L'étalonnage de Piximètre

Convertir les pixels en unité de longueur

Le calcul de la longueur d'un axe tracé sur une image à l'écran s'effectue d'abord en pixels. Les deux extrémités de cet axe sont déterminées par leurs coordonnées (x, y) par rapport à l'écran (en réalité par rapport à la fenêtre qui supporte l'image, mais ce n'est qu'une question d'origine car l'unité reste la même : le pixel). L'axe est donc l'hypoténuse d'un triangle rectangle. Sa longueur est calculée par une racine carrée (théorème de Pythagore).

Le but de l'étalonnage est d'établir une relation entre pixels et unité de longueur choisie (par exemple le micron). Pour cela il suffit de mesurer en pixels un objet dont on connaît parfaitement la longueur dans cette unité ! L'introduction d'une loupe qui permet de dilater ou contracter l'échelle correspond à la modification de cette relation par application du coefficient multiplicateur de la loupe. Des mesures de longueur très précises, couramment avec moins de 2% d'erreur (souvent avec seulement 0,1 à 0,2%) peuvent être effectuées avec Piximètre sous réserve d'avoir procédé à un étalonnage préalable précis.

Figure 1 : Mesure d'un repère de longueur connue.

Sachant que les images sont principalement obtenues à l'aide d'appareils photos à focale variable (zoom), deux opérations indépendantes sont nécessaires pour réaliser intégralement cet étalonnage :

1. l'initialisation de l'autofocus automatique pour chaque appareil photo utilisé. Cette opération a pour objectif de permettre le calcul du grossissement d'image pour chaque position de zoom utilisée à la prise de vue,
2. l'étalonnage de longueur proprement dit, qui a pour objectif d'établir la relation pixels-unité de longueur.

Ces deux opérations, de nature différente, sont indépendantes et peuvent être effectuées dans un ordre quelconque. Vous n'effectuerez la première opération qu'une seule fois pour chaque appareil photo. La seconde pourra être répétée pour définir plusieurs étalons (voir plus bas).

Lorsque les images sont obtenues à partir d'appareils à focale fixe (par exemple certaines caméras vidéo) ou lorsqu'elles ne contiennent pas les données nécessaires à l'identification des conditions de prise de vue (métadonnées), seul l'étalonnage de longueur est possible et nécessaire.

L'onglet Paramètres du calculateur de Piximètre permet de spécifier la nature des images utilisées, Normales (avec métadonnées) ou Compressées dans le cas contraire.

Il est vivement recommandé de prendre connaissance de cette note relative à l'optique et aux erreurs de mesures.

Initialisation de l'autofocus automatique

Les mesures de routine, ainsi que l'étalonnage de longueur, s'effectuent sur des photos prises avec un (des) appareil numérique. Le grossissement intrinsèque de l'image est fonction de la position de zoom utilisée à la prise de vue, toutes choses égales par ailleurs quant aux conditions de celle-ci.

L'initialisation de l'autofocus automatique de Piximètre a pour but d'établir précisément la fonction mathématique qui permet le calcul de ce grossissement (voir cette opération ici).

Piximètre utilise les métadonnées contenues dans les photos (mais invisibles aux yeux) pour connaître la focale utilisée à la prise de vue. On prendra donc garde à ne jamais compresser les images qui lui sont destinées. En effet cette opération peut supprimer les métadonnées qu'elles contiennent si le taux de compression choisi est trop élevé. Par ailleurs Piximètre gère sans difficulté des images de très grandes dimensions (la seule limitation tient à la capacité mémoire de l'ordinateur utilisé).

Cette opération d'initialisation de l'autofocus étant réalisée une fois pour toutes, pour chaque appareil photo utilisé, toutes les photos pourront maintenant être correctement interprétées, quelle que soit la focale utilisée pour leur prise de vue.

L'autofocus de Piximètre gère un nombre quelconque d'appareils photo différents. Aussi, pour travailler sur des images issues de plusieurs d'entre eux, il sera nécessaire d'effectuer préalablement cette initialisation pour chacun d'eux.

Piximètre offre également la possibilité d'importer directement les fonctions mathématiques en question, calculées et exportées par ailleurs (voir ici). Cette possibilité est utile lorsqu'un utilisateur souhaite travailler sur des images qui ont été prises par d'autres, avec un appareil photo dont il ne dispose pas.

Rappelons aussi que Piximètre indique visuellement le fonctionnement de son autofocus sur les images qu'il traite (voir ici).

Étalonnage de longueur

Quel objet de référence choisir et comment le mesurer pour étalonner Piximètre ? La réponse à la première partie de la question est simple : n'importe quel objet visible au travers du système optique utilisé (par exemple le microscope) et dont on connaît parfaitement la longueur réelle ! Cet objet de référence sera choisi de telle sorte que sa longueur soit en rapport d'échelle avec les objets ultérieurs à mesurer. Par exemple, si vous souhaitez mesurer des spores de champignons dont l'ordre de grandeur est la dizaine de microns, vous choisirez comme étalon de référence une règle ou un objet de cet ordre de grandeur plutôt qu'un double décimètre.

Quant à la seconde partie de la question, il suffit de photographier cet objet pour un état défini du système optique. L'étalonnage de Piximètre est alors réalisé :

1. en traçant un axe sur l'image de cet objet de longueur connue (figure 1, ci-dessus), et
2. en indiquant la longueur exacte que représente cet axe.

Cette opération est réalisée à l'aide de l'assistant d'étalonnage de Piximètre. Notez que si vous avez préalablement initialisé l'autofocus pour l'appareil photo concerné, vous pouvez utiliser ici n'importe quel zoom pour la prise de vue. La correction sera effectuée automatiquement. Vous pouvez également utiliser la loupe et le déplacement latéral de l'image, essentiellement pour grossir et positionner l'image sur l'écran et augmenter ainsi la précision du pointage.

Considérons par exemple le cas d'un microscope :

1. Vous photographiez au travers d'un oculaire micrométrique étalonné, c'est à dire dont vous connaissez précisément la valeur de chaque division de sa règle pour l'objectif du microscope utilisé. L'image de cette règle apparaît sur la photo et l'étalonnage de Piximètre se fait en traçant un axe sur tout ou partie de cette règle (figure 1, ci-dessus) puis en indiquant la longueur exacte qu'il représente.
   
   
2. Vous photographiez au microscope sans oculaire ou au travers d'un oculaire non micrométrique, c'est à dire que vous ne disposez pas d'échelle graduée sur l'image. Piximètre doit alors être étalonné indépendamment de ces images, en utilisant une règle graduée de référence placée directement sous l'objectif du microscope. C'est une règle différente de la précédente que l'on appelle micromètre objet. Elle comporte généralement une suite de divisions espacées de 10 µm et est classiquement utilisée pour étalonner les microscopes optiques. Ici également l'intervalle entre graduations est précis et parfaitement connu. On effectue donc une photo de cette règle et on procède comme dans le cas ci-dessus.

Il est important de noter que dans l'un ou l'autre cas, que vous photographiez au travers d'un oculaire, micrométrique ou non, ou directement en son lieu et place, derrière l'objectif, et toutes choses égales par ailleurs, sur la photo la valeur d'une division de la règle graduée de référence dépend de l'objectif utilisé sur le microscope, d'où la notion d'état du système optique introduite précédemment. L'étalonnage n'est valable que pour un objectif spécifique.

Piximètre offre la possibilité de définir et d'utiliser plusieurs étalons correspondant à des états différents du système optique, par exemple à l'utilisation d'objectifs différents sur un microscope.

L'assistant d'étalonnage

Figure 2 : Première étape d'étalonnage.

L'assistant d'étalonnage est activé par le bouton "Etalonner" de la fenêtre de mesures sur images ou par le bouton "+" qui figure à sa droite. Ce bouton "+" enclenche la première étape du processus. Le bouton "Etalonner" est un raccourci qui conduit directement à la seconde étape (figure 3). La première étape (figure 2, ci-contre) enclenchée par le bouton "+" spécifie les opérations à réaliser : Créer un nouvel étalon ou modifier un étalon existant. Vous verrez par la suite qu'il existe deux types d'étalons et qu'il est possible de nommer certains d'entre eux afin de faciliter leur usage et pouvoir, le cas échéant, les modifier. Supprimer un étalon existant. L'icône active le didacticiel relatif à l'étalonnage. La seconde étape est fonction des choix qui sont effectués. Si la création ou la modification est sélectionnée, l'assistant vous aide à définir un étalon (cf. figure 3, ci-dessous). Si la suppression seule est sélectionnée il vous conduit directement à cette opération. Si les deux choix sont sélectionnés, l'assistant vous aide d'abord à la création (ou à la modification) d'un étalon puis, ensuite, à la suppression d'un autre. Voici ci-dessous l'étape d'étalonnage, en trois pas.

Figure 3 : Le processus d'étalonnage au pas n° 3.

Le processus d'étalonnage comporte trois pas successifs comme le montre la figure 3. Vous pouvez ouvrir l'image de référence avant ou après l'activation de l'assistant, voire en changer en cours de processus et, éventuellement, reprendre celui-ci au pas 1 (bouton "Reprendre").

1. Au pas numéro 1 vous choisissez la portée de l'étalonnage. Vous pouvez décider que l'étalon sera spécifique à cette image, c'est à dire appliqué à elle seule, ou au contraire générique, c'est à dire appliqué par défaut à toutes les images, ouvertes ou futures, qui n'ont pas déjà un étalon spécifique (voir ci-dessous). C'est ici qu'apparaissent les deux types d'étalon : spécifique ou générique.
   
   
2. Au pas numéro 2 vous tracez un axe sur la règle ou l'objet de longueur connue, présent sur l'image. A noter l'affichage de la longueur de cet axe en pixels (257,52 sur la figure 3). A noter également qu'une meilleure précision sera obtenue en choisissant un axe de grande longueur (diminution de l'erreur relative inhérente à la mesure), sous réserve cependant de parfaite linéarité de l'image. Voyez ici à ce sujet. Vous pouvez aussi utiliser la loupe qui permet d'améliorer la précision du pointage ainsi que le déplacement latéral de l'image sur l'écran entre chacun des deux points.
   
   
3. Au pas numéro 3, enfin, vous indiquez la longueur réelle de cet axe dans l'unité qui convient (40 microns dans cet exemple où le micromètre objet vaut 10 µm par division).
   
   L'assistant d'étalonnage, par défaut, propose différentes unités de longueur mais vous avez ici la possibilité d'en définir de nouvelles si celles qui sont proposées ne conviennent pas. Le choix "- Edit -" disponible dans la liste déroulante donne accès à cette fonctionnalité.

La validation termine ce processus lorsqu'il s'agit d'un étalonnage spécifique, sur cette image seule. Le nouvel étalon est affecté à l'image et l'axe est effacé sur celle-ci.

Dans le cas d'un étalonnage générique, applicable par défaut sur toutes les images, le bouton "Valider" présente une nouvelle étape de l'assistant demandant de nommer cet étalon (figure 4).

La gestion de plusieurs étalons génériques nécessite, en effet, leur nommage, qui assure leur identification. Vous pouvez ainsi, par exemple, définir un étalon différent pour chaque objectif du microscope. Ici, le nouvel étalon est nommé "X100-995" car l'image a été prise sous un objectif de microscope X100, avec un appareil photo Nikon 995. Une liste montre les étalons génériques déjà définis. L'un d'eux est permanent "Unité (UN)", les autres ont été définis par l'utilisateur. La sélection d'un étalon existant permet sa redéfinition. Le bouton "Terminer" valide l'étalon et termine le processus. Le nouvel étalon générique est affecté à toutes les images concernées et, bien entendu, le Formulateur et le Comparateur sont mis à jour. Si l'étalon nommé existe déjà, l'assistant peut, sous le contrôle de l'utilisateur, remplacer sa valeur par la nouvelle. Le bouton "Supprimer" permet d'effacer un étalon sélectionné dans la liste. Choisir un étalon générique Les étalons sont créés comme indiqué ci-dessus. C'est sur la fenêtre de mesures sur images (figure 5, ci-dessous) que l'utilisateur choisit l'étalon générique qui sera appliqué à toutes les images actuellement ouvertes ou futures et ne faisant pas déjà référence à un étalon spécifique. Rappelons que cet étalon est à choisir en fonction de l'état du système optique utilisé lors de la prise de vue, en d'autres termes, dans le cas d'un microscope, de l'objectif utilisé (un pour le x40 et un autre pour le x100, sans parler de l'oculaire ni de l'appareil photo utilisé). aaaa Figure 5 : Clic sur "Etalon générique" à gauche fait apparaître la liste à droite.

Figure 4 : Gestion des noms d'étalons.

Comme le montre la figure 5, un clic de souris sur le lien "Etalon générique" (ou "Etalon Spécifique") fait apparaître la liste des étalons disponibles et permet d'en choisir un (vue de droite). Il sera appliqué à toutes les images ouvertes ou futures qui utilisent un étalon générique, c'est à dire qui ne font pas référence à un étalon spécifique. L'étalon générique sélectionné reste valide tant qu'il n'a pas été changé par l'utilisateur.

Étalon générique, étalon spécifique

Lors de la première ouverture d'une image, Piximètre ne possède aucune information sur le système optique qui est à son origine. Par défaut donc, cette image est affectée de l'étalon générique qui est actuellement sélectionné. Cela correspond au cas général où la plupart des images sont issues du même système optique (par exemple elles ont toutes été photographiées avec le même objectif du microscope).

L'utilisateur doit changer d'étalon ou pratiquer un étalonnage spécifique à cette image si tel n'est pas le cas.

La mémoire active de Piximètre, lorsqu'elle est enclenchée, permet de mémoriser tous les paramètres d'une image au moment de sa fermeture : sa position sur l'écran, la loupe utilisée, tous les axes tracés, etc. et, en particulier, le nom et la valeur de l'étalon qui lui est appliqué et qui permet le calcul exact de la longueur des axes.

Lors de sa réouverture ultérieure, si la mémoire active est toujours enclenchée, l'image retrouve tous ses paramètres et s'affiche à l'écran dans l'état exact où elle était au moment de sa fermeture. L'étalon de longueur qui a permis le calcul des axes est obligatoirement restitué, quels que soient les étalons alors définis dans le système. Il devient SPECIFIQUE à l'image.

Ainsi, lors de sa première introduction dans Piximètre, une image est affectée par défaut d'un étalon générique, que l'utilisateur peut conserver ou, au besoin, changer. Mais, lors de sa réouverture ultérieure, cet étalon, quel qu'il fut, devient spécifique à l'image et ne peut plus être affecté par une éventuelle modification des étalons génériques ; son nom est conservé. Ce principe permet de garantir la conservation des mesures effectuées sur les images lors de leurs réouvertures ultérieures.

Dans le cas où l'utilisateur supprime ou redéfini un étalon générique qu'il a précédemment créé et utilisé, toutes les images de la mémoire active qui lui font référence sont transformées : la valeur de l'étalon est bien entendu conservée mais son nom est modifié par l'ajout du préfixe "ex", puisqu'il n'existe plus en l'état. Lors de sa réouverture éventuelle avec mémoire active enclenchée l'image retrouve la valeur de son étalon initial mais le nom de celui-ci est alors préfixé par "ex".