Les données numériques sont des informations représentées sous la forme de valeurs numériques que les ordinateurs peuvent stocker, traiter et transmettre. Un texte, une photographie, une musique, une vidéo ou une mesure provenant d'un capteur devient ainsi une suite de nombres que les circuits électroniques peuvent manipuler.

De l'information aux données numériques

Dans le monde réel, de nombreuses informations sont analogiques : la lumière varie progressivement, une voix produit des vibrations dans l'air et la température change continuellement. Pour qu'un ordinateur puisse traiter ces phénomènes, un dispositif les transforme en valeurs numériques.

Par exemple, un microphone transforme les vibrations produites par une voix en signal électrique. Un convertisseur mesure ensuite ce signal à intervalles réguliers et transforme chaque mesure en une valeur numérique. L'ordinateur peut alors enregistrer ces valeurs dans un fichier audio, les modifier ou les transmettre.

Une caméra numérique fonctionne selon un principe comparable. Elle reçoit la lumière grâce à son capteur et transforme les informations lumineuses en valeurs numériques. Ces valeurs servent ensuite à construire l'image composée de pixels.

Les données sont représentées en binaire

Les ordinateurs utilisent le système binaire pour représenter les données. Chaque information est donc finalement constituée de bits, qui prennent la valeur 0 ou 1.

Les bits sont regroupés pour représenter des valeurs plus complexes. Un groupe de 8 bits forme un octet et peut représenter 256 valeurs différentes. Des milliers, des millions ou des milliards d'octets peuvent ensuite être regroupés pour représenter des informations beaucoup plus importantes.

Par exemple, le caractère A peut être associé à la valeur 65 dans le code ASCII, soit 01000001 en binaire. L'ordinateur manipule donc cette suite de bits lorsqu'il enregistre ou transmet ce caractère.

Différents types de données

La même représentation binaire permet de stocker des informations très différentes. Le logiciel qui utilise les données détermine comment il faut interpréter les nombres enregistrés.

• Un texte est constitué de caractères associés à des valeurs numériques.
• Une image est constituée de pixels dont les couleurs sont représentées par des valeurs numériques.
• Un son est représenté par une succession de mesures numériques du signal sonore.
• Une vidéo rassemble une succession d'images numériques et généralement des données audio.
• Une mesure provenant d'un capteur peut être enregistrée sous forme d'une valeur numérique, comme une température de 21,5 °C.

Le stockage des données

Les données sont enregistrées dans différents types de mémoire. La RAM conserve temporairement les données utilisées par les programmes en cours d'exécution, tandis que les SSD, les disques durs et les autres supports de stockage conservent les fichiers de manière durable.

La quantité de données est mesurée en octets et en multiples de l'octet : kilo-octets, mégaoctets, gigaoctets et téraoctets. Un document texte peut occuper quelques kilo-octets, une photographie plusieurs mégaoctets et un film plusieurs gigaoctets.

Le traitement des données

Le processeur manipule en permanence des données numériques. Lorsqu'un logiciel ouvre une photographie, par exemple, les données du fichier sont chargées en mémoire puis interprétées pour reconstruire les pixels de l'image. Le processeur et la carte graphique traitent ensuite ces informations afin de produire l'image affichée à l'écran.

Le même principe s'applique à toutes sortes de programmes. Un traitement de texte manipule des caractères, un lecteur audio manipule des échantillons sonores et un logiciel de montage vidéo manipule des images, du son et différentes informations associées.

La transmission des données

Les données numériques peuvent être transmises d'un appareil à un autre sous forme de suites de bits. Lorsqu'une photographie est envoyée sur Internet, par exemple, son fichier est découpé en données qui circulent sur le réseau jusqu'au destinataire. L'ordinateur destinataire reconstitue ensuite le fichier afin de pouvoir afficher l'image.

La transmission numérique permet également de copier et de reproduire les mêmes données sur de nombreux appareils. Une même photographie peut ainsi être enregistrée sur un ordinateur, envoyée sur un smartphone, stockée sur un serveur et affichée sur plusieurs écrans.

La taille et la quantité des données

La quantité de données dépend de l'information représentée et de la précision choisie. Une photographie de haute définition contient davantage de pixels qu'une petite image. Un enregistrement audio réalisé avec une fréquence d'échantillonnage et une précision élevées contient davantage de données qu'un enregistrement de moindre qualité.

Lorsque la quantité de données devient importante, la compression permet de réduire la taille des fichiers. Une photographie JPEG, une musique MP3 ou une vidéo compressée occupent ainsi moins d'espace que leurs versions non compressées.

Une image numérique est une image enregistrée sous forme de données numériques. L'ordinateur peut ainsi la stocker, la modifier, la transmettre et l'afficher sur un écran.

Les pixels

Une image numérique est généralement composée d'une grille de petits éléments appelés pixels. Le mot pixel vient de l'anglais picture element.

Chaque pixel possède une couleur déterminée par des valeurs numériques. L'ensemble des pixels forme l'image complète.

Une image de 1 920 × 1 080 pixels contient :

1 920 × 1 080 = 2 073 600 pixels

Cette dimension correspond à une définition Full HD. Une image de définition plus élevée contient davantage de pixels et peut représenter davantage de détails.

La couleur des pixels

La couleur d'un pixel est généralement enregistrée avec le modèle RVB (Rouge, Vert, Bleu), appelé RGB en anglais.

Chaque couleur primaire possède une valeur comprise entre 0 et 255. Ces trois valeurs indiquent l'intensité du rouge, du vert et du bleu.

Par exemple, la couleur (255 ; 255 ; 0) combine une intensité maximale de rouge et de vert avec aucune intensité de bleu : elle produit du jaune.

Les données d'une image

Une composante RVB codée sur 8 bits peut prendre 256 valeurs différentes, de 0 à 255. Un pixel utilisant trois composantes RVB nécessite donc :

8 + 8 + 8 = 24 bits = 3 octets

Il peut représenter :

256 × 256 × 256 = 16 777 216 couleurs

Une image de 1 000 × 1 000 pixels contient un million de pixels. Avec 3 octets par pixel, sa représentation non compressée nécessite environ 3 Mo de données, auxquels peuvent s'ajouter d'autres informations enregistrées dans le fichier.

La transparence

Certains formats ajoutent une quatrième valeur au modèle RVB : le canal alpha. Il indique le niveau de transparence du pixel.

Un pixel peut alors être décrit par quatre valeurs :

R ; V ; B ; A

Le canal alpha permet par exemple de créer une image dont certaines zones sont transparentes. Le format PNG prend en charge cette possibilité.

La compression des images

Une image contenant plusieurs millions de pixels peut occuper beaucoup d'espace. Les formats d'image utilisent donc des techniques de compression pour réduire la quantité de données nécessaires.

La compression sans perte conserve exactement les informations originales. Après décompression, l'image retrouve exactement les mêmes pixels. Le format PNG utilise ce principe.

La compression avec perte supprime certaines informations afin d'obtenir un fichier beaucoup plus petit. Le format JPEG utilise cette méthode et convient particulièrement aux photographies.

Les principaux formats

• JPEG : principalement utilisé pour les photographies. Il produit des fichiers relativement légers grâce à une compression avec perte.

• PNG : compression sans perte et prise en charge de la transparence. Il convient notamment aux dessins, aux captures d'écran et aux interfaces graphiques.

• GIF : format limité à 256 couleurs par image, pouvant contenir plusieurs images successives pour créer une petite animation.

• WebP : format conçu pour le Web, avec une compression avec ou sans perte et la prise en charge de la transparence.

• SVG : format vectoriel dans lequel l'image est décrite par des formes, des lignes, des courbes et d'autres éléments géométriques. Une image SVG peut être agrandie sans pixellisation.

Les images matricielles et vectorielles

Les formats comme JPEG, PNG, GIF et WebP enregistrent principalement une grille de pixels. On parle d'image matricielle ou bitmap.

Le SVG fonctionne différemment. Il enregistre les éléments de l'image sous forme de formes géométriques et de leurs propriétés. L'ordinateur reconstruit ensuite l'image à la taille demandée.

Une photographie convient particulièrement à une représentation matricielle, car elle contient une très grande quantité de détails et de variations de couleurs. Un logo, un schéma ou une icône peut être représenté efficacement en vectoriel, car ses éléments sont constitués de formes géométriques.

De la photo au fichier

Lorsqu'un appareil photo numérique prend une photographie, son capteur reçoit la lumière et mesure les informations lumineuses. L'appareil transforme ces mesures en données numériques, puis les organise en pixels.

Un logiciel de traitement peut ensuite modifier ces données : luminosité, contraste, couleurs, recadrage ou dimensions de l'image. Le résultat est enregistré dans un fichier selon un format choisi, comme JPEG, PNG ou WebP.

L'image numérique est donc constituée d'une grande quantité de valeurs numériques. Ces valeurs décrivent les pixels, leurs couleurs et éventuellement leur transparence. Les logiciels utilisent ces données pour reconstruire l'image visible sur l'écran.