1 Institut Suprieur dInformatique Anne Universitaire 2008- 2009
Chapitre 3
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Plan Nature physique de limage 1. Qu'est-ce que la lumire? 2.
La perception visuelle chez l'tre humain 3. Synthse de couleurs
Additive Soustractive Modlisation et stockage de l'image
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Les 2 natures de la lumire Ondulatoire Loptique ondulatoire
considre la lumire comme une onde lectromagntique. Explique les
phnomnes affectant les ondes : interfrences, diffraction
Corpusculaire La thorie corpusculaire considre la lumire comme un
flux discontinu de photons. Son nergie est lie la frq de l'onde : E
= h (h, constante de Planck ; v, frq) Explique les observations
relatives l'mission et l'absorption de la lumire par la matire.
Vitesse de dplacement : ~ 300000 km/s. Caractristiques : Frquence.
~ 600000 Ghz lg donde : 500nm Intensit.
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Spectre de la lumire Couleur dpend de la longueur d'onde
Couleur (notion perceptive) lg donde (notion physique) Attention :
l'il ne distingue pas un Y monochromatique (une seule lg d'onde)
d'une composition de G et de R. Cest lillusion qui permet
d'afficher du Y sur les crans PC Longueur d'onde (nm)Couleur <
380rayonnements ultraviolets 380 - 450violet 450 - 490bleu 490 -
560vert 560 - 590jaune 590 - 640orange 640 - 760rouge >
760rayonnements infrarouges 380nm 760nm
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La perception visuelle L'oeil humain : Grce la corne et l'iris
limage se forme sur la rtine Rtine : cnes + btonnets Btonnets :
peroivent la luminosit et le mouvement Cnes : diffrencient les
couleurs 3 types : percevoir le bleu, le vert et le rouge.
Perception entre 400 et 700 nm. Si un type de cnes manque :
daltonisme.
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Sensibilit de l'oeil beaucoup + grande aux variations
d'intensit (luminance) qu'aux variations de couleur (chrominance)
Luminance (luminance) : % de N ou de B dans la couleur dsire,
brillance de la couleur, aspect clair ou sombre Chrominance :
Teinte (hue) : dtermine la couleur souhaite partir des couleurs
disposition (R,G,B,C,J,M); correspond la couleur de base Saturation
(saturation) : mesure l'intensit ou la puret d'une couleur, % de
couleur pure par rapport au B (caractre vif ou terne/ couleur vive
ou pastel), (
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Synthse additive Calcul fait par addition des longueurs d'onde
de sources lumineuses R, G, B : Toutes les couleurs peuvent tre
synthtises en utilisant les 3 sources monochromatiques
correspondant aux maxima de sensibilit des 3 types de cne de la
rtine de lil humain Modle RGB Mode de synthse adapt pour les
sources lumineuses (tubes cathodiques) Exemple: 2 composantes G et
R d'un moniteur d'ordinateur sont allumes quand les phosphores
associs sont frapps par les lectrons les couleurs des phosphores
juxtaposs se superposent en raison de la mauvaise rsolution de l'il
on voit du jaune blanc Mlange des couleurs par addition
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Synthse soustractive Calcul fait par soustraction des longueurs
d'onde de la lumire Mode de synthse adapte dans le mlange de
pigments, le filtrage et labsorption (imprimerie, peinture et art
du vitrail) Exemple : L'herbe et les feuilles paraissent vertes car
elles absorbent le complmentaire du vert ( violets et
ultraviolets). Ce sont les ondes utilises dans la photosynthse.
L'encre filtre la lumire rflchie par le papier blanc Lorsquon
mlange 2 couleurs au pinceau, la couleur obtenue est le rsultat
d'une synthse soustractive La couleur vue est la lumire non absorbe
Cyan, Magenta, Yellow : C R, M G, Y B alors que B R & G, R G
& B, G B & R Ce sont les 3 couleurs complmentaires de RGB.
Modle CMY Mlange des couleurs par soustraction noir Pigment jaune
absorbe le bleu W(R+G+B) Y=R+G
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Plan Nature physique de limage Modlisation et stockage de
l'image 1. Chane de limage 2. Image vectorielle 3. Image bitmap
Espace des couleurs et conversion Codage des images Mthode simple
Mthode par palette Avantages/limitations Format : BMP, TIFF, GIF,
PNG, Format : JPEG
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Chane de limage Acquisition/cration : numrisation (scanners,
appareils photos & camscopes numriques, carte dacquisition vido
)/synthse (via souris, tablettes graphiques ou par modlisation 3D)
Codage Perte d'information envisageable la compression Stockage
(disquette, disque dur, CD-ROM...) Traitement : modifier la taille,
la couleur, ajouter ou supprimer des lments, appliquer des filtres,
Transmission change de graphiques, de dessins, d'images.
Prolifration de formats, incompatibilits frquentes. Restitution :
Affichage, projection, Impression
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Format des images Les images vectorielles : On dcrit l'image
comme une association dobjets graphiques simples (droites,
ellipses,...). Formats SVG, SWF,... Les images bitmap : Image
pixlise. On indique la couleur de chaque pixel Formats BMP, GIF,
JPEG,...
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Image Vectorielle Images dcrites comme l'association dobjets
graphiques simples (droites, ellipses...). 3 types de donnes
graphiques : Points isols => objets ponctuels. Lignes isoles
=> objets linaires. Surfaces isoles => objets surfaciques.
Mthodes de reprsentation vectorielle : Fil de fer 2D. Polydrique.
Codage des contours
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Redimensionnement Pas de perte de qualit, les courbes sont
lisses quelque soit l'chelle d'affichage Bitmap Vectorielle
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Le format WMF WMF (Windows Meta File) format vectoriel de
Windows, utilis par Microsoft Draw, et anciennes versions de Word,
Excel. Format mixte, pouvant contenir des informations sous forme
matricielle Un fichier WMF contient : Une suite d'objet (cercle,
carre, bitmap,...). Chacun dcrit par un entte. Peut contenir jusqu
65535 objets
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Autres formats vectoriels SVG (Scalable Vector Graphics) :
Spcification W3C bas sur XML pour grer les images vectoriels
notamment sur le web. Supporte les animations et le son. Format du
futur mais dbut difficile : Pas dimplmentation native dans les
navigateurs web; dveloppement en cours. Plug-in dAdobe :
http://www.adobe.com/svg/viewer/install/main.htmlhttp://www.adobe.com/svg/viewer/install/main.html
Editeurs libres : Sodipodi et OpenOffice Draw Apparition de banques
de clipart sur l'Internet. AI (Adobe Illustrator) Format de Adobe,
trs populaire EPS (Encapsuled PostScript) : Format mixte universel
de Adobe bas sur postscript mais contenant une image de
prvisualisation vectorielle ou bitmap. PDF (Portable Document
Format): Format mixte universel de Adobe driv de PostScript et
prservant la mise en forme, les polices, les couleurs et les
graphiques du document source. PICT (Picture) : Format par dfaut de
Mac OS. SWF (Flash) : Format danimation vectorielle propritaire de
Macromedia destin au web, trs populaire. Supporte les animations et
le son. DXF (Drawing eXchange Format): Format de AUtodesk utilis en
DAO ( logiciel libre QCad ) CGM (Computer Graphics Metafile) :
norme ISO; Format mixte utilis en DAO
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Avantages Codage riche prenant en compte la smantique Codage
compact : fichiers de taille rduite Redimensionnement sans perte de
qualit Retouches aises car lments de l'image indpendants Animation
+ simple grce aux vecteurs Traduction aise en bitmap Recherche de
texte, dobjets Lien hypermdia sur des objets, interactivit Gnration
automatique partir de donnes XML,
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Limitations Inutilisables pour des photographies Pas adapte aux
images complexes avec bcp d'objets de petites tailles Bcp de
formats industriels, non standardiss, non reconnus par les
navigateurs web Impossible de transformer un bitmap en vecteur
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Image bitmap Pixelmap, matricielle, raster On indique la
couleur de chaque pixel. Pixel (PICture ELement) : + petit lment
constitutif d'une image numrique Codage des couleurs: Choix du
modle RGB Certains formats supportent le modle CMYK. Manipulation
et restitution utilise dautres modles Critres de qualit : couleur
& dfinition Dfinition (Ordinateur)Rsolution (Scanner,
imprimante) Taille de limage en nb de pixels Nb de points par unit
de longueur (2,54cm) (unit dpi/ppp : point par pouce) 300dpi 300
points sur une ligne de 2,54cm
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Espace des couleurs Reprsentation mathmatique d'un ensemble de
couleurs. Il en existe plusieurs : Le codage RGB (Red, Green,
Blue). Le codage CMY (Cyan, Magenta, Yellow) Le codage CMYK Le
codage HSL (Hue, Saturation, Luminance). Le codage YUV : vido
analogique (PAL et SECAM). Y reprsente la luminance (l'information
en N&B), Cb et Cr la chrominance. Permet de transmettre des
infos colores aux TV couleurs, en restant compatible avec les TV
N&B affichant en niveau de gris. Y = 0,299 * Rouge + 0,587 *
Vert + 0,114 * Bleu Cr= Rouge Y Cb= Bleu - Y Le codage YIQ Le
codage CIE
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Modles RGB, CMY et CMYK Modle RGB La couleur est dfinie comme
une somme pondre des couleurs primaires. Choix des couleurs
primaires du systme : RGB : Red, Green, Blue Modle CMY La couleur
est dfinie comme diffrence pondre entre le blanc et les couleurs
primaires. Choix des couleurs primaires du systme : CMY : Cyan,
Magenta, Yellow Modle CMYK Extension du modle CMY En pratique, le
noir n'est pas tout fait noir. Ajout d'une composante "noir pur".
CMYK : Cyan, Magenta, Yellow, BlacK. Possibilit de remplacer les 3
encres couleurs par du noir pour rduire la consommation
d'encre
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Modle naturel HSL Modle de reprsentation proche de la
perception physiologique de la couleur par l'oeil humain. Le modle
RGB ne permet pas de slectionner facilement une couleur : claircir
une couleur augmenter proportionnellement la valeur des 3
composantes. HSL (TSL en franais ) Hue Saturation Luminance
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Systme de reprsentation quation de conversion entre RGB et CMY
Exemple : Convertir le Blanc de RGB (1,1,1) CMY (0,0,0) et vice
versa. Conversion CMY vers CMYK : mme principe. C = 1 RM = 1 GY = 1
B R = 1 CG = 1 MB = 1 - Y
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Codage des images Coder une image Le tableau de pixels. La
couleur des pixels : Modle de reprsentation Couleur des pixels : 2
mthodes Mthode simple (pixel couleur) Mthode par palette (pixel
indice dans la palette)
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Mthode simple Pour chaque pixel, chaque composante RGB occupe n
bits. Pixel occupe 3 x n bits. Pixel peut avoir 2 3n couleurs. Mode
True Color, Couleurs vraies : n = 8 24 bits 16 millions de
couleurs. galement Mode 32 bits : Ajout dune 4 ime composante sur 8
bits :le canal alpha. gre la transparence ou la texture des points.
vite les effets de "marches d'escalier". Mode N&B: 1 bit/pixel
2 couleurs possibles (N ou B) Mode 16 couleurs/niveaux de gris Mode
256 couleurs/niveaux de gris : 1 octet/pixel Limitations : Toutes
les nuances ne sont pas utilise. Pas assez de nuances pour une
teinte donne. Ex. : image sur la mer :bcp de nuances de B; peu de
R.
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Mthode par palette Mthode par palette (colormap) choisir les
couleurs disponibles. Image en couleurs indexes La couleur de
chaque pixel : Est code comme une rfrence dans une palette. La
palette contient les composantes RGB de la couleur. On obtient
alors : N couleurs parmi 2 3M possibles. N = nombre d'entres dans
la palette. M = nombre de bits utiliss pour coder une composante
d'une couleur dans la palette.
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Taille d'une image Taille brute : sans compression. Taille = X.
Y. n. X = nombre de colonnes. Y = nombre de lignes. n = nombre
d'octets ncessaires pour coder un pixel. Exemple d'une rsolution de
1024 x 768. Nombre de couleursTailleEn octetsEn Ko Noir et
BlancX*Y*(1/8)98.30496 Ko Palette de 16 couleursX*Y*(1/2)393.216384
Ko Palette de 256 couleursX*Y*1786.432768 Ko True Color, 16
millions de couleurs. X*Y*32.359.2962.304 Ko
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Avantages Adapt aux applications orientes images Qualit
photographique
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Limitations Codage "pauvre" de l'information. Pas de
distinction d'objet dans l'image. Taille des fichiers importante.
Traitements d'image longs.
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Avantages & limitations (2/2) Limitations (suite) :
L'agrandissement provoque un effet de mosaque : La cration d'une
image " la souris" est difficile. Usage conseill d'un priphrique de
numrisation : scanner, digitaliseur, appareil photo numrique...
Retouches dlicates : effacer un lment de l'image cre un
"trou".
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Formats d'images bitmap Nombreux Caractristiques Nombre de
couleurs. Mthode de compression utilise. Contexte d'utilisation.
Comparaison : taille des fichiers pour les images
NomRsolutionDfinitionNombre de couleurs Image Droopy1024x76872
DPI256 Trounesol1600x114472 DPI16 millions
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Format BMP Dfini par Microsoft pour Windows Caractristiques 1,
4, 8 ou 24 bits : jusqu' 16 millions de couleurs. Compression :
sans perte, RLE (rarement). Fichiers de taille importante. Reconnu
par une majorit de logiciels. ImageNb couleursCompressionTaille
Droopy256770 Ko Droopy256RLE613 Ko Tournesol16 millions5363 Ko
Tournesol16 millionsRLE1745 Ko
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Format TIFF TIFF (Tagged Image File Format). Origine Aldus et
Microsoft. Standard de codage des images scannes; PAO, infographie,
bureautique pour les images au trait (cliparts, FAX). Puissant mais
complexe grer. Possibilit d'adaptation et d'volution. Diffrentes
versions incompatibles! Caractristiques : Codage RVB, CMJN, couleur
indexes, niveau de gris Compression : RLE, LZW, JPEG, compression
FAX, ou aucune. Trs bonnes performances en compression d'images
noir et blanc. Fichiers assez gros. Reconnu par une majorit de
logiciels. ImageNb couleursCompressionTaille Droopy256Aucune771 Ko
Droopy256LZW364 Ko Droopy2Huffman156 Ko Tournesol16
millionsAucune5364 Ko Tournesol16 millionsLZW3395 Ko
Tournesol2Huffman462 Ko
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Format GIF Format GIF (Graphic Interchange Format) :
Compuserve, 1987 : GIF87a. Caractristiques 256 couleurs parmi 16
millions. Compression sans perte LZW, efficace s'il y a des zones
homognes. GIF89a : possibilit de transparence, et d'animation.
GIF89a : possibilit d'entrelacement (chargement graduel de
l'image). Trs utilis : Reconnu par tous les logiciels ou presque LE
format du Web avec JPG. ImageNb couleursCompressionTaille
Droopy256LZW353 Ko Tournesol256LZW1203 Ko
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Format PNG PNG (Portable Network Graphic). Pour remplacer le
GIF (devenu payant!!!). Le futur format du Web? Caractristiques :
16 millions de couleurs. Compression sans perte LZW. Possibilit de
transparence (niveau de transparence). Possibilit d'entrelacement
(chargement graduel de l'image). Pas d'animation. Pas support pas
tous les navigateurs web ImageNb couleursCompressionTaille
Droopy256LZW310 Ko Tournesol256LZW2723 Ko
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Format JPG JPG ou JPEG (Joint Photographic Experts Group) Comit
cr en 1986 Norme adopte en 1992/93 (ISO/CEI 10918-1 ou UIT-T
Recommandation T.81. ) JPEG 2000 : compression par ondelettes.
Caractristiques 16 millions de couleurs. Compression avec perte
Possibilit d'entrelacement (chargement graduel de l'image). Pas
danimation, pas de transparence Trs utilis Reconnu par tous les
logiciels ou presque LE format du Web avec GIF ImageNb
couleursCompressionTaille Droopy16 millionsTaux 1451 Ko Droopy16
millionsTaux 10159 Ko Droopy16 millionsTaux 20119Ko Droopy16
millionsTaux 9917Ko Tournesol16 millionsTaux 1897 Ko Tournesol16
millionsTaux 10457 Ko Tournesol16 millionsTaux 20346 Ko Tournesol16
millionsTaux 9940 Ko
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Contraintes dexploitation fix par le comit JPEG Modes de
compression avec ou sans dgradation Implmentation hard ou soft
Rseau de transport Numris (64 kbits/s) Affichage squentiel ou
progressif Objectifs fixs ambitieux 2.25 bits/pixel : qualit de
loriginale 0.75 bit/pixel : qualit excellente 0.25 bit/pixel :
qualit moyenne 0.08 bit/pixel : reconnaissable ! JPEG
compression
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6 tapes Format des donnes compresses et schma de d/codage.
Algorithmes de d/compression proposs mais non normaliss.
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JPEG Dcoupage de limage (1) & transformation des couleurs
(2) Dcouper limage en M carreaux f i (x,y) de 8 x 8 ou 16x16 pixels
les matrices doivent tre carres petit bloc temps de calcul
raisonnable JPEG peut coder les couleurs sous plusieurs modles,
mais meilleure compression avec codage de type
luminance/chrominance (YUV) Oeil + sensible luminance qu
chrominance
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JPEG Sous chantillonnage (3) Exploiter la faible sensibilit de
l'il la chrominance sous chantillonner les signaux de chrominance
sous chantillonner 4:4:4, 4:2:2, 4:1:1
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JPEG DCT (4) Discrete Cosine Transform Applique sur les
matrices Y, Cb et Cr Spare les basses et les hautes frquences
prsentes dans l'image Mme principe que la transforme de Fourrier
Dcomposition de la fonction f(x,y) dans une base de N*N fonctions
dont la somme pondres = f(x,y) Calcul des coefficients C(u,v) 1 si
w [1,N-1] si
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JPEG DCT (4) Fonction 2D Coefficient DC = valeur moyenne du
bloc : cest le plus important Coefficients AC = puissance spectrale
pour chaque frquence spatiale.
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DCT JPEG DCT (4) C
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JPEG Quantification (5) Introduit les principales pertes La DCT
est conservatrice si on omet les erreurs darrondis. Rduire le nb de
valeurs correspondant aux amplitudes. Hautes frquences = faibles
amplitudes peu sensible pour l'il limines. Utilisation dune matrice
Q (u,v) qui dfinit le niveau de quantification pour chaque frquence
Moins de niveau pour les matrices de chrominance que pour la
luminance Les tables doivent tre transmises au dcodeur
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JPEG Quantification (5) C C * =
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Codage RLE, DPCM & Huffman (6) RLE zigzag pour les AC dun
carreau Dans notre exemple RLE sur : 0, -2, -1, -1, -1, 0, 0, -1,
EOB (End Of Block) 0, -2, #3 -1, #20, -1, EOB (End Of Block)
conomie de 3 valeurs Compression diffrentielle DPCM des cfficients
DC Huffman sur les suites de DC et AC encods Les tables doivent tre
transmises au dcodeur
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JPEG Dcompression Dans notre exemple Rsultat : Erreur : e(x,y)
Amplitude max :5 Moyenne : 1.6 Moyenne normalis 1% (1,6/150)
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Autres formats PCX (PiCture eXchange). Environnement PC (mode
CGA). 256 couleurs. Compression RLE, adapt de faibles nombres de
couleurs. PICT QuickDraw. Traite aussi le vectoriel. Spcifique
Macintosh. FAX Transmission de documents. Codage binaire (noir et
blanc). Compression RLC puis type Huffman. TGA Cr par Truevision
(cartes Targa et Vista). Trs puissant (comme TIFF). Peu connu.
Compression RLC. Palettes graphiques haut de gamme (PC).
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Exemple de dgradation JPG Taux 1Taux 10Taux 20 897 Ko457 Ko346
Ko Taux 50Taux 75Taux 99 241 Ko119 Ko40 Ko
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Taux de compression JPG Droopy, compression 10 (159 Ko) Droopy
compression 20 (119 Ko )
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Rcapitulatifs Pour Droppy Compression sans perte : GIF &
PNG. Compression avec pertes : JPG. FormatNb
couleursCompressionTaille DroopyTaille Tournesol BMP256770 Ko5363
Ko BMP256RLE613 Ko1745 Ko TIFF256771 Ko5364 Ko TIFF256LZW364 Ko3395
Ko TIFF2Huffman156 Ko462 Ko GIF256LZW353 Ko1203 Ko PNG256LZW310
Ko2723 Ko JPG16 millionsTaux 1451 Ko897 Ko JPG16 millionsTaux 10159
Ko457 Ko JPG16 millionsTaux 20119 Ko346 Ko JPG16 millionsTaux 9917
Ko40 Ko Pour Tournesol Compression sans perte : GIF, mais 256
couleurs. PNG, mais compression insuffisante. JPG !!! Compression
avec pertes : JPG