Etude du gamma et analyse des compressions et erreurs jpg

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 Essais et rédaction en cours, donc résultats préliminaires!
En gros, en traitant d'un problème de gamma, j'ai découvert un bug du jpeg

Le système jpg +PC utilise une loi en 1/gamma, pour compenser les lois en gamma que l'on trouve dans les dispositifs d'affichage (écrans).

(Pour être plus précis, c'est l'OS qui doit naviguer dans un espace en 1/gamma. L'algorithme jpg "ne fait que" du Yuv,  de la DCT, approximation, + Huffman)

Note: Je voudrais aussi préciser que des approximations ont été faites dans ce document, on ne peut pas tout expliquer, cela compliquerait un peu trop le texte.
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Rappel historique: pourquoi le gamma?

Les premiers dispositifs d'affichage utilisaient des tubes à rayons cathodiques (CRT). La loi de luminosité suit une courbe en gamma (un peu plus qu'une parabole)  L=f(v) ^gamma.  Gamma=2.2.   Souvenez-vous de Child-Langmuir et autres confrères... [puissance 3/2 qu'il faut mettre au carré! puisque la lumière dépend de i²! 1.5²=2.25]

Les chaînes de transmission télévision n'offraient pas une grande dynamique... de l'ordre de 40 dB (en circuit fermé). Souvent limitée à 30 dB (en transmission hertzienne). Cela conduit à une dynamique de l'ordre de 100 (ou nettement moins, en réalité TV), ce qui est faible pour des images!

L'étude de la vision conduit également, à constater que l'oeil est incapable de voir/juger des différences de luminosité plus faibles que 4%. Il ne sert donc à rien d'avoir une précision de codage meilleure que ces 4%. On retrouve là, la constatation des lois logarithmiques qui régissent les organes sensoriels humains.  [des mesures plus récentes indiquent plutôt 1% -> 14 bits el linéaire ou 9 bits en log, arrondi à 8 bits avec la rec709]

Il était ainsi assez évident, qu'il fallait utiliser une sorte de compression... une loi en 1/gamma permettait de compenser les effets de l'afficheur. Le bruit devenait ainsi moins visible. La dynamique des images était grandement améliorée. Ne pas oublier qu'on arrive assez facilement à faire des lois exponentielles avec des amplis Op (même à tubes! vous savez, en mettant une diode en contre-réaction...). Ces dispositifs de correction en 1/gamma étaient inclus dans les caméras de télévision. (assez chers, mais limités aux caméras, ou à leurs boitiers de contrôle)  En 1965 les caméras N&B ou couleur avaient ces dispositifs. (faut-il vraiment mettre ici un schéma de l'époque?)

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Dans le monde du PC

Dans la mémoire ou dans les fichiers, on aura des données ayant ce codage en 1/gamma. Mais ces données ne représentent pas directement des luminances! et beaucoup l'oublie! (ex Microsoft) Ainsi, si on désire faire la moyenne entre 2 pixels, il ne faut pas prendre les valeurs en mémoire de ces 2 pixels, et en faire la moyenne, mais on doit d'abord tenir compte du gamma, faire la moyenne et recoder en tenant compte du 1/gamma.

Je vais montrer, dans la suite de ce document, que beaucoup de softs ne suivent pas la bonne règle, et que cela dépend des OS! (Les plus récents ont fini par corriger le problème!)

Cette réflexion est intervenue lorsque j'ai décidé de régler le gamma de mes écrans, sans faire appel à un spectromètre.

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Régler ses écrans

Le principe:

Un gris moyen est égal au mélange, à parts égales, de blanc et de noir. Il donne ainsi un gris à 50%. (blanc=100% Noir=0%)

On peut ainsi générer une mire comportant 2 zones:

- une zone avec un gris moyen

- une zone faite avec des lignes horizontales alternée blanche/noire/blanche...

L'expérience, et le calcul, montre qu'il faut donner au gris moyen la valeur de 186 (par rapport à 255, c'est à dire codage 8 bits) Ainsi 186+186=255 ! ou 255/2=186 !

MIRE50.bmp
Mire "MIRE50.bmp" pour contrôler le gamma dans la zone Luminance=50%
Déplacer cette mire avec l'ascenseur vertical, et contrôler que cela reste valable en haut, au centre et en bas.
Si oui vous avez un bon écran, si non ... il sera difficile de régler le gamma!

Note: On ne peut pas utiliser des lignes verticales alternées, car un problème de temps de montée/descente des signaux électroniques (donc de bande passante) apportent des perturbations importantes.

MIRE50V.png
Mire avec lignes verticales: permet de juger de la bande passante... non fiable pour évaluer le gamma!
Une teinte non grise indique un déséquilibre entre les amplis RVB.
Vous pouvez également juger de l'angle de vision de votre écran en déplaçant la tête de doite à gauche...

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Contrôler son jpg

Cela va dépendre, comme nous allons le voir, de l'OS et du logiciel utilisés!

Enregistrez la mire MIRE50.bmp ci-dessus, en standard BMP.

Lancez votre logiciel de traitement d'image ou votre viewer.

Chargez cette image bmp, et enregistrez la en jpg.

Puis rechargez le jpg... que voyez-vous maintenant? Un image comme l'originale ou une autre avec des différences?

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Mire 50%

On prend l'image Clipboard02.bmp, et on l'enregistre en jpg. puis on regarde à nouveau la jpeg... ce n'est plus le même contenu!
(Ils ont oublié, dans l'algorithme jpg, de passer en espace 16 bits, en appliquant la loi en gamma inverse =1/2.2)
PSP12, traite cela correctement.

mire 50% originale, png



jpg fait par IrfanView sous XP fam: mauvais

Le gris central est bon, les couleurs centrales sont bonnes.
Mais les zones externes (barres horizontales noires et couleurs fondamentales) sont complètement modifiées.
(bords droit et gauche)
Elles ne font plus noir=0 et couleur=186, mais: 
Motif rouge: Lignes noires [0,0,0] -> [90,0,0] et lignes rouges [186,0,0] ->[165,37,36]
Motif vert:  Lignes noires [0,0,0] -> [0,53,0] et lignes vertes [0,186,0] ->[74,203,76]
Motif rouge: Lignes bleues [0,0,0] -> [0,0,113] et lignes bleues [0,0,186] ->[14,15,141]






[MireCr50_irf_VS.jpg image crée par Vincent]
 Jpg fait par IrfanView sous Vista32:
(mauvais sur les cotés)




jpg fait par FastStone sous XP fam: mauvais sur les cotés
Valeurs semblables à IrfanView





[MireCr50_fs_VS.jpg image crée par Vincent]
jpg fait par FastStone sous Vista32
(correct)






[image à créer=identique à l'originale. Me croire sur paroles!]
Jpg fait par PSP12 sous XP: correct



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Le point de vue histogramme

Vincent m'a soumis l'idée, qu'on pouvait mesurer le résultats en utilisant l'histogramme de l'image.

Pour la mire50 (du début de la page)

     
       Histo_Mire50.png                    Histo_MIRE50_Irf.png                Histo_MIRE50jpg_Irf.png
Original                                    Irfanview                                   Irfanview

On voit (assez mal!) que sur l'original, on a bien 3 raies principales (la petite 4ème correspond à l'encadrement bleu)
En zoomant cet histogramme, la raie correspondant au blanc, sur l'histogramme de gauche, est transformée en 3 raies de 0.5% 5.8% et 17.2% et quelques autres de 0.1%  (au lieu de 24.2%)

La mire couleur originale MireCr50.bmp

Elle est composée de gris moyen 50% (donc R moyen 50%, V moyen 50%, B moyen 50%) ou de barres alternées noires ou lumineuses à 100%.
On doit donc obtenir 3 raies par histogramme: Noire=66.6%    moyen=16.6%    blanche(lumineux)=16.6%

    
soit un total de 9 couleurs.

La mire couleur Irfanview sous XP  MireCr50_Irf_XP.jpg

     
soit un total de 1639 couleurs.

On voit bien, ici, que Irfanview ne fait pas bien le travail. On voit apparaitre des raies anormales dans les foncés.

FastStone sous XP, donne à peu près les mêmes résultats... (mêmes raies RVB)  mais avec 2047 couleurs.

La mire couleur Irfanview sous Vista  MireCr50_irf_VS.jpg

     
soit un total de 452 couleurs.

Les résultats sont encore mauvais. La différence peut être due au taux de compression choisi... ou à Vista

La mire couleur FastStone sous XP  MireCr50_fs_VS.jpg

Mêmes spectres RVB que Irfanview sous XP, mais avec 2047 couleurs.

La mire couleur FastStone sous Vista  MireCr50_fs_VS.jpg

Mêmes spectres RVB que l'original.
(très légèrement étalé en gaussienne) 3 raies: Rouge=  105838, 18, 0, 0, ... 0,0,0,2, 26035, 20, 0,0, ..., 0, 6, 25590

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Mire matricielle plus complexe à 50%

(Refaire une mire en bmp clean!)

Mire originale:

Il y a des défauts sur cette mire d'essais: ce n'est pas une bmp,

et il faudrait des multiples de 8x8 pour que les jpg ne soient pas affectés par des effets de bord.

Principe: On peut faire du gris 50% avec [186,186,186] ou avec des lignes noires [0,0,0] et des lignes blanches [255,255,255]. L'oeil fait la moyenne, si on accepte de faire un léger flou ou de s'éloigner de la mire afin de ne plus distinguer les lignes.

On peut aussi jouer avec des lignes non blanches (gris clair à 75%) genre [0,75,50] et des lignes non noires (gris foncé à 25%) genre [100,25,50]. La moyenne donnera toujours 50%.

On peut aussi jouer avec des lignes non grises en utilisant des couleurs complémentaires. genre [50%,100%,100%] et [50%, 0% 0%]. La moyenne donnera toujours 50% en R, 50% en v et 50% en B (donc 50% en gris)

Exemple dans la mire utilisée ici on va avoir:

[100%, 50%, 50%]=rose [0%, 50%, 50%]=turquoise	[50%, 50%, 50%]=gris 50% [50%, 50%, 50%]=gris 50%	[0%, 0%, 50%]=bleu 50% [100%, 100%, 50%]=jaune paille
[50%, 0%, 50%]=violet [50%, 100%, 50%]=vert pâle	[50%, 50%, 50%]=gris 50% [50%, 50%, 50%]=gris 50%	[0%, 50%, 0%]=vert 50% [100%, 50%, 100%]=violet clair
[50%, 50%, 0%]=jaune caca [50%, 50%, 100%]=violet clair	[50%, 50%, 50%]=gris 50% [50%, 50%, 50%]=gris 50%	[50%, 0%, 0%]=rouge 50% [50%, 100%, 100%]=bleu ciel

Description de la mire 3x3

Jpg obtenus par Irfanview XP ou Vista:

XP=mauvais                                          Vista=mauvais

jpg obtenu par FastStone 4.2 sous XP:

Mauvais!

jpg obtenu par FastStone 4.2 sous Vista32:

Bon! (aux effets de bord près)

N'oubliez pas que cette mire permet de connaître si vos gammas sont bien réglés! et si vous avez de mauvais écrans!

Manips avec les logiciels

à refaire à partir d'un bmp!