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\documentclass[a4paper,10pt]{article}
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% \listfiles % pour le debug
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\usepackage[french]{babel}
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\usepackage[utf8]{inputenc}
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\usepackage[T1]{fontenc}
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% XXX \usepackage{lipsum}
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\usepackage{makeidx}
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\usepackage{listings}
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\usepackage{babel}
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\usepackage{pifont} % caractères rigolos
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\usepackage{enumitem}
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\setitemize[1]{label={\ding{82}}}
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\frenchbsetup{CompactItemize=false}
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% \usepackage{color}
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% \usepackage{url}
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\usepackage{xspace}
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\usepackage[verbose]{layout}
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\makeindex
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% ------ a few new commands
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\newcommand{\interparagraphe { \vspace{60pt} } }
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% -------------------------------------------------------------------
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\title{Floating images processing}
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\author{tTh}
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\begin{document}
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\maketitle
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\section{Image flottante ?}
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Mais de quoi parle-t-on exactement ?
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\vspace{1em}
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Traditionnellement, les valeurs des pixels dans les images
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informatiques sont mémorisées sur 8 bits, un octet\index{octet},
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soit 256 valeurs différentes.
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Ceci dit, on trouve parfois des images codées sur 16 bits par
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composante, mais c'est loin d'être le cas général.
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J'ai donc souhaité aller plus loin, et coder chaque canal de
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chaque pixel en virgule flottante sur 32bits, le type
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\texttt{float}\index{float} du langage C.
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\vspace{1em}
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Attention, tout le code que nous allons voir ensemble est en
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perpétuelle évolution\footnote{voir page \pageref{TODO}},
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et sa fiablité reste à démontrer\index{valgrind}.
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Mais le service après-vente est assez réactif. Du moins
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pour ceux qui suivent \texttt{\#tetalab} sur le réseau
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IRC de Freenode.
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% -------------------------------------------------------------------
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\tableofcontents
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\pagebreak
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% -------------------------------------------------------------------
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\section{Premier example}\index{example}\label{example}
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\textsc{FloatImg} a débuté sous la forme de quelques fonctions
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basiques en C, gérant la structure des données d'image en mémoire
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et sur disque. Ça a été imaginé de façon presque empirique,
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mais nous sommes tous là pour améliorer les choses, dans
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la mesure de nos moyes.
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Nous allons donc directement rentrer au cœur du problème.
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\vspace{1em}
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Pour commencer par quelques chose de simple,
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nous allons créer une image RGB\index{RGB} complètement noire,
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puis l'enregistrer dans un fichier \texttt{.fimg}\index{.fimg},
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un format complètement inconnu, puisque je viens de l'inventer
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à l'instant même.
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Tout d'abord, nous devons déclarer et garnir quelques variables
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pour gérer la machinerie interne.
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\begin{verbatim}
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int width = 640, height = 480;
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char *fname = "exemple.fimg";
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FloatImg fimg;
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\end{verbatim}
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Ensuite, nous enchainerons trois étapes : création de l'image
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en mémoire centrale, initialisations des valeurs de pixel à 0.0,
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et pour conclure, enregistrement dans un fichier.
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\begin{verbatim}
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foo = fimg_create(&fimg, width, height, FIMG_TYPE_RGB);
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if (foo) {
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fprintf(stderr, "create floatimg -> %d\n", foo);
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exit(1);
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}
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fimg_clear(&fimg);
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foo = fimg_dump_to_file(&fimg, fname, 0);
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if (foo) {
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fprintf(stderr, "dump fimg -> %d\n", foo);
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|
exit(1);
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|
}
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|
\end{verbatim}
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Une fois ce code enrobé dans un \texttt{main()}, compilé et exécuté,
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nous pouvons entrevoir, grâce au logiciel
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\texttt{fimgstats} (voir page \pageref{fimgstats}),
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le résultat sous forme de chiffres divers, et/ou inutiles~:
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\begin{verbatim}
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$ ./fimgstats quux.img
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----------- numbers from 'quux.img' :
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640 480 3 0x7f3718c4f010 0x7f3718d7b010 0x7f3718ea7010
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surface 307200
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mean values:
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R 0.000000
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G 0.000000
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B 0.000000
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A 0.000000
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max value 0.000000
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\end{verbatim}
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Nous avons donc sous la main une mécanique qui ne demande qu'à
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faire des trucs futiles et des images qui clignotent.
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La suite vers la page \pageref{codaz}.
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\vspace{1em}
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Vous trouverez dans le répertoire \texttt{tools/}\index{tools/}
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d'autres exemples de mise en œuvre des fonctions disponibles
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sous formes d'outils en ligne de commande,
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lesquels sont décrits en page \pageref{outils}.
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% -------------------------------------------------------------------
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\section{Installation}
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\subsection{Prérequis}
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Vous devez, en dehors des outils classiques (bash, gcc, make\dots),
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avoir quelques bibliothèques installées\footnote{Les \texttt{-dev}
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pour Debain et dérivées}~: libv4l2, libpnglite, libtiff, libpnm,
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et probablement d'autres choses.
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\vspace{1em}
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Il est même quasiment certain que Bash soit indispensable, tout
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comme \textsc{gnu}/make\index{make}.
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Une connaissance de base de l'utilisation du shell\index{shell}
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et de l'écriture de Makefile's sera un plus.
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\subsection{Compilation}
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Un script \texttt{build.sh} permet de construire approximativement
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le bouzin. Il est loin d'être parfait\footnote{Il doit être possible
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de faire un Makefile récursif, mais\dots}.
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Dans chacun des
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répertoires à traiter, ce script devrait trouver un Makefile et un fichier
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\texttt{t.c} source de la cible par défaut du make.
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\vspace{1em}
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Pour le moment, la procédure d'installation est un peu rude,
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pour ne pas dire clairement sommaire.
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Si le résultat vous semble correct, vous pouvez copier
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les deux fichiers \texttt{floatimg.h} et \texttt{libfloatimg.a}
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dans un emplacement
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approprié, par exemple
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\texttt{/usr/local/include} et \texttt{/usr/local/lib}.
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% -------------------------------------------------------------------
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\section{Utilisation coté codeur}\label{codaz}
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Classiquement, il y a un fichier à inclure, \texttt{floatimg.h},
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contenant un certain nombre de
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définition de structures, de macros,
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de constantes\footnote{À l'ancienne, via le pré-processur}
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et les prototypes des fonctions utilisables.
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\vspace{1em}
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Au niveau du code source, ces fonctions sont approximativement
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classées en deux catégories : \texttt{lib/} et \texttt{funcs/}.
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La première contient les choses qui sont relativement figées,
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et la seconde celles qui risquent de bouger. Cette classification
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est en fait arbitraire.
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\subsection{Structures, macros\dots}
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Les pixels flottants d'une image résidant en mémoire centrale
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sont décrits par un ensemble
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de données (certains appelent ça des \textsl{metadats}) regroupées
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dans une jolie structure que nous allons examiner dès maintenant.
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\begin{verbatim}
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/* in memory descriptor */
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typedef struct {
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int width;
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int height;
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int type;
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float fval;
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int count;
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float *R, *G, *B, *A;
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|
int reserved;
|
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} FloatImg;
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\end{verbatim}\index{FloatImg}
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Les deux premiers champs sont \textsl{obvious}.
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|
Le troisième est le type d'image : pour le moment, il y en a trois
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qui sont définis\footnote{et plus ou moins bien gérés\dots} :
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gris, rgb et rgba\index{rgba}.
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\begin{verbatim}
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#define FIMG_TYPE_GRAY 1
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#define FIMG_TYPE_RGB 3
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#define FIMG_TYPE_RGBA 4
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\end{verbatim}
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|
Un peu plus loin, nous avons les pointeurs vers les
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différents \textsl{pixmaps} de l'image. En principe l'organisation
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interne de ces zones est improbable, puisque qu'elle dérive
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d'idées approximatives.
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\vspace{1em}
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|
Les deux champs suivants (fval et count) sont à la disposition du
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\textsl{yuser}
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qui peut jouer avec à loisir pour faire, par exemple, ce genre de
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chose. Imaginons un périphérique de capture qui nous fournisse des
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images en gris sur 4 bits. Et que nous voulions cumuler\index{cumul}
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quelques images...
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\vspace{1em}
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Le champ \textsl{count} sera mis à 0 et
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|
le champ \textsl{fval} sera initialisé à 15.0
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(valeur maximale renvoyée par le capteur).
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|
Ensuite, dans la boucle capture/cumul, \textsl{count} sera
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incrémenté à chaque passe, et nous aurons donc, en finale,
|
|
toutes les informations nécessaires pour exploiter au mieux la dynamique
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de notre image dans les étapes ultérieures.
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\subsection{lib/}\index{lib/}
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|
Première chose, la gestion dynamique de la mémoire occupées
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par tous ces pixels flottants est faite par ces deux fonctions~:
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\begin{verbatim}
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int fimg_create(FloatImg *fimg, int w, int h, int type);
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|
int fimg_destroy(FloatImg *fimg);
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|
\end{verbatim}
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|
Les types d'images actuellement gérés sont les trois grands
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classiques : gray, rgb et rgba. Il y a les constantes adéquates
|
|
dans \texttt{floatimg.h}. Les codes d'erreur sont disparates
|
|
et non documentés.
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\vspace{1em}
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|
Bon, vous avez une image latente, et vous souhaitez dessiner dessus
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|
(ou dedans ?) avec vos encres flottantes ?
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|
Il y a une fonction pour ça.
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\begin{verbatim}
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int fimg_plot_rgb (FloatImg *head, int x, int y,
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float r, float g, float b);
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\end{verbatim}
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|
Les paramètres sont explicites, mais leur validité doit être
|
|
sévèrement controlée par l'appelant. Il y a une fonction
|
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soeur, \texttt{fimg\_add\_rgb}\index{fimg\_add\_rgb},
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|
qui ajoute du rgb à un pixel.
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\subsection{funcs/}\index{funcs/}\label{funcs}
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|
Une bonne partie de ces fonctions est indéterministe. Ce qui
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veut dire, en langage de tous les soirs, que ça risque de ne
|
|
pas être la même chose dans l'avenir.
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\vspace{1em}
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|
On y trouve pêle-mêle de l'import/export de fichiers, de l'analyse
|
|
de chaines de caractères, du tracé de choses bizarres\dots
|
|
Plein de trucs qu'il faudra bien expliquer un jour\footnote{Mais
|
|
il fait trop chaud dans le dd2\index{dd2}}.
|
|
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|
\subsection{Exemple de fonction}\index{example}
|
|
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|
Nous allons écrire une fonction qui va faire quelque chose
|
|
à partir d'une image source et d'une valeur, et écrire le
|
|
résultat dans une image de destination.
|
|
Pour simplifier les choses, nous n'allons traiter que les
|
|
images de type \textsc{FIMG\_TYPE\_RGB}, de loin le plus
|
|
répandu.
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\begin{verbatim}
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|
int fimg_example(FloatImg *s, FloatImg *d, float value)
|
|
{
|
|
int size, index;
|
|
|
|
if ( s->type!=FIMG_TYPE_RGB || d->type!=FIMG_TYPE_RGB) {
|
|
return -1;
|
|
}
|
|
|
|
size = s->width * s->height;
|
|
for (idx=0; idx<size; idx++) {
|
|
d->R[idx] = s->R[idx] - value;
|
|
d->G[idx] = s->G[idx] - value;
|
|
d->B[idx] = s->B[idx] - value;
|
|
}
|
|
|
|
return 0;
|
|
}
|
|
\end{verbatim}
|
|
|
|
Je vous laisse imaginer les dégats que peut faire cette
|
|
fontion en utilisation réelle.
|
|
En particulier tout le reste du code qui suppose qu'un pixel
|
|
ne peut \textbf{pas} être négatif.
|
|
Vous pouvez aussi remarquer qu'il n'y a pas de controle
|
|
de cohérence sur les dimensions des deux images.
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% -------------------------------------------------------------------
|
|
\section{Les outils}\label{outils}
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|
|
\textsl{3615mavie} : sur des projets comme celui-ci, qui travaillent
|
|
in-fine sur des objets que l'on peut considérer comme « physiques »,
|
|
il est important de passer à une utilisation
|
|
normale\footnote{Il y a une vie en dehors de git.} et construire
|
|
des trucs qui mettent en action le code primitif.
|
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\vspace{1em}
|
|
|
|
Ces machins ont en commun deux options bien pratiques~:
|
|
\texttt{-h} pour avoir un résumé des options disponibles
|
|
et \texttt{-v} qui augmente la puissance de bavardage.
|
|
Dans un avenir incertain, il existera des pages de man\index{man}.
|
|
|
|
|
|
\subsection{mkfimg}\index{mkfimg}\label{mkfimg}
|
|
|
|
Création d'un fichier contenant une image de « teinte » constante
|
|
(ou pas).
|
|
Cette notion de teinte est assez inconsistante pour le moment,
|
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|
\begin{verbatim}
|
|
tth@debian:~/Devel/FloatImg/tools$ ./mkfimg -v -h
|
|
Usage: mkfimg [options] quux.fimg width height
|
|
-k N.N give a float parameter
|
|
-t bla howto make the pic
|
|
black, drand48...
|
|
-v increase verbosity
|
|
*** FloatImg library, alpha v73 (Sep 28 2019, 23:34:29)
|
|
\end{verbatim}
|
|
|
|
|
|
\subsection{png2fimg}\index{png2fimg}\label{png2fimg}
|
|
|
|
Grosse panne à réparer.
|
|
|
|
\begin{verbatim}
|
|
tth@debian:~/TMP/floatimg$ png2fimg A.png foo.fimg
|
|
error in 'fimg_create_from_png' : read png -> -1 File error
|
|
png2fimg : err -1, abort.
|
|
\end{verbatim}
|
|
|
|
Il faut envisager le passage à \texttt{libpng}\index{libpng}.
|
|
|
|
\subsection{fimgstats}\index{fimgstats}\label{fimgstats}
|
|
|
|
Affichage de quelques valeurs calculées à partir du contenu d'un fichier
|
|
\texttt{.fimg}\index{.fimg}.
|
|
|
|
\begin{verbatim}
|
|
usage : fimgstats [options] file.fimg
|
|
-c make a machinable csv
|
|
-v increase verbosity
|
|
\end{verbatim}
|
|
|
|
À vrai dire, je ne sais pas encore quelles métriques seront utiles
|
|
en première approche, alors commençont par le plus simple,
|
|
les valeurs moyennes de chaque composante.
|
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|
|
Puis nous rajouterons\footnote{Les patchs sont les bienvenus}
|
|
le calcul de la variance\index{variance}.
|
|
|
|
\subsection{fimgops}\index{fimgops}\label{fimgops}
|
|
|
|
Quelques opérations diverses entre deeux images, qui doivent être
|
|
de la même taille, et du même type \textsl{pour le moment,
|
|
uniquement RGB}.
|
|
|
|
\begin{verbatim}
|
|
usage:
|
|
fimgops [options] A.fimg B.fimg operator D.fimg
|
|
operators:
|
|
add 1
|
|
sub 2
|
|
mix 3
|
|
mul 4
|
|
mini 5
|
|
maxi 6
|
|
options:
|
|
-g convert output to gray
|
|
-k N.N set float value
|
|
-v increase verbosity
|
|
\end{verbatim}
|
|
|
|
Pour des operateurs paramétrable (comme \texttt{mix}), le paramêtre
|
|
flottant doit être fourni en utilisant l'option \texttt{-k}.
|
|
La véracité mathématique n'est pas garantie.
|
|
|
|
\subsection{fimg2png, fimg2pnm, fimg2tiff}
|
|
\index{fimg2png}\label{fimg2png}
|
|
\index{fimg2pnm}\label{fimg2pnm}
|
|
\index{fimg2tiff}\label{fimg2tiff}
|
|
|
|
Quelques petits proggies pour exporter notre format\index{.fimg} secret
|
|
vers des choses plus directement utilisables. À condition que le
|
|
code soit écrit et documenté. Peut-être en page \pageref{funcs}\dots
|
|
|
|
D'un autre coté, écrire un greffon d'import/export pour
|
|
Gimp\index{Gimp} ou Imagemagick\index{Imagemagick}
|
|
ne devrait pas être trop difficile. Des volontaires ?
|
|
|
|
\subsection{fimg2gray}\index{fimg2gray}\label{fimg2gray}
|
|
|
|
Nous avons vu dans ce document que chaque image flottante pouvait
|
|
avoir plusieurs plans de réalité. Il ne faut en négliger aucun.
|
|
\vspace{1em}
|
|
|
|
Il faut quand même deviner que pour passer de l'espace RGB\index{RGB}
|
|
à une abstraction linéaire mono-dimensionnelle, il existe une foultitude
|
|
de méthodes, toutes plus légitimes que les autres.
|
|
|
|
% -------------------------------------------------------------------
|
|
\section{TODO}\index{TODO}\label{TODO}
|
|
|
|
Il reste plein de choses à faire pour que ce soit vraiment utilisable.
|
|
\vspace{1em}
|
|
|
|
\begin{itemize}
|
|
|
|
\item Import/export au format \textsc{tiff}\index{tiff}.
|
|
\item Remplacer le « fait-maison » par \textsc{libnetpnm}\index{pnm}.
|
|
\textsl{[en cours]}.
|
|
\item Compléter les traitements mathémathiques (eg le gamma\index{gamma}).
|
|
\item Formaliser les codes d'erreur.
|
|
\
|
|
\end{itemize}
|
|
|
|
% -------------------------------------------------------------------
|
|
\section{Exemples pour yusers}\index{example}
|
|
|
|
Nous allons \textsl{essayer d'improviser} un exemple presque réel,
|
|
avec un peu de rache\index{rache} dedans.
|
|
|
|
\vspace{1em}
|
|
|
|
Nous savons générer une image contenant des pixels aux valeurs
|
|
probablement aléatoires (drand48\index{drand48}). Que se passe-t-il si
|
|
nous faisons la somme de plusieurs centaines\footnote{Des erreurs toxiques ?}
|
|
de ces images ?
|
|
|
|
\begin{verbatim}
|
|
#!/bin/bash
|
|
|
|
ACCU="quux.fimg"
|
|
TMPF="tmp.fimg"
|
|
DIMS="320 240"
|
|
|
|
mkfimg $ACCU $DIMS
|
|
|
|
for i in {0..1000}
|
|
do
|
|
mkfimg -t drand48 ${TMPF} ${DIMS}
|
|
fname=$( printf "xx%04d.pnm" $i )
|
|
fimgops $ACCU $TMPF add $ACCU
|
|
fimg2pnm -v -g $ACCU $fname
|
|
done
|
|
|
|
convert -delay 10 xx*.pnm foo.gif
|
|
\end{verbatim}
|
|
|
|
Voilà, si les choses se passent mal, vous allez découvrir
|
|
que votre drand n'est pas si drand que ça.
|
|
|
|
|
|
% -------------------------------------------------------------------
|
|
\section{Video for Linux}\index{v4l2}
|
|
|
|
Donc, maintenant, nous savons un peu tripoter ces images flottantes.
|
|
Et nous devons nous poser une question fondamentale\footnote{primitive ?}
|
|
sur la provenance de ces données prétendant être des images.
|
|
\vspace{1em}
|
|
|
|
En fait, notre désir secret est la découverte des choses cachées du
|
|
monde qui nous entoure. Nous voulons des images du \textbf{réel} et
|
|
pour cela, l'outil le plus commun, le plus répandu,
|
|
est la webcam\index{webcam}. L'universelle webcam. Et l'incontournable
|
|
v4l2.
|
|
|
|
\subsection{grabvidseq}\index{grabvidseq}\label{grabvidseq}
|
|
|
|
Un logiciel en évolution, qui permet déja la capture d'images en
|
|
\textsl{longue pose} selon la méthode du cumul\index{cumul}, et
|
|
devrait bientôt retrouver sa capacité à enregistrer des
|
|
séquences.
|
|
|
|
\begin{verbatim}
|
|
tth@debian:~/Devel/FloatImg/v4l2$ ./grabvidseq -h
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options :
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-d /dev/? select video device
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-g convert to gray
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-n NNN how many frames ?
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-O ./ set Output dir
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-o bla set output filename
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-p NN.N delay between frames
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-s WxH size of capture
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-u try upscaling...
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-v increase verbosity
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-X arg Xperiment option
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\end{verbatim}
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La plupart de ces options ont un usage quasi-évident.
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L'option \texttt{-s} doit correspondre à une des
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résolutions possibles de votre capteur. Le type du
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fichier en sortie (option \texttt{-o}) est déterminé par
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l'extension, actuellement
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seulement \texttt{.fimg} et \texttt{.pnm} sont reconnus.
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La conversion en gris (option \texttt{-g}) mérite un
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peu plus de travail, et une paramétrisation plus facile.
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L'option \texttt{-X} me permet d'intégrer des \textit{fritures}
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expérimentales dans le binaire, et ne doit donc pas être
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utilisée dans des scripts si on a des visions à long
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terme.
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\subsubsection{Upscaling}\index{upscaling}\label{upscaling}
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La fonction que j'ai appelée \textsl{upscaling} est un petit
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hack qui permet de doubler artificiellement la résolution
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de l'image, en profitant du fait que l'on est capable
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de prendre $N$ images en rafale.
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Pour être rigoureux dans la prise de vue, ce $N$ doit
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être un multiple de 4, surtout si le nombre de capture est faible..
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\vspace{1em}
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\textbf{Là, il manque un schéma\dots}
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\subsubsection{shoot.sh}\index{shoot.sh}\label{shoot.sh}
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\hspace{4cm}XXX\index{XXX}
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\subsection{video-infos}\index{video-infos}\label{video-infos}
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Que contient, que peut faire mon périphérique \textsl{àlc} ?
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Quelles sont ses possibilités de réglage ?
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\begin{verbatim}
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tth@debian:~/Devel/FloatImg$ v4l2/video-infos -h
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Options :
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-d select the video device
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-K nnn set the K parameter
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-l list video devices
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-T bla add a title
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-v increase verbosity
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\end{verbatim}
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Je me sois d'avouer qu'il reste quelques points mystérieux dans
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l'\textsc{api} de \textsc{v4l2}, et donc, que ce que raconte
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ce logiciel doit être pris avec des pincettes. En particulier
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la liste des résolutions disponibles.
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\section{Et pour la suite ?}
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En fait, je fait de la photo par la méthode du « cumul »\index{cumul}
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depuis plusieurs années. Une webcam\index{webcam},
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un Linux\index{Linux}, et ça \textsl{juste marche}.
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Sauf que c'est quand même un peu galère à déplacer, il faut
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avoir un shell pour déclencher, c'est pas facile à utiliser
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en mode portnawak\dots
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\vspace{1em}
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L'idée est donc de construire un appareil autonome, basé sur un Raspi et
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une webcam \textsc{usb}\index{USB}, alimenté par batterie et permettant d'aller
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faire des images au bord d'un lac.
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\printindex
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\end{document}
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