un
simple texte a une entropie plus
grande. On peut la coder entièrement
en copiant le texte, et en spécifiant
juste les polices de caractères des
paragraphes (c’est d’ailleurs comme
cela que sont codées les pages html).
Point besoin de donner la valeur de
tous les pixels. Enfin une photo de
paysage a une forte entropie, et il va
falloir beaucoup de bits pour rendre
compte de tous les détails visibles et
les nuances de couleurs, bref toute sa
richesse.

Compression avec ou sans perte ?

On l’a vu plus haut, l’entropie
d’une image reflète sa richesse
d’information, et de ce fait le nombre
minimal de bits nécessaires pour bien
la coder entièrement.
Si on utilise une méthode de
compression d’image dont le résultat
a pour effet de créer un fichier de
taille supérieure à ce minimum, on
a réalisé un compression dite « sans
perte ». En effet, si on décompresse
le fichier, on va pouvoir récupérer
une image dont tous les pixels
seront identiques à ceux de l’image
originelle. Les fichiers .bmp, .gif,
.png, .crw, .cr2 sont de ce type.
Les .bmp ne sont d’ailleurs pas
compressés du tout, alors que les
autres le sont un peu. Les fichiers
.zip, .gz ou .bz2 appartiennent aussi
à cette catégorie des compresseurs
sans perte, mais ne sont pas dédiés
aux images. Pour fixer les idées,
les taux de compression obtenus en
codage sans perte sont faibles, de
l’ordre de 2 à 3.

A l’inverse, on parle de
« compression avec pertes »
quand le nombre de bits du fichier
résultat est plus petit que celui
fourni par l’entropie de l’image.
De l’information est définitivement
perdue par la compression, et si on
tente de restaurer l’image à partir du
fichier comprimé, on ne récupérera
pas un fichier identique à l’original.
C’est ainsi que sont créés les fichiers
au format JPEG (extension .jpg ou
.jpeg).
Par un savant calcul, l’algorithme
sélectionne ce qui lui semble le plus
pertinent dans l’image, n’encode
que cette information, et ignore celle
qu’il a rejeté. On arrive ainsi à des
taux de compression élevés, sachant
que plus on va avoir un taux élevé,
plus l’image après décompression
sera différente de l’image d’origine,
et surtout plus son aspect sera
dégradé.

Quelques ordres de grandeur :
pour des photos de paysage ou des
portraits, on estime qu’une image
JPEG ayant en moyenne 1 à 1,2 bit/
pixel est de bonne qualité. En deçà de
ce chiffre, on verra progressivement
apparaître des artefacts sous formes
de pavés carrés. Pour des images
astronomiques où le fond de ciel
occupe la plupart de la surface, on
obtient de bons résultats visuels avec
une résolution de 0,8 à 1 bit/pixel
(soit un taux de compression de 16
à 20 !)

Les formats en fonction des étapes de traitement

Acquisition et stockage des images :
le format RAW

Réglage du mode RAW sur le CANON 350D

L’acquisition des images vise à
stocker en mémoire l’information
apportée par les photons issus
du ciel. Ces images seront par
la suite traitées par des logiciels
spécialisés tels que Iris. Il est donc
indispensable à cette étape de ne
perdre aucune information présente
dans l’image, même s’il s’agit
d’information parasites (bruit de
photons, bruit de lecture, etc...).
En conséquence, il faut configurer
son APN pour qu’il sauvegarde
les images en mode brut (RAW en
anglais), et exclure impérativement
le mode JPEG. Le mode RAW est
un mode où les pixels de la matrice
du capteur sont numérisés sans
aucun changement. Excepté avec
les APN de la marque Nikon, où le
mode RAW est un mode où l’image
subit quelques traitements visant à
diminuer le bruit thermique. Mais
d’une façon générale, ce mode RAW
est le mode le plus fidèle par rapport
aux informations délivrées par les
photons issus du ciel.

Traitement par Iris :
le format PIC

Iris est un des rares logiciels de
traitement des images astronomiques
qui supporte les formats d’images
RAW générés par les APN. Il est
très populaire, assez facile d’accès,
bien documenté en français par son
auteur C. Buil, et téléchargeable
gratuitement par l’internet. Au cours
des années, il est de-facto devenu la
référence dans ce domaine.
Tout d’abord, ce logiciel permet
de convertir directement le format
d’image RAW natif des APN les plus
répandus (marques Canon et Nikon)
dans un format propriétaire PIC
(extension « .pic ») Ce format stocke
les pixels en 16 bits de profondeur
pour le mode noir&blanc et 48 bits
pour le mode couleur. Il s’agit d’un
codage sans perte, qui garantit que
toutes les informations contenues
dans l’image seront utilisées. Une
fois cette conversion RAW vers
PIC faite, Iris permet d’effectuer
directement toutes les opérations
arithmétiques et de recalage
nécessaires au pré-traitement. Ce
format PIC est donc le format à
utiliser avec ce logiciel. Outre le fait
qu’il soit propriétaire, ce format est
non-compressé, et utilise donc des
fichiers de grosse taille. Ainsi 100
images RAW issues d’un Canon
350D vont générer 100 fichiers
« .pic » de 46 Mo, soit 4,6 Go ! Et
si on effectue des opérations de prétraitement
sur ces images, les images
intermédiaires (aussi au format PIC)
20 à 30 Go. Il faut donc prévoir de la
place disponible sur son disque dur !

Post-traitement :
le format BMP

Le résultat du traitement par Iris est
généralement constitué de quelques
images qu’on désire retoucher. Le
mieux est de stocker ces images
dans le format non compressé le
plus répandu, à savoir le format
BMP. Ainsi ces images pourront
être retouchées directement par
des logiciels spécialisés, tels que
PaintShopPro, PhotoShop ou The
Gimp. Chacun des logiciels ayant
un format de prédilection, le mieux
est d’utiliser ce format pour faire les
traitements (correction de gamma,
cadrage d’image, masquage, etc...),
mais de revenir au format BMP pour
sauvegarder.

La publication sur Internet :
le format JPEG

Avant de traiter de la publication,
quelques chiffres : si un internaute
dispose d’un accès « haut-débit »
à l’internet (1 Mb/s), le temps de
téléchargement sur son ordinateur
d’une image de 3072x2048 pixels
sur 16 bits (soit un fichier de 12 Mo)
sera de 1mn 36 s. Par contre, il lui
faudra patienter plus de 36 mn pour
la même image si son accès internet
est de type « classique » (56 kb/s).
De ces chiffres, il faut retirer qu’il
est inconcevable de publier sur une
page internet des fichiers BMP. Il
faut impérativement réduire la taille
de l’image brute et compresser le
résultat en JPEG avant de l’insérer
dans une page web. Idem pour
l’envoi sur une liste de type Calanet :
la taille du fichier joint à un message
sur une liste ne devrait pas excéder
quelques 150 ko. C’est une question
de correction vis-à-vis des abonnés
à la liste

Ressources

- ΙRΙS : on peut trouver IRIS et sa documentation sur le site Christian BUIL
- The GIMP : c’est un logiciel libre analogue à PHOTOSHOP
- Le format RAW : quelques explications détaillées à cette adresse
- Le mode RAW spécifique à CANON
- L’entropie et le format JPEG


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