La compression est un vaste sujet,
pouvant remplir plusieurs volumes d'une
revue technique. Cet article n'est
donc qu'un essai simple pour vous aider à mieux comprendre
ce qu'est la compression et comment elle fonctionne. Pour
ceux, beaucoup plus férus de sciences, intéressés par des
détails plus pointus, l'Internet regorge de sites traitant
du sujet et les bibliothèques ne manquent pas d'ouvrages
très documentés.
En photographie numérique, plus la résolution de l'image est élevée
et plus l'éventail d'échantillonnage des couleurs est large, plus le
fichier-image résultant est important. Afin de rendre l'utilisation et
la manipulation d'images numériques plus pratiques - autant pour les
transmissions par réseaux que pour le stockage sur disque dur - des algorithmes
ont été développés qui réduisent la quantité de données nécessaires pour
définir l'image. Lorsque ce processus est inversé, l'image est restaurée.
Ces algorithmes de compression sont effectivement très utiles lorsque
l'on est limité en espace libre sur le disque, ou lorsque la vitesse
de transmission est critique. Pour atteindre un taux d'économie de taille
intéressant, beaucoup de ces systèmes de compression sacrifient une relative
quantité d'informations constituant l'image. Le but est d'obtenir une
image compressée qui, une fois restaurée, est la plus indiscernable possible
de l'originale.
Numérisation :
Lorsqu'une photo est numérisée, ses couleurs sont échantillonnées et converties
en format binaire. La plus petite partie de l'image échantillonnée s'appelle
le pixel. Pour mieux comprendre cet état de l'image, il faut imaginer une
carte sur laquelle l'information concernant la couleur de chaque point/pixel
est en valeur x-y (cartésienne) ou coordonnées. Lorsque cette carte
est reconvertie en image, chaque pixel regagne sa position et sa couleur
en rapport avec tous les pixels mitoyens constituant l'image.
Les différents types de compression d'image :
Différents types d'algorithmes ont été développés pour réduire les
tailles de fichiers image. Pour notre propos, il n'est pas très utile de
les passer tous en revue. Nous distinguerons tout de même deux grandes
familles : les compressions de types non-destructives (lossless)
et celles de types destructives (lossy) .
Un algorithme de compression de type non-destructif encode les informations
de l'image de manière à occuper moins d'espace lors du stockage
en mémoire. Un exemple : la compression LZW, un acronyme des noms
de ses inventeurs : Lempel, Ziv et Welch, propriété de Unisys. Généralement,
LZW peut compresser une photo jusqu'à un ratio de 2:1, parfois un
peu plus. La majorité des algorithmes de ce type ne permettent d'économiser
que peu d'espace. Cependant, lorsqu'une image est stockée suivant ce procédé,
il est ensuite possible de la restaurer sans perte de détails ou de qualité d'image.
Les compressions destructives ignorent carrément une certaine quantité de
l'information d'origine. Lorsque l'image est restaurée, elle présente des
signes de manque d'information plus ou moins visibles par rapport à l'original.
Comme nous le verrons plus tard, cela est souvent moins critique qu'il
n'y paraît pour l'instant.
Les algorithmes destructifs, en fonction du niveau de compression choisi,
peuvent réduire une image jusqu'à un ratio de 10:1 et même dans
certains cas de 20:1. En photographie numérique, un de ces algorithmes
est le plus fréquemment employé : il s'agit de celui mis au point par le Joint
Photographic Experts Group dont les initiales donnent le nom de ce
procédé : le JPEG.
Comment ça marche :
Le JPEG a été créé spécifiquement pour la transmission des images photographiques.
Cet algorithme de compression de type destructeur est conçu de sorte qu'il
ignore une quantité variable de données constituant originellement l'image.
Le JPEG tient compte d'un aspect de la perception visuelle : le fait que
l'oeil soit moins sensible aux changements subtils de couleurs qu'aux variations
de luminosité.
La compression JPEG agit en trois étapes principales :
transformation
quantification (l'étape destructive)
encodage
La première étape - transformation - change l'information de l'image
pour l'exprimer sous forme de chrominance (valeurs de couleurs)
et luminance (brillance). De la qualité de cette évaluation
dépend la phase suivante : la quantification.
La quantification est l'étape où certaines informations
sont ignorées, de sorte que la somme finale d'informations
définissant l'image diminue.
La surface totale de l'image est analysée par groupe de 8 x 8 pixels
(bloc de 64 pixels). A l'aide d'un procédé mathématique complexe, les chrominances mesurées
dans un de ces blocs sont évaluées pour être exprimées en une moyenne
valable pour tout le bloc. Autrement dit, les petites variations de couleurs
sont ignorées dans ces surfaces.
Finalement, l'encodage, requérant un procédé similaire à une
compression de type non-destructive, est appliqué à l'information
résultant de la quantification pour utiliser encore moins
d'espace.
Lorsque le fichier est relu, le processus est inversé, recréant une image
la plus proche possible de l'originale observable à l'oeil nu.
La compression JPEG peut atteindre un indice très élevé. Certaines images
ci-dessous en sont la démonstration. Mais c'est une compression de type
destructif, cela signifie que des différences, lorsque l'on compare précisément
la version JPEG et l'originale, peuvent être constatées. Ces forts grossissements
illustrent notre propos ; les effets de la compression JPEG sont beaucoup
moins flagrants à taille normale.
Quelques exemples :
L'image de droite est un exemple de l'effet de la quantification
d'un JPEG. De légers blocks carrés sont visibles sur toute
sa surface, montrant les zones où la quantification s'opère.
Ce processus réduit la chrominance dans ces espaces, les
petites variations de couleurs étant ignorées.
Le résultat est une perte de détails ou de piqué dans l'image. Ceci peut être
difficile à percevoir lorsque l'image est présentée à la taille à laquelle
elle a été conçue. Néanmoins, une légere altération dans les textures
et les couleurs est souvent perceptible.
NOTE:
Les images jouxtant ce
paragraphe sont en format JPEG, mais à un faible niveau
de compression. Celles-ci sont issues de forts grossissements
et laissent apparaître les effets de la compression.
L'image non compressée : Ici, l'image est un grossissement à 200% du même
objet en bois vu ci-dessus. Elle présente un plus grand
nombre de subtilités dans la couleur, ainsi qu'une bordure beaucoup
plus douce de la zone noire. Avec les appareils numériques, la
possibilité de conserver les images sans aucune compression peut être
un excellent atout lorsque les détails sont primordiaux. Et c'est
de plus en plus un mode de capture dont les nouveaux appareils
sont pourvus ; avantage fort intéressant avec la diminution du
prix des cartes mémoire et l'augmentation de leur autonomie.
L'impact sur la couleur :
Nous vous présentons maintenant deux images apparemment identiques. L'une
est une version très compressée en JPEG, l'autre ne l'est pas du tout.
Pour bien montrer la différence entre ces deux "résultats", nous
les avons ouverts dans une application d'édition d'images et les avons
agrandis à 300%. Une capture directe de l'écran a donné ces imagettes.
Pour éviter l'apparition de plus d'artefacts, nous les avons ensuite conservées
en format GIF. La compression GIF réduit la palette de couleurs pour diminuer
la taille du fichier image, or ces images ne contiennent que peu de couleurs
(bleus, verts et noirs), le format GIF n'a donc que très peu d'effet sur
elles.
Cette image montre l'effet de la quantification faite par le JPEG. D'une
part, le bleu du ciel contient moins de tonalité que dans l'image de droite
et présente des échelles dues à la quantification. D'autre part, il y a
une dégradation de la netteté du bord de la poutre.
Cette image contient toujours de vraies nuances de bleu dans le ciel. Les
bords de la poutre se détachent nettement, aucun mélange n'apparaissant
dans ce cas. Le flou est la première dégradation remarquable
dans une image compressée en JPEG.
Les avantages et inconvénients de la compression
JPEG :
Le réel intérêt de la compression JPEG provient de la diminution effective
de la taille du fichier image. Pour les appareils numériques, cela permet
de stocker plus d'images dans une quantité donnée de mémoire. En contrepartie,
une nette perte de qualité d'image survient et s'aggrave avec l'augmentation
du taux de compression.
La compression JPEG est donc un outil utile. Elle permet d'envoyer sur Internet ou
par e-mail des images de bonne qualité, qui, non compressées,
demanderaient un temps de transfert très important. Elle favorise également
le stockage chez soi de beaucoup d'images qui nécessiteraient sans cela énormément
d'espace sur un(des) disque(s) dur(s).
L'inconvénient du format JPEG réside dans son mauvais traitement
des bordures franches et du texte qu'il tend à rendre flous en mélangeant
les bords avec le fond.
En outre, la compression JPEG réduit la profondeur des couleurs d'une image.
Dans certaines situations et avec une forte compression, il peut advenir
une dominante colorée sur toute la surface de la photo.
Les effets de la compression JPEG sur le texte :
Les exemples ci-dessus illustrent l'effet de la compression
JPEG sur du texte ou des bordures aiguës. Notez que, une
fois encore, ces images sont considérablement agrandies.
La majorité de leurs imperfections est nettement moins
visible à taille réelle. Néanmoins, elles présentent bel
et bien la disparition de détails qui survient lors de
la compression.
Notre opinion :
Les lecteurs de megapixel.net remarqueront sans
doute que nous signalons, lors de nos tests, la possibilité pour
un appareil d'enregistrer les images sans aucune compression.
La raison en est simple : nous avons constaté que l'étude
des images obtenues uniquement par le biais de l'objectif
et du capteur nous en apprend beaucoup plus sur les qualités
photographiques de l'appareil.
Tandis que la compression offre de nombreux avantages en photographie
numérique, l'observation précise du résultat obtenu sans
qu'une compression intervienne nous semble sans équivoque. Tout d'abord,
elle permet de rendre effectivement compte des qualités intrinsèques
du boîtier - que l'acquéreur est en droit d'exiger. De plus, dans certains
cas, une image pleine de détails peut être une alternative bien agréable.
Ne serait-ce que pour ces deux raisons, l'option de non compression ne
devrait jamais être négligée.
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