Les formats bitmap

Les formats bitmap
Comment une image est-elle mémorisée par un ordinateur ?
Cours de base pour graphistes

Bits, nibbles, octets, bytes, mots et long-mots

Commençons par parler de ce que l'ordinateur utilise pour mémoriser toutes choses : les bits. Un bit est une "mémoire" qui peut se trouver dans deux états : l'état O et l'état I. C'est comme une pièce de monnaie posée sur une table : elle peut être côté côté pile ou côté face. Supposons par exemple qu'un ami passe chez toi tous les soirs. Mais parfois tu voudrais qu'il achète un pain chez le boulanger en bas de chez toi avant de monter chez toi. Tu pourrais passer la convention suivante avec lui : "Si un mouchoir est attaché au pignon de la fenêtre, il faut prendre un pain. S'il n'y a pas de mouchoir au pignon de la fenêtre il ne faut pas acheter de pain." Le pignon de la fenêtre est un bit. Il est dans l'état O (pas de mouchoir) ou dans l'état I (mouchoir). S'il est dans l'état O il ne faut pas acheter un pain. S'il est dans l'état I il faut acheter un pain. N'importe quoi convient pour servir de bit. Un ordinateur classique utilise trois moyens différents :

Deux transistors tête-bêche. Ils se maintiennent allumé l'un-l'autre (état I) ou ils se maintiennent éteins (état O). Ton ordinateur en contient de l'ordre d'un million. Ils peuvent changer d'état en 2 milliardièmes de seconde. Toutes les puces de ton ordinateur en contiennent mais c'est le microprocesseur qui en contient la majorité.
Un condensateur. Un condensateur est un petit bidule qui peut "stocker" des électrons. Si le condensateur est vide on dit qu'il est à l'état O, s'il est plein on dit qu'il est à l'état I. Ton ordinateur en contient de l'ordre de un milliard. Ils peuvent changer d'état en 10 milliardièmes de seconde. Les puces qui contiennent ces bits là sont appelées la RAM.
Des grains de ferrite qui sont aimantés dans un sens ou dans l'autre. S'ils sont aimantés avec le pôle sud vers le bas c'est l'état O. Avec le pôle nord vers le bas c'est l'état I. Ton ordinateur en contient cent milliards. Ils peuvent changer d'état en 100 milliardièmes de seconde. Leur gros avantage par rapport aux deux types de bit cités ci-dessus est qu'il gardent leur état même quand l'ordinateur est éteint. Cette mémoire là s'appelle le disque dur.

Quand l'ordinateur fonctionne, il utilise essentiellement les bits de son microprocesseur et de sa RAM, parce qu'ils sont très rapides. Le disque dur sert essentiellement au stockage. C'est pour cela qu'il est impératif que tes images soient "sauvées sur le disque dur" avant d'éteindre l'ordinateur.

Les images peuvent bien sûr aussi êtres stockées sur des disquettes. Elles fonctionnent comme le disque dur, mais elles sont beaucoup plus lentes et ne peuvent stocker que douze millions de bits. Leur avantage est qu'elles sont amovibles, légères et qu'elles ne coûtent que 15 FB pièce. Si tu poses un aimant puissant sur la surface de ferrite à l'intérieur de la disquette (en faisant coulisser le volet métallique), tu polarises tous les grains de ferrite avec leur pôle sud vers le haut ou vers le bas, donc tu mets tous les bits de cette zone à O ou à I, donc tu effaces les données mémorisées à cet endroit.

Tu vas peut-être me dire "C'est gentil que mon ordinateur contiennent des centaines de milliards de bits, mais avec un bit on ne peut vraiment pas faire grand-chose. C'est pas très performant ces machins là. Ils peuvent juste mémoriser "oui" ou "non". Tu as bien sûr raison. C'est pour cela qu'on utilise des groupes de bits :

Un groupe de 4 bits s'appelle un nibble.
Un groupe de 8 bits s'appelle un octet ou un byte
Un groupe de 16 bit s'appelle un mot
Un groupe de 32 bits s'appelle un long-mot

Un nibble peut mémoriser un chiffre de 0 à 15. En effet, un groupe de 4 bits peut se trouver dans 16 état différents : OOOO, OOOI, OOIO, OOII, OIOO, OIOI, OIIO, OIII, IOOO, IOOI, IOIO, IOII, IIOO, IIOI, IIIO, IIII.

On a décidé que OOOO voulait dire 0, OOOI veut dire 1, OOIO veut dire 2, OOII veut dire 3, OIOO veut dire 4, OIOI veut dire 5, OIIO veut dire 6, OIII veut dire 7, IOOO veut dire 8, IOOI veut dire 9, IOIO veut dire 10, IOII veut dire 11, IIOO veut dire 12, IIOI veut dire 13, IIIO veut dire 14, IIII veut dire 15.

Un octet peut se trouver dans 256 états différents.

Un mot peut se trouver dans 65.536 états différents.

Un long-mot peut se trouver dans 4.294.967.296 états différents.

Par exemple, l'ordinateur utilise des octets pour mémoriser les caractères d'un texte : OOIOOOOO veut dire "un espace", OIOOOOOI veut dire "A majuscule", OIOOOOIO veut dire "B majuscule", OIOOOOII veut dire "C majuscule", OIIOOOOI veut dire "a minuscule", etc...

Un nibble convient très bien pour dire à ton ami combien de miches il faut acheter à la boulangerie. Tu poses quatre pots sur le rebord de ta fenêtre. Un pot retourné veut dire O, un pot à l'endroit veut dire I. S'il voit les deux premiers pots retournés, le troisième à l'endroit et le quatrième retourné, soit OOIO, il sait que tu veux deux miches.

Tu as peut-être déjà entendu des transmissions digitales à la radio. Une suite de sifflements stridents et désordonnés. Ce sont des ordinateurs qui se transmettent de l'information. Si par exemple tu entends taaat tuuut taaat taaat taaat taaat taaat tuuut, soit OIOOOOOI, tu sais que l'un des ordinateurs vient probablement de transmettre à l'autre le code de la lettre A majuscule. L'ordinateur destinataire stocke soigneusement chaque son dans un bit de sa mémoire. Quand il entend taaat il stocke O et quand il entend tuuut il stocke I. Bit, après bit, octet après octet, un texte est mémorisé dans sa mémoire. A la fin de sa transmission, il sait que ce paquet de disons 395 octets, là dans sa mémoire, contient les codes de 395 lettres qui forment un texte.

Les formats d'image.

Voyons tout d'abord les formats directs :

Le format 1-bit sert à mémoriser des images où les points sont soit tout noirs soit tout blancs. Il faut 1 bit par point. Pour mémoriser un image de 400 x 200 points il faut donc 80.000 bits, soit 10.000 octets. Ce format convient bien pour mémoriser des images de texte ou des bandes dessinées en noir et blanc.
Le format grayscale sert à mémoriser des images où chaque point peut avoir 256 niveaux de gris. Il faut 8 bits par point. Chaque point a une valeur entre 0 et 255. 0 veut dire qu'il est tout noir, 255 veut dire qu'il est tout blanc. 10 gris très foncé, 30 gris foncé, 128 gris moyen, 200 gris clair, 250 gris très clair... En d'autres termes, si les 8 bits qui servent à mémoriser la valeur d'un point de l'image sont à OOOOOOOO, cela veut dire que ce point est tout noir. Si les 8 bits qui servent à mémoriser ce point sont à l'état IIIIIIII, ce point est tout blanc. IOOOOOOO veut dire qu'il est gris moyen. Pour mémoriser une image de 400 x 200 points il faut 80.000 octets, soit 640.000 bits. C'est le format pour les photos N&B.
Le format Hi-Color, ou format 24 bits, ou encore format 16 million de couleurs. C'est le format couleur. Dans ce format, on mémorise pour chaque point sa quantité de rouge, sa quantité de vert et sa quantité de bleu, à l'aide chaque fois d'un chiffre entre 0 et 255. Il faut donc un octet pour chaque composante de couleur. Pour mémoriser les trois composantes de couleur d'un point il faut donc trois octets, soit 24 bits. Si un point a comme valeur des composantes 0 0 0, cela veut dire qu'il contient 0% de rouge, 0% de vert et 0% de bleu. Il est donc tout noir. Si un point a comme valeur des composantes 0 0 255, cela veut dire qu'il est fait de 0% de rouge, 0% de vert et 100% de bleu. Il est donc bleu vif. Si un point a comme valeur des composantes 64 64 0, cela veut dire qu'il est fait de 25% de rouge, 25% de vert et 0% de bleu. Il est donc jaune foncé. 128 128 128 = 50% 50% 50% = gris moyen. 255 255 255 = 100% 100% 100% = blanc. 200 0 200 = 78% 0% 78% = magenta assez brillant. Pour mémoriser une image de 400 x 200 points il faut 240.000 octets, soit près de deux millions de bits. C'est le format pour les photos couleur.

Voici les formats indexés (format indexé veut dire "image accompagné d'un index des couleurs", "une table des couleurs") :

Le format 1-bit indexé fonctionne comme le format 1-bit direct, à ceci près qu'on mémorise à quelle couleur correspond le O et à quelle couleur correspond le I. Pour mémoriser le dessin d'un panneau routier, par exemple, où chaque point est soit tout blanc soit tout bleu, on dira : "O veut dire 100% de rouge, 100% de vert et 100% de bleu. I veut dire 20% de rouge, 20% de vert et 90% de bleu." Pour mémoriser une image de 400 x 200 points, il faut 10.006 octets : 10.000 octets pour mémoriser le bit de chaque point et 6 octets (2 x 24 bits) pour mémoriser quels pourcentages de composantes rouge, vert, bleu veut dire O et quels pourcentages de composantes veut dire I. (Donc, changer le bleu du panneau routier est très facile : inutile de modifier tous les points, il suffit de changer les trois octets qui donnent les composantes auxquelles correspond l'état I pour tous les point.)
Le format 4-bit indexé utilise une petite table de 16 couleurs, numérotées de 0 à 15. Dans cette table, chaque couleur est décrite soigneusement, par son % de rouge, son % de vert, son % de bleu. Ensuite, chaque point de l'image est mémorisé à l'aide d'un nibble, 4 bits. Si un point a comme nibble OOII, c'est à dire 3, il faut regarder dans la table pour savoir quels sont les quantités de rouge, vert, bleu de la couleur n° 3. Pour mémoriser une image de de 400 x 200 points il faut 40.048 octets : 40.000 octets pour mémoriser tous les nibbles et 48 octets pour mémoriser les % de composantes des 16 couleurs (16 x 3 octets = 48 octets). Ce format convient très bien pour mémoriser des petits logos. Souvent on n'utilise pas toutes les 16 couleurs, on se contente de d'utiliser quelques couleurs., comme un peintre qui ne met que cinq couleurs sur sa palette et qui ne les mélange pas entre elles. Le format 4-bits indexé convient aussi relativement bien pour des photos N&B : l'ordinateur peut calculer automatiquement la palette de 16 teintes de gris qu'il lui faut pour reproduire vaille que vaille la photo.
Le format 8-bit indexé. Comme le format 4-bit indexé, sauf qu'on utilise une table de 256 couleurs et un octet par point. Pour mémoriser une une image 400 x 200 il faut donc 80.768 octets : 80.000 octets pour mémoriser le n° de la couleur de chaque point (un octet par point) et 768 octets pour mémoriser les % de composantes de chacune des 256 couleurs (256 x 3 = 768). Ce format est presque toujours utilisé pour mémoriser des photos couleur. On donne une photo 24-bit à l'ordinateur et il calcule la table de 256 couleurs la mieux appropriée pour dessiner cette photo. Pour que la photo en 256 couleurs ait l'air la plus fidèle possible, l'ordinateur triche un peu : si un point était un peu trop sombre, alors il veillera à ce que le point juste à côté soit un peu trop clair. Comme ça, quand on regarde la photo de loin, on a l'impression que tout est juste. (Si la photo est en N&B, le format 8-bit indexé donne évidemment un résultat parfait, équivalent au grayscale. Le format 8-bit indexé a une supériorité sur le grayscale : il peut mémoriser une teinte de la photo, légèrement jaunie par exemple.)

Un graphiste ne travaille jamais avec des photos en format indexé. Ce pour deux raisons :

Une photo en format indexé est toujours un peu détériorée, puisque l'ordinateur se contente d'une palette de 16 ou de 256 couleurs pour la mémoriser. Si on travaille et retravaille une image en format indexé, les erreurs peuvent augmenter exponentiellement et devenir flagrantes au bout de quelques manipulations.
Il est plus difficile pour l'ordinateur de travailler sur une image en format indexé que sur une image en format direct. Le format indexé, c'est du chipot.

Les formats indexés ont été inventés parce qu'ils conviennent souvent assez bien pour mémoriser et reproduire une image et qu'ils utilisent moins de mémoire que les formats directs. Un graphiste peut donc éventuellement mettre une image en format indexé une fois qu'elle est terminée, pour qu'elle prenne moins de place, pour qu'elle se transmette plus vite par Internet.

Un format indexé peut être avantageux pour travailler sur des logos bruts, quand le logiciels qu'on utilise est adapté aux images indexées. On peut alors disposer de certaines possibilités qu'on aurait pas en format direct. Par exemple on peut définir soi-même chacune des 2, 16 ou 256 couleurs qu'on utilise. Fondamentalement cela ne permet pas de faire des choses qui seraient impossibles en format direct, mais c'est plus pratique pour travailler.

Les techniques de compression

Les trois types d'image importants à connaître sont le type BMP, le type JPEG et le type GIF.

Le type BMP est un format non compressé. Les points de l'image sont mémorisés tels quels, à la queue-leu-leu. Une image 400 x 200 de type BMP aura donc toujours exactement la taille calculée ci-dessus pour une image 400 x 200, suivant le format. Le type BMP peut mémoriser des images dans presque tous les formats ; 1-bit, 4-bit, 8-bit, 24-bit, direct ou indexé. C'est dans ce format qu'un graphiste mémorise les images sur lesquelles il travaille.
Le format GIF est un format compressé. Il ne concerne que les images en format indexé ; 1-bit (deux couleurs), 4-bit (seize couleurs) ou 8-bit (256 couleurs). Son principe est très simple : en gros, si 37 points successifs de l'image ont le même couleur, disons la couleur n° 152, au lieu d'utiliser 37 octets pour mémoriser 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152 152, ce qui prend beaucoup de place pour dire 37 fois la même chose, le format GIF utilise 2 octets : 37 152. Plus exactement, il s'intéresse au fait qu'il y ait plusieurs fois la même séquence de points dans l'image. S'il remarque qu'il y a plusieurs fois la suite de 7 octets 45 8 9 100 23 82 3, il mémorise que cette suite de points porte disons le numéro 4. Chaque fois que l'image contient cette suite de points, le fichier GIF contiendra simplement 4, au lieu de contenir 45 8 9 100 23 82 3. Economie ! Le type GIF est rigoureux : l'image compressée sera exactement la même qu'avant la compression. Attention : si on veut compresser en type GIF une image au format Hi-Color 24-bit, l'ordinateur devra d'abord la transformer en image 8-bit 256 couleurs indexée, ce qui la détériorera. Le type GIF n'en peut rien : son rayon, c'est les images indexées. Il les respecte parfaitement. Si pour pouvoir mettre une image en type GIF vous la transformez en image indexée, c'est votre responsabilité. En devenant indexée l'image sera détériorée, mais cette image indexée sera parfaitement respectée par le type GIF, au plus petit détail près. Le type GIF arrive souvent à comprimer très fort des logos ; des dessins avec des trames précises, des zones de couleur uniformes. Pour des photos dégradées en format indexé 8-bit (palette de 256 couleurs), le type GIF est peu performant, mieux vaut utiliser le type JPEG.
Le type JPEG est destiné à compresser des photos. Il s'applique aux formats directs 8-bit grayscale et 24-bit Hi-color. La compression se fait en mémorisant une description sommaire de la photo découpée en petits carrés de 8 x 8 points. Pour chaque carré le format JPEG mémorise des informations comme "Globalement le carré est jaune, le jaune est plus clair vers le bas, il y a de petites ondulations vertes verticales". Il utilise pour chaque carré la description du carré précédent : "Ce carré est comme le carré précédent, mais les ondulations vertes sont un peu plus espacées". La compression de type JPEG entraîne des pertes : l'image compressée perd des détails par rapport à l'image originale. Le taux de perte peut être réglé : plus on comprime fort, plus l'image sera abîmée. La compression au format JPEG donne de très bons résultats : si on comprime une photo pour qu'elle prenne dix fois moins de place sur le disque dur (ou pour qu'elle se transmette dix fois plus vite par Internet), les pertes sont invisibles. A l'oeil nu on ne peut pas voir de différence entre la photo originale et la photo après compression et décompression. Le type JPEG convient très mal pour des images comme des logos ; des images avec des zones de couleur uniformes et une transition brutale entre les zones, comme les caractères de ce texte, par exemple, ou un panneau de signalisation routière. Si on tente de compresser un logo pour en faire un fichier de type JPEG, à la décompression on se retrouvera avec des bavures abominables entre les zones de couleur. Il y a moyen de compresser des logos en les abîmant très peu : il faut demander un taux de compression très faible. Le fichier compressé sera à peine plus petit que le fichier original... Pour des logos, le type GIF l'emporte haut la main sur le type JPEG.

Tous les autres types de stockage d'images ; PCX, PPM, YUV, EPS, TIFF... ressemblent à ces trois types de base ou n'en sont que des adaptations.

La transparence

Certains logiciels et certains formats d'image permettent de définir la transparence de chaque point. Pour une photo simple, cette notion est inutile. Mais pour une image destinée à être posée sur une autre image, c'est une notion essentielle.

Prends par exemple les icônes sur ton bureau. Ce sont tous des bitmap 32x32 ou 64x64. Pourtant tu ne vois pas des carrés bruts de cette taille. L'icône de la poubelle, par exemple, est un joli polygone. Tout autour du dessin de la poubelle, le fond du bureau apparaît. Tout simplement, pour tous les points où le fond de l'écran doit apparaître, le bitmap de la poubelle contient l'information "Ce point est transparent ! Ne rien afficher ! Afficher ce qu'il y a derrière !".

Un autre exemple : les pages Web. Comment un logo rond peut-il être affiché correctement sur un fond bariolé alors qu'un bitmap est nécessairement rectangulaire ? Tout simplement parce que tous les points autour du rond sont notés "transparents".

La notion de transparence est vitale pour un graphiste. Quand il colle une image sur une autre image, il lui est nécessaire de pouvoir dire au préalable quelles parties de l'image qu'il colle doivent être transparentes, laisser voir la photo de fond. Pour éviter l'apparition "d'escaliers" il est même nécessaire, pour un travail professionnel, que chaque point puisse avoir une transparence variable. Certains points doivent totalement laisser voir la photo de fond, d'autres points doivent seulement la laisser apparaître partiellement. Ils doivent être partiellement transparent.

Le type GIF (couleurs indexées) permet de gérer la transparence de façon toute simple. Il suffit de dire "La couleur n° x n'est pas une couleur, elle veut dire que c'est transparent". Si on veut dessiner un rond, pour qu'il apparaisse comme un rond sur un fond quelconque, il suffit de dessiner tout ce qui est hors du rond disons en vert. Puis il faut dire au logiciel "Ce qui est vert (couleur n° x), et bien c'est transparent". Certains types travaillent d'une autre manière : l'image est accompagnée d'une image 1-bit de la même taille. Le bit de cette seconde image sert à définir si un point de l'image est transparent ou non. I il est transparent, O il n'est pas transparent (ou le contraire, peu importe).

Il existe des types d'image photo capables de mémoriser une transparence variable pour chaque point de l'image. Chaque point est donc constitué de 4 octets, 32 bits. Trois octets pour la proportion de rouge, vert et bleu. Un octet pour le degré de transparence : 0% le point est opaque, 100% il est totalement transparent (sa couleur n'a pas d'importance). 50% il est à moitié transparent (il faudra faire un mélange 50%-50% de sa couleur est de la couleur du point de l'image sur lequel on le superpose). (Ceci n'a rien à voir avec les "outils de superposition" que proposent certains logiciels. Ils permettent de définir la proportion et le type de transparence réciproque de deux images que l'on superpose. Les deux images peuvent ne contenir aucune information de transparence. Une fois la superposition faite, en transparence, elles n'en contiendront toujours pas.)

L'avenir des couleurs

Actuellement la photo, l'imprimerie, la télévision et l'informatique partent du principe qu'à base des trois couleurs fondamentales rouge, vert et bleu on peut reproduire toutes les couleurs perceptibles par l'oeil humain. La raison en est que l'oeil contient trois types de récepteurs différents :

Des récepteurs surtout sensibles à la lumière rouge.
Des récepteurs surtout sensibles à la lumière verte.
Des récepteurs surtout sensibles à la lumière bleue.

Mais les récepteurs rouge et verts sont également sensibles au jaune. Les récepteurs verts et bleu sont également sensibles au cyan. Donc, quand l'oeil regarde un point jaune, qui envoie de la lumière jaune vers l'oeil, les récepteurs rouges et les récepteurs verts sont stimulés. Le cerveau en déduit qu'il voit du jaune.

Si on "triche", si l'oeil regarde un point qui lui envoie du rouge et du vert, le résultat sera le même : les récepteurs rouges et les récepteurs verts sont stimulés. Donc le cerveau en déduit qu'il voit du jaune. Pour faire croire qu'un point est orange, il suffit qu'il envoie beaucoup de rouge et un peu de vert... Pour faire croire qu'un point est vert citron, il suffit qu'il envoie beaucoup de vert et un peu de rouge. Ainsi, en trichant un peu, l'oeil est capable de percevoir toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Quand il voit du jaune, il est incapable de dire si c'est de la lumière jaune ou si c'est un mélange de lumière rouge et de lumière verte, mais peu importe. Quand il voit du rouge pur, du vert pur ou du bleu pur, alors on est certain que c'est bien de la lumière rouge, verte ou bleue.

L'élément exotique est que ce système fait apparaître des couleurs qui n'existent pas dans l'arc-en-ciel : par exemple le magenta. Le magenta est constitué de rouge et de bleu. D'un point de vue physique, la couleur magenta n'existe pas, elle ne fait pas partie de l'arc-en-ciel. Il n'existe pas de lumière magenta. La couleur magenta est nécessairement un mélange de lumière rouge et de lumière bleue. Quand l'oeil reçoit de la lumière rouge et de la bleue, il dit "Oh, du magenta !", tout comme il dit "Oh, du jaune!" quand il reçoit de la lumière rouge et de lumière verte ou de la lumière jaune (ou un mélange des trois).

En réalité l'oeil est sensible à plus que trois lumières. Presque tous les êtres humains sont sensibles au violet. Certaines personnes, surtout des femmes, sont sensibles à une cinquième lumière, située entre le vert et le bleu. La lumière violet contribue énormément à donner de la richesse à certains paysages ou à certains objets, à certaines textures. La firme Fuji, je crois, commercialise actuellement une pellicule photographique pour appareils 24x36 traditionnels qui est également sensible au violet. C'est un grand progrès. Espérons que nous ne devrons pas trop attendre avant que les écrans d'ordinateurs reproduisent aussi la lumière violette et la cinquième couleur entre le vert et le bleu.

Un autre progrès qu'il faut attendre de la part des écrans d'ordinateurs est qu'ils deviennent capables d'afficher des points beaucoup plus lumineux. Si tout un écran devient uniformément surbrillant, il est évidemment impossible à regarder. Mais quand il affiche par exemple un paysage avec le soleil qui brille et rend les nuages très brillants juste autour de lui, si l'écran pouvait reproduire la forte brillance de cette partie de l'image... Ou la forte brillance des petits reflets de soleil sur l'eau ou dans une ville... Quelle magie ce serait ! Pour le moment nous devons nous contenter de zones blanches saturées débordant sur les côtés... Un essai est facile en imprimerie, par exemple en plaçant une lampe très forte derrière ou devant une affiche spéciale. En lumière normale l'affiche apparaît très sombre ou incomplète. Avec la lampe très forte les zones sombre apparaissent normales et les zones claires sont surbrillantes. Avec un moniteur actuel, on peut obtenir une idée du résultat en procédant ainsi : se placer dans une pièce noire, régler le moniteur à la luminosité maximum et afficher une image assombrie avec quelques parties brillantes.

Eric Brasseur - 13 janvier 2000 Pour Myriam [ Accueil | eric.brasseur@gmail.com ]