Cours : Traitement par histogramme

Histogrammes

Les histogrammes sont des indicateurs de la répartition des niveaux d’intensité lumineuse dans une image. Avec un peu d’habitude, il est possible d’analyser en partie la qualité d’une photo à partir de son histogramme, et le cas échéant d’effectuer des retouches comme nous le verrons en seconde partie.

Définition

Histogramme de pixels :

Un histogramme est la représentation graphique de la répartition statistique de la luminosité des pixels dans l’image.

Lecture d’un histogramme

En abscisse, les valeurs proches de $0$ indiquent des pixels sombres, et celles se rapprochant de $255$ les pixels plus clairs. En ordonnée on trouve le nombre de pixels pour chaque valeur d’intensité lumineuse.

• L’histogramme permet de visualiser la répartition statistique de ces valeurs d’intensité lumineuse ou luminance.

Astuce

Les manipulations d’images montrées dans le cadre de ce cours ont été effectuées à l’aide du logiciel libre d’édition et de retouche d’image Gimp, disponible pour systèmes Windows, Linux et MacOS. S’agissant de manipulations courantes, elles sont aussi réalisables avec d’autres logiciels libres ou commerciaux de retouche d’image.

L’histogramme nous propose une représentation visuelle de la manière dont la luminosité est répartie dans l’image. Il s’agit d’une répartition statistique et non pas spatiale. Nous allons maintenant découvrir de manière concrète comment interpréter un tel histogramme.

Interprétation du niveau d’exposition

L’analyse de l’histogramme permet de lire le niveau d’exposition d’une photo et la manière dont est répartie la luminance. Nous le montrons ci-après avec trois images distinctes, plus ou moins bien exposées, et leur histogramme associé.

La première photographie ci-dessous est sous-exposée : elle apparait sombre.

• L’histogramme correspondant montre que beaucoup de pixels ont de faibles valeurs de niveaux de gris, matérialisés pas le pic en partie gauche.

La deuxième photographie ci-dessous est sur-exposée : elle est trop claire et tire sur le blanc.

• L’histogramme correspondant montre que beaucoup de pixels ont de fortes valeurs d’intensité lumineuse, matérialisés par le pic en partie droite.

L’image est dite « brûlée », on ne distingue aucun détail du ciel ni des reliefs clairs en arrière-plan.

La troisième photographie ci-dessous est relativement correctement exposée : les détails sont assez visibles à la fois dans les zones claires et dans les zones sombres.

L’histogramme correspondant montre un nombre important de pixels avec des valeurs de niveaux de gris assez moyennes.

La lecture et l’interprétation des histogrammes nous apportent des informations sur la répartition statistique de la luminosité dans un cliché numérique. Nous pouvons prendre en compte ces informations pour effectuer des modifications sélectives des tonalités de l’image, comme nous allons le découvrir maintenant.

Retouches numériques

Les images numériques peuvent être retouchées, autrement dit modifiées. On peut en particulier chercher à corriger des défauts de l’image d’origine, mais aussi vouloir mettre plus particulièrement en valeur certains éléments de cette image.

Les logiciels de retouche numérique intègrent généralement un outil dédié aux modifications des tonalités des images : l’outil des courbes tonales, parfois appelé outil de courbe des tonalités.

Courbes tonales

Définition

Courbe tonale :

Une courbe tonale est une fonction de transformation des valeurs de luminosité composant une image, associant à chaque luminosité d’origine de l’image une nouvelle valeur. Ainsi, chaque luminosité sera modifiée à la hausse ou à la baisse en fonction des ajustements opérés sur la courbe tonale.

La courbe tonale est une droite, la fonction est linéaire. En abscisse (sur l’axe horizontal) figurent les points d’entrée, du ton le plus foncé (à gauche) au ton le plus clair (à droite) ; en ordonnée (sur l’axe vertical) figurent les points de sortie.

La retouche avec cet outil consiste à modifier les niveaux de sortie initialement identiques aux niveaux d’entrée, en modifiant l’aspect de la courbe tonale. Tout point déplacé au-dessus de la droite diagonale d’origine aura une valeur de sortie plus élevée (c’est-à-dire que sa luminance sera augmentée par la retouche), tandis que tout point déplacé en dessous de la droite diagonale d’origine aura une valeur de sortie moins élevée (c’est-à-dire que sa luminance sera réduite par la retouche).

À retenir

Avec une retouche par courbe tonale, tous les pixels d’une même valeur d’entrée sont transformés de la même manière et prennent donc la même valeur de sortie.

Cet outil permet ainsi d’agir sur la luminosité et le contraste d’une image. Les modifications s’effectuent en déplaçant, et en ajoutant si nécessaire, des points de contrôle sur la courbe pour en faire changer la forme. Nous allons l’illustrer avec quelques retouches courantes appliquées par modification des courbes tonales.

Astuce

Les modifications de courbes tonales peuvent être effectuées aussi bien sur des images en nuances de gris que sur des images en couleurs. Dans le cas des images en couleurs, l’outil de courbe tonale permet de modifier globalement la luminance de l’image colorée, mais il est possible, si on le souhaite, d’effectuer des réglages de courbe tonale distincts pour chaque canal de couleur.

Nous effectuons les différentes modifications sur une même image de départ, la photographie d’une coccinelle en gros plan.

Chaque modification présentée ci-après est effectuée à partir de l’image d’origine, pour ne pas cumuler les retouches, on visualise ainsi l’effet précis de chacune d’entre elles.

Accentuation du contraste

On peut facilement augmenter le contraste d’une image en déformant la droite d’origine en courbe afin d’augmenter la pente à certains endroits, ce qui a pour effet d’augmenter les tons correspondants. En général on effectue cette déformation en deux points correspondant à des tons moyens.

Cette modification est souvent désignée par l’expression « courbe en S », du fait de son apparence graphique qui rappelle la lettre S. Dans le cas présent, l’incurvation est légère car l’image de départ était déjà assez bien contrastée.

Expansion de dynamique

L’expansion de dynamique, parfois appelée étirement d’histogramme ou encore dilatation d’histogramme, consiste à modifier l’image en fixant un seuil inférieur et un seuil supérieur de luminosité qui encadreront la partie de l’histogramme d’origine qu’on cherche à mettre en valeur.
Cette retouche consiste à étaler la dynamique d’une portion restreinte de teintes sur l’ensemble des niveaux possibles. L’effet produit dépend du degré de dilatation choisi.

Le logiciel de retouche numérique Gimp permet de le faire de deux manières :

• en éditant la courbe tonale comme nous l’avons vu jusqu’à présent, par déplacement horizontal des deux points aux extrémités de la courbe,
• mais aussi en éditant les niveaux d’entrée via la fonctionnalité de réglage des niveaux, qui permet de cadrer les niveaux d’entrée en déplaçant des curseurs (triangles noir et blanc resserrés vers le centre).

Les deux méthodes sont équivalentes et aboutissent au résultat ci-dessous.

Seuillage

Le seuillage consiste à filtrer une image en mettant à zéro tous les pixels inférieurs à une certaine valeur, et tous les autres pixels à la valeur maximale. Appliquée à une image en niveaux de gris, l’opération est parfois appelée binarisation car elle convertit tous les pixels, soit en noir soit en blanc, selon s’ils sont inférieurs ou supérieurs, respectivement, au seuil fixé.

Le résultat du seuillage est visible ci-dessous.

Image négative

Pour générer le négatif d’une image, on applique une inversion de la diagonale d’origine de la droite tonale.

Le logiciel de retouche numérique Gimp nous permet d’inverser l’image de trois manières différentes :

• en inversant individuellement chacune des courbes tonales ;
• en inversant globalement la courbe de luminance ;
• en utilisant l’option dédiée, intitulée « inverser », dans le menu « couleurs » du logiciel.

Il existe bien d’autres possibilités de retouche numérique par le biais des courbes tonales. Cet outil permet de compenser, au moins partiellement, des prises de vue imparfaites. Il permet aussi de réaliser des effets stylistiques divers et variés, et de transformer, parfois radicalement, l’apparence initiale d’une photographie numérique.