Chapitre 4 : notions de colorimétrie (version light pour B1)

Chapitre 4 : notions de colorimétrie
1 Introduction
1.1 Définitions
Par définition, la couleur est la perception que nous avons des différentes longueurs
d’onde qui constituent la lumière visible.
La perception des couleurs dépend de l'âge, du sexe, de l'environnement et de la culture
personnelle. Il n'existe pas deux personnes qui auront la même perception colorée, ce qui
fait de la couleur une expérience psychologique très personnelle et subjective.
Par exemple, avec l'âge, le vieillissement de la cornée va jouer le rôle d'un filtre très
légèrement jaune qui va pousser l'observateur à rechercher plutôt des blancs bleutés
comme référence de blanc absolu.
Des couleurs qui existent pour d'autres espèces
n'existent pas pour nous et vice-et-versa.
La couleur n’est pas une caractéristique des objets.
Exemple : une tomate éclairée par différentes sources :
Elle apparaît rouge en lumière blanche
Si on l’éclaire avec un spot magenta ou jaune, le
fruit nous semble toujours aussi rouge. Notons que
la queue de la tomate - verte - apparaît noire sous
un éclairage magenta
Sous un spot vert ou bleu, la tomate paraît noire.
La queue verte reste visible en lumière verte.
La couleur est une sensation physiologique du cerveau résultant d’une excitation lumineuse
(onde de lumière visible).
La couleur d’un objet dépend :
de la nature de la lumière qui l’éclaire
de la nature de l’objet éclairé
des caractéristiques de l’œil et du cerveau
Pour pouvoir parler de « couleur », il faut donc deux éléments :
un phénomène lumineux, qui peut être composé d’une source perçue directement, d’un
objet observé en réflexion, d’un objet translucide, etc.
un observateur, qui perçoit le phénomène lumineux comme une couleur. La couleur
attribuée au phénomène par l’observateur dépend des caractéristiques physiologiques et
psychologiques de l’observateur.
Il faut aussi rajouter à ce schéma le fond d’observation, qui modifie l’aspect coloré de la
source ou de l’objet.
La perception de la couleur va, grossièrement, nécessiter trois phases successives, de natures
différentes:
une phase purement physique au cours de laquelle le rayonnement lumineux produit ou
renvoyé par la source ou l’objet observé atteint l’œil ;
une phase neurophysiologique de traitement du signal lumineux au niveau de la rétine et qui
va faire intervenir deux étages, celui des photorécepteurs et celui des circuits rétiniens (c'est ici
que deux spectres différents pourront être codés en deux messages identiques) ;
une phase neurocognitive de transmission et d'analyse par le cerveau des signaux issus des
cellules ganglionnaires de la rétine (c'est à ce niveau que la part culturelle sera importante
dans cette interprétation)
La notion de couleur se place donc dans un champ perceptif et se situe au carrefour de
plusieurs champs d’étude : la physique, la psychologie, la physiologie, etc.
5 Perception des lumières colorées
5.1 Perception des couleurs des lumières simples
Chaque lumière visible simple a une couleur (qu’il vaudrait mieux qualifier de teinte)
déterminée ; l’ensemble des teintes forme une suite sans variation brusque, et la
correspondance qu’indique le tableau suivant n’a qu’une valeur indicative, aucune convention
générale ne spécifiant pour quelle longueur d’onde on passe du rouge à l’orangé, de l’orangé
au jaune, etc.
La couleur (ou plutôt teinte) que nous attribuons à une lumière simple correspond à notre
perception de la longueur de l’onde (c’est-à-dire de l’énergie du photon). Rappelons que la
couleur n’est donc pas une caractéristique physique de la lumière, mais plutôt une
manifestation de notre système électrochimique de sensation (œil, nerfs, cerveau).
Les radiations de longueurs d’onde immédiatement supérieures à celle du rouge extrême
appartiennent au domaine infrarouge et celles de longueurs d’onde inférieures au domaine du
violet extrême (ultraviolet). Etant pratiquement invisibles à l’œil, elles n’ont pas de couleur.
Notons que beaucoup d’entre nous peuvent voir dans l’infrarouge, jusqu’à environ 1050 nm
(mais faiblement) et dans l’ultraviolet, jusqu’à environ 312 nm.
On appelle variance d'un système le nombre de grandeurs indépendantes qu'il faut donner
pour le définir totalement.
Une source monochromatique est définie par sa longueur d'onde et sa luminance, sa variance
physique est donc 2 (LE et λ). L'œil dans ce cas se comporte comme un récepteur bivariant (la
longueur d'onde perçue comme une couleur ou une teinte et la luminance perçue comme une
brillance).
5.2 Perception des couleurs des lumières complexes
Nous verrons que toutes les lumières complexes ont une couleur comparable à celle d'une
lumière simple, mais plus ou moins « lavée » de blanc (on parlera de pureté ou de saturation),
à l'exception des pourpres, qui n'existent pas dans le spectre et résultent du mélange de
lumières rouges et violettes (ou bleues).
Pour une lumière complexe, l'œil va se comporter comme un récepteur trivariant : trois
grandeurs devront être données pour caractériser la perception visuelle de la source.
Il est intéressant de noter qu’à l’inverse de ce que fait l’oreille vis-à-vis de la perception du
son, l’œil ne peut pas décomposer une lumière complexe en ses composantes harmoniques.
Quand plusieurs lumières simples ou complexes agissent simultanément sur l'œil, la couleur
du « mélange additif » ainsi réalisé dépend de leurs longueurs d'onde, ou de leur composition
spectrale, et de leurs intensités relatives.
Lorsque la couleur est déterminée par un
seul type d'énergie (ici, il n'y a qu'un seul
pic dans le vert) on emploie le terme de
lumière cohérente pour qualifier ce type
de lumière.
Le plus souvent une couleur est
composée
de
plusieurs
niveaux
d'énergie spectrale. Ici le magenta est la
somme du bleu/violet et du rouge.
Lorsque 2 pics se situent dans des
couleurs complémentaires (ici, le bleu et
le jaune) la somme des énergies
spectrales donne du blanc. mais le blanc
peu aussi être formé par 3 pics et même
plus. La lumière solaire (en pointillé) est
un mélange de toutes les énergies
spectrales et sa courbe spectrale se
rapproche d'une ligne horizontale.
5.3 Lumières colorées complémentaires
5.3.1 Définition
Une fois la lumière blanche de référence définie, on peut définir la notion de lumière colorée
complémentaire. On appelle couleur complémentaire d'une couleur donnée la couleur qui,
additionnée à la couleur d'origine, donnera une couleur achromatique (une nuance de gris,
qui peut être du blanc).
Deux lumières (simples ou complexes) sont donc complémentaires quand, agissant
simultanément et en proportions convenables sur l'œil moyen, elles produisent une sensation
égale à celle de la lumière blanche de référence.
Naturellement, la correspondance entre les couleurs ne peut être établie avec précision que si
l'on a bien fixé la lumière blanche de référence.
Pour les lumières vertes de longueurs d'onde comprises entre 500 et 560 nm (environ), les
lumières complémentaires sont des couleurs absentes du spectre visible des couleurs simples :
on les appelle les pourpres.
5.3.2 Détermination d'une complémentaire par méthode visuelle
Il est facile de déterminer une complémentaire en utilisant la propriété de rémanence des
cônes de l'œil. Il suffit pour cela de placer sur une surface blanche, la couleur dont on veut
déterminer la complémentaire, de la fixer pendant une minute, puis de la retirer. On voit
alors apparaître sur la surface blanche la couleur complémentaire.
Par exemple, fixez le carré rouge de l'image de gauche pendant environ une minute. Fixez
alors l'image blanche de droite (dépourvue de cadre). Vous devriez alors voir apparaître une
tache cyan en son milieu.
Il est également probable que lorsque vous avez fixé le carré rouge, vous commenciez à
apercevoir un halo cyan autour du carré rouge, du fait que lorsque l'œil fait des micromouvements, les cellules optique qui ne voyaient que du rouge voient du blanc.
Vous pourrez remarquer que sur le cercle chromatique, elles sont bien diamétralement
opposées.
Les cônes L (récepteurs des rouges) se sont « habitués » à voir du rouge, et les cônes
correspondants aux couleurs primaires vert et bleu transmettent donc un signal plus fort que
le cône rouge dans le blanc de l'image de droite.
Cercle chromatique : les couleurs
complémentaires sont diamétralement
opposées.
Etoile des couleurs complémentaires
7 Caractéristique des objets éclairés
Un objet absorbe certaines longueurs d’onde et en réfléchit d’autres ; il se comporte donc
comme une source lumineuse secondaire, de composition spectrale différente de la source
primaire.
Origine d’un stimulus coloré : Un stimulus coloré (D) est fournit par la combinaison adéquate
d’une source de lumière (spectre A), d’un objet (courbe de facteur de réflexion B) et d’un
observateur (courbe de réponse spectrale C).
Explication des aspects de la tomate
La tomate absorbe toutes les couleurs sauf le rouge
La lumière jaune est formée de rouge et de vert, la
lumière magenta de rouge et de bleu.
Ni la lumière verte ni la lumière bleue ne contiennent
de composante rouge. La tomate absorbe donc toute
la lumière qu'elle reçoit, et ne réfléchit plus rien: elle
paraît noire.
Dans ce cas, la surface est caractérisée par son facteur de réflexion spectral R(λ), qui mesure
pour chaque longueur d’onde le rapport entre le flux incident et le flux réfléchi.
7.4 Métamérisme
L'expérience montre qu'une même sensation de couleur peut être due à des lumières de
compositions spectrales très diverses.
Ainsi, des surfaces colorées de nature différente peuvent présenter une apparence colorée à
peu près identique sous un éclairage naturel et apparaître différente lorsque l'éclairage est
modifié par exemple avec une lampe à incandescence ou fluorescente.
Ce phénomène est celui du métamérisme des couleurs. Il rend compte du fait que deux objets
de spectre de réflexion diffuse différents présentent des apparences colorées identiques dans
des conditions précises d'illumination et des apparences différentes si les conditions
d'illumination changent.
De façon générale, deux couleurs vues identiques par l’œil mais dont les origines physiques
diffèrent sont qualifiées de métamères. Deux couleurs identiques à tout point de vue sont
dites isomères.
Par exemple, des sensations de couleur jaune très analogues peuvent être produites soit par
une lumière monochromatique de longueur d'onde voisine de 580 nm, soit par une lumière
blanche privée au moins partiellement de ses composantes spectrales bleues, soit même par
un mélange de lumières rouges et vertes, dans lequel le jaune monochromatique fait
totalement défaut.
Ainsi, considérons deux lampes électriques dont l'une a un pic monochromatique dans dans le
jaune et dont l'autre a deux pics monochromatiques dans le rouge et dans le vert. Si les
couleurs de 2 objets différents éclairés par ces sources paraissent identiques sous les 2
éclairages, on dit que leurs couleurs sont métamères. Donc grâce au métamérisme, un
mélange de lumière rouge et vert donne l'illusion du jaune.
Exemple de métamérisme
Pour les couleurs d’objets, le métamérisme survient lorsque les colorants ou les pigments
utilisés pour colorer deux objets différents ne sont pas les mêmes. C'est le cas par exemple
lorsque les matériaux supports ne sont pas de même nature comme pour les carrosseries
d'automobiles composés de surfaces métalliques, plastiques ou en résine synthétique.
Le métamérisme se manifeste plutôt pour des bleus ou des verts foncés, des bruns et des
marrons.
Ce phénomène est fondamental en colorimétrie puisque cette science repose sur l'identité de
perception de deux rayonnements, spectralement différents, examinés dans des conditions
données.
8 Caractéristiques de l’œil : notions d’optique physiologique
8.1 la vision humaine
La vision humaine résulte des caractéristiques de :
l’œil, qui perçoit la lumière…
de la rétine, qui transforme le signal lumineux en signal électrique…
Épithélium pigmentaire
photo-réceptrices
(cônes et bâtonnets)
signal
Couche granuleuse
cellules bipolaires
Cellules ganglionnaires
le prolongement
forme le nerf optique
lumière
épithélium
pigmentaire
photorécepteurs
couche granuleuse
cellules ganglionnaires
corps vitré
lumière
Les cellules photoréceptrices ne reçoivent qu’une lumière indirecte, rétrodiffusée par
l’épithélium pigmentaire.
et du traitement de l’information électrique par le cerveau.
8.2 Fonctionnement de la rétine
8.2.1 La rétine
Coupe de la rétine
8.2.2 Les cellules photosensibles
Deux types de cellules photosensibles
8.2.2.a Les bâtonnets
Les bâtonnets sont présents en nombre très élevé (75 à 150 millions).
Ils se répartissent surtout en dehors de la fovéa qui constitue le centre de la tache jaune
(macula) : ils sont responsables de notre vision périphérique.
Ils ont un diamètre moyen de 2,5 à 3 microns et une distance mutuelle allant de 10 à 20
microns.
Les bâtonnets possèdent une très bonne sensibilité à des bas niveaux de luminance (on
admet qu'un bâtonnet peut être excité par un seul photon), ce qui explique qu’ils
interviennent essentiellement en faible lumière (vision crépusculaire ou scotopique).
Leur sensibilité spectrale est maximale autour de 495 nm.
Ils donnent des réponses qui saturent au-delà d'un niveau d'éclairement de quelques
candelas par mètre carré (cas d'une pièce faiblement éclairée). Ils sont donc inutiles en vision
photopique.
Il n’existe qu’un seul type de bâtonnet, car ils contiennent tous un seul type de pigment (la
rhodopsine (1)) ; les bâtonnets ne peuvent donc distinguer les couleurs et sont sensibles
uniquement à la luminance.
Répartition des cônes et des bâtonnets sur la rétine
8.2.2.b Les cônes
Les cônes sont beaucoup moins nombreux que les bâtonnets (6 à 7 millions).
Ils se trouvent essentiellement dans la petite (environ 3 mm de diamètre) dépression
centrale de la tache jaune appelée fovéa : ils permettent donc la vision centrale, en haute
résolution.
La fovéa représente un champ de moins de 14°. En dehors de cette zone, bien que nous n’en
ayons pas conscience, l’œil ne perçoit pratiquement pas les couleurs.
Au centre de la fovéa, la densité de cônes dépasse 160 000 unités par mm2. Cette zone
centrale de la fovéa, la foveola, constitue le champ de pleine acuité visuelle et ne dépasse pas
2°.
Les cônes sont plus petits que les bâtonnets (1 à 2 microns) et plus serrés (distance moyenne
de 2,5 à 10 microns).
Ils sont moins sensibles à la lumière que les bâtonnets, mais peuvent s’adapter très
rapidement à des changements d’intensité lumineuse ou de luminance.
Les cônes interviennent essentiellement en vision diurne (vision photopique) car ils ne
saturent pas et peuvent coder des niveaux de luminance allant jusqu'à plusieurs milliers de
candelas par mètre carré (correspondant à la luminance des objets à l'extérieur par une
journée ensoleillée).
Cônes et bâtonnets au microscope électronique
Bâtonnets au microscope électronique
bâtonnets
bâtonnets
cônes cônes
fovéa
tâche jaune
Ce sont les cônes qui permettent la vision des couleurs car il existe trois types de cônes,
qui sont à l’origine de l’aspect trichromatique de la vision diurne des couleurs.
Il existe trois types de cônes dont les sensibilités spectrales dues aux pigments chimiques
qu’ils contiennent sont différentes.
On distingue les cônes S sensibles au bleu (donc à des longueurs d’onde courtes, d’où
short), les cônes M sensibles au vert (donc à des longueurs d’onde moyennes d’où medium)
et les cônes L sensibles au jaune-vert et au rouge (donc à des longueurs d’onde longues
d’où long).
Les cônes S sont les moins nombreux : 64 % L, 32 % M et seulement 2% S, bleus.
Sensibilité spectrale des cônes, échelle d’énergie linéaire
Sensibilité spectrale des cônes, échelle d’énergie logarithmique
426
530 560
nm
S
L
1
40
M
20
Sensibilité relative et nombres de cônes :
1 cône bleu pour 20 cônes verts et 40 cônes rouges
Sensibilité spectrale des cônes et des bâtonnets
Les caractéristiques spectrales des cônes s’explique par le fait qu’à l’opposé des bâtonnets, il
existe plusieurs pigments chimiques dans les cônes : ce sont des molécules appelées
rétinoïdes, dérivées du rétinol (ou vitamine A1) ; ils sont appelés rhodopsine (9) ou
cyanolabe, rhodopsine (7) ou chlorolabe et rhodopsine (5) ou erythrolabe; on trouve même
de la rhodopsine (11), sensible aux proches UV.
Les cônes S, M et L contiennent un mélange de ces rétinoïdes, mais pour chaque type de
cônes, un type de rétinoïde est majoritairement présent, et dépasse plus de 1 000 fois la
proportion des autres ; les rétinoïdes cités dans l’ordre précédent sont majoritaires
respectivement dans les cônes S, M et L.
8.3 Efficacité lumineuse de l’œil
Des études statistiques menées sur un grand nombre de sujets ont permis d’établir les
variations de l’efficacité lumineuse k(λ) en fonction de la longueur d’onde (cf. figure).
Efficacité lumineuse photopique de
l’œil humain.
On voit sur cette figure que l’efficacité lumineuse passe par un maximum km. Cette
efficacité maximale se trouve dans le vert-jaune. Plus précisément, le maximum est
caractérisé par :
λm = 555 nm
km = 683 lm.W -1
Remarque :
L’efficacité de l’œil est souvent donnée sous une forme différente en introduisant l’efficacité
lumineuse relative V(λ) par la relation:
k (λ ) = km .V (λ )
Cette efficacité diffère entre la vision de jour (photopique) ou la vison de nuit (scotopique).
Il est intéressant de constater que l’œil humain a une efficacité maximale à peu près pour la
longueur d’onde émise le plus par le Soleil, vu de la Terre.
Cette propriété s’explique par la coïncidence du maximum d’émission du Soleil avec la
transparence maximum de l’eau à ces fréquences. L’œil humain s’est développé et adapté de
manière à utiliser la fenêtre de longueur d’onde offrant le plus d’utilité.
Courbe d’absorption de l’eau en fonction de la longueur d’onde. La fenêtre du visible
correspond au domaine indiqué en jaune. Notez l’échelle logarithmique en ordonnées.
8.4 la vision nocturne (scotopique)
On appelle vision scotopique (du grec skotos, obscurité), la « forme » particulière que
prend la vision dans des conditions de faible éclairage (obscurité).
Chez l'Homme, la vision scotopique est essentiellement assurée par les bâtonnets de la
rétine, qui possèdent une sensibilité à la lumière importante mais répondent à toutes les
longueurs d'onde visibles (donnant ainsi une perception en noir-et-blanc, ou
panchromatique).
Le maximum de sensibilité est atteint, chez l'Homme, après un temps d’adaptation
(d’environ 45 minutes) de séjour dans l'obscurité, ce qui correspond au temps nécessaire
pour régénérer toutes les molécules de rhodopsine sous leur forme active.
Il est à noter qu'en raison de la répartition des bâtonnets sur la rétine, le maximum de
sensibilité ne se situe pas dans l'axe optique (la fovéa étant constituée uniquement de
cônes) mais à quelques degrés de celui-ci (mécanisme de la vision décalée).
La sensibilité de l'œil en vision scotopique (son efficacité spectrale) n'est pas la même à
toutes les longueurs d'onde.
Le maximum de sensibilité est obtenu pour une longueur d'onde de 507 nanomètres
(contre 555 nm en vision photopique).
Comparaison spectrale des visions
scotopiques et photopiques
Abaissement du seuil de détection
avec l’accoutumance à l’obscurité
Courbes de variation
des seuils
Energie seuil
SENSIBILITE A LA LONGUEUR D ’ONDE
Courbes de sensibilité
Courbes de sensibilité
relative
Efficacité lumineuse relative
Sensibilité
Longueur d ’onde (nm)
Longueur d ’onde (nm)
Longueur d ’onde (nm)
Remarque : effet Purkinje
la sensibilité de la rétine à la λ dépend de la luminance visuelle L
lorsque L‹10 nits : le maximum de sensibilité se déplace vers les courtes λ
Exemple : objets bleus et rouges de même brillance énergétique :
- en vision diurne : donnent la même sensation de « luminosité »
- en vision crépusculaire : objets bleus apparaissent plus « lumineux » que les rouges
8.5 Mécanisme physico-chimique de photo-excitation
À la base des cônes et des bâtonnets se
trouve un empilement de plusieurs milliers de
disques formés par des replis de la
membrane cytoplasmique, sur lesquels sont
accrochés en longues chaînes les molécules
photoréceptrices (rétinoïdes).
Sur le plan physique, toutes ces molécules se
ressemblent. Elles sont composées de sept
longues chaînes d’opsine, entourant une
molécule plus petite, le rétinal, qui à l'état de
repos est replié sur lui-même en forme
rétinal-cis.
Lorsqu’un photon frappe ce type de
molécule, il y a une chance sur deux pour
qu’elle pivote (temps de commutation ≈
picoseconde 10-12 s) autour de sa liaison
double 11 (∆11) pour devenir une molécule
isomère en position trans (qui est
« dépliée »).
Un photon provoque donc un changement
de forme de la molécule de rétinène. On
parle de photo-isomérisation du rétinal.
Ce phénomène constitue l’origine de l’information nerveuse.
Le rétinal quitte alors son support protidique en activant une chaîne de réactions d’où naît
l'excitation visuelle, via une hyper-polarisation membranaire qui engendre in fine un potentiel
électrique d'action dans les cellules ganglionnaires de la rétine.
Le rétinène 11-Cis est reconstitué après un cycle complexe (qui peut prendre 40 à 60 minutes),
soit à partir des réserves, soit à partir de l'apport alimentaire (vitamine A1)
Transmission du signal (≈ 10-9 s)
l’absorption d’un photon par le rétinal active la rhodopsine (Rh - Rh*)
qui active une protéine G, la transducine (T)
qui se coupe en deux
et active une enzyme, la phosphodiestérase (PDE)
abaisse la concentration du nucléotide GMPc dans le segment externe
GMPc = ouverture des canaux ioniques Na+
fermeture des canaux ioniques ouverts dans l’obscurité
le courant de dépolarisation diminue
et induit une hyperpolarisation du potentiel de membrane
signal électrique d’hyperpolarisation = potentiel récepteur
(-40 mV
-80 mV)
à l’obscurité
à la lumière
GMPc
rhodopsine
inactive
canaux ioniques
ouverts (GMPc)
-40 mV
photo-isomérisation
du rétinal
hydrolyse du GMPc
fermeture des canaux
ioniques -80 mV
blocage des cations
passage des cations
= dépolarisation
hyperpolarisation
Fermeture des canaux ioniques Na+ et potentiel récepteur
Transmission du signal au nerf optique
photorécepteurs
synapse
cellules
horizontales
cellules bipolaires
cellules
amacrines
cellules ganglionaires
nerf optique
8.6 Codage de l’information couleur
Certaines recherches en biophysique de la vision amènent à penser que la transmission des
signaux issus des cellules sensorielles de la vision s’organisent autour de trois voies
principales :
le canal achromatique, constitué d’une
opposition Noir/Blanc, à partir des signaux issus des
cônes L et M et de l’absence de signal.
le canal Rouge/Vert, constitué d’une opposition
des messages issus des cônes L et M.
le canal Bleu/Jaune, constitué d’une opposition
du signal émis par les cônes S et du signal
précédent.
De façon un peu schématique, la vision des couleurs est organisée en trois canaux
antagonistes de perception, résultant de l’association des cellules de la rétine entre elles. Cette
idée, à la base de la théorie de Hering, est soutenue par les résultats des recherches récentes
sur le traitement du signal visuel par la rétine et l’existence de champs antagonistes pour la
perception des couleurs.
On reconnaît ici les « quatre couleurs fondamentales » des peintres. L’idée d’antagonisme
vient du fait qu’il n’existe pas de teinte intermédiaire entre rouge et vert, (on peut envisager
des teintes à la fois rouge et jaune, mais pas à la fois rouge et vert !). Ces teintes sont
antagonistes. Si on organise ces canaux suivant un schéma à trois dimensions, on retrouve
naturellement l’idée de solide des couleurs. Nous retrouverons ces résultats à la base de la
construction du système colorimétrique CIE L*a*b*
11.5 Méthode de la colorimétrie
Depuis Grassmann, père de la colorimétrie, la procédure générale de base pour étudier les
sensations colorées repose sur une expérience d’égalisation des sensations, où il s'agit de
comparer pour un observateur, un stimulus visuel, à un stimulus de référence.
Les stimuli présentés sont des champs visuels uniformes, entourés d'un fond achromatique.
Ces champs sont assimilés à des couleurs d'ouverture, autrement dit des champs lumineux
sans structure, perçus comme des brouillards lumineux non localisés (comme par exemple le
bleu du ciel).
Notons là un premier problème, car la colorimétrie est souvent utilisée pour des objets.
Si ceux-ci interagissant avec la lumière, on parle de couleur de surface;
Si ceux-ci paraissent émettre de la lumière, on parle de couleur lumière.
En toute rigueur, c'est utiliser la colorimétrie en dehors de son cadre théorique d'application.
Les deux types d'égalisation les plus fréquemment employés sont l'égalisation directe, et
l'égalisation par minimum de papillotement.
L'égalisation directe est la plus simple à réaliser, et d'ailleurs, historiquement, la première à
avoir été employée. Les deux stimuli sont présentés côte à côte, séparés par une ligne aussi
fine que possible.
Les figures suivantes illustrent des exemples de champs visuels présentés à un observateur.
Champs visuels de 2 et 10 degrés
Une plage est généralement formée d’une lumière colorée inconnue, l’autre plage est
obtenue par superposition de lumières colorées calibrées, et le but est d’égaliser la
sensation lumineuse produite sur les observateurs par cette lumière colorée inconnue
avec la sensation produite par la superposition des lumières colorées calibrées.
L'égalisation par minimum de papillotement consiste à présenter alternativement le stimulus
de référence et le stimulus visuel. Pour une fréquence faible (de l'ordre de 5 Hz), on observe un
papillotement. Pour une fréquence plus élevée (de l'ordre de 35 Hz), il y a fusion des champs. Il
s'agit donc de travailler à une fréquence intermédiaire (environ 20 Hz), et de demander à
l'observateur d'annuler ou au moins de minimiser le papillotement résiduel, en effectuant
l'égalisation des champs.
Quel que soit le type d'égalisation employé, les conditions expérimentales doivent toujours
être soigneusement spécifiées, soit :
Le niveaux lumineux des stimuli;
La taille du champ visuel;
Le champ environnant;
Le niveau d'adaptation;
La durée de présentation des stimuli;
Les résultats obtenus sont très dépendants de ces conditions, d'où une certaine disparité
entre les nombreuses séries de données issues des expériences menées au cours de ce siècle.
14 La trivariance visuelle
Toute sensation lumineuse (un stimulus quelconque) peut être entièrement caractérisée par
3 variables indépendantes définies soit physiologiquement, soit physiquement.
14.1 Variables physiologiquement perçues par le sujet (système monochromatique) :
1. La luminance : intensité L de la lumière perçue (mesurable). Le sujet exprime ce paramètre
en disant que la source est intense ou faible, l’objet clair ou foncé.
2. La tonalité : le sujet indique la teinte de la lumière perçue, grandeur repérable, mais pas
mesurable, par la longueur d’onde λ de la lumière simple qui produit la même sensation.
3. La saturation : reliée au pourcentage de lumière blanche qui s’ajoute à une teinte donnée
(délavé). Ex : bleu ciel moins saturé que bleu roi rose pâle contient plus de blanc qu’un rouge
foncé.
La luminance peut exister indépendamment des deux autres. Exemple : vision crépusculaire,
sans couleur.
14.2 Variables physiques mesurables par un sujet (système trichromatique)
Une sensation lumineuse peut être reproduite par la superposition en proportions variables de
3 teintes primaires : rouge, vert, bleu. La sensation est définie par la luminance de chaque
source colorée : 3 variables mesurables physiquement par la brillance.
L = LR + LB + LV
LR : luminance rouge ; LB : luminance bleue ; LV : luminance verte
16 Trivariance visuelle et système trichromatique
La synthèse additive à partir de trois sources primaires rouge, vert, et bleue, pose les bases de
la trichromie.
16.1 Expérience de Maxwell
Le principe de l’expérience de Maxwell, fondatrice de la colorimétrie, est donnée sur le
schéma ci-dessous (en fait Maxwell procédait avec des disques colorés tournants).
Dans ce cas, l’expérience d’égalisation utilise
donc trois sources primaires calibrées,
généralement une rouge, une verte et une
bleue qu’il faut définir précisément.
Exemple de dispositif expérimental pour les
expériences d’égalisation par trichromie
http://www.profil-couleur.com/lc/006-synthese-additive/melange-synthese-additive.html
Test de correspondance entre la couleur d’une lumière test et celle d’une lumière combinée
qui a permis de définir l’observateur standard.
16.2 Principe fondamental de la trichromie
Ces séries d’expériences d’égalisation impliquent le résultat suivant, appelé principe
fondamental de la trichromie :
Toute lumière colorée peut être obtenue par une somme algébrique de trois lumières
colorées indépendantes appelées couleurs primaires, dans des proportions
déterminées.
On peut le vérifier directement expérimentalement, par une expérience d’égalisation du type :
On constate que l’ensemble des stimuli peut être reproduit par la combinaison (synthèse
additive) de seulement 3 stimuli de base, dits primaires instrumentales, avec des intensités
correctement choisies.
On utilise en général des primaires rouge, verte et bleue, notées [R] , [G] et [B] . Ce qui
précède est alors traduit par l’égalité :
qui indique que le stimulus [S] est reproduit par la synthèse additive des primaires [R] ,[G] et
[B] pondérés par les coefficients R, G, et B.
On a alors pour les luminances visuelles totales :
où le terme de droite contient les luminances visuelles des trois primaires.
Quelques remarques s’imposent
-[R] n’est pas un nombre : c’est un concept : une sensation de couleur (stimulus).
-R est un nombre : le coefficient de pondération de la primaire [R].
-Trois primaires suffisent pour reproduire l’ensemble des stimuli : c’est la trivariance visuelle,
reliée à l’existence de trois types de cônes
16.3 Mesure RGB d’un stimulus coloré
•
Par égalisation des sensations colorées, on associe à chaque stimulus un
triplet de nombres (R,G,B) au travers de la relation :
[S] = R [R] + G [G] +B [B]
où les nombres R, G et B sont les composantes trichromatiques du
stimulus S, représentant les quantités respectives des primaires
utilisées pour égaliser ce stimulus.
Le triplet de composantes trichromatiques RGB ainsi construit
constitue la « mesure » du stimulus [S].
Les composantes trichromatiques d’un stimulus sont donc déterminables
expérimentalement, par égalisation des sensations colorées produites par ces lumières.
Si deux lumières de spectres différents [S1] et [S2] produisent les mêmes valeurs R, G et B,
alors elles se correspondent en couleur.
Remarque : certaines couleurs très
saturées ne peuvent pas être égalisées
par synthèse additive des primaires en
particulier
les
couleurs
monochromatiques.
La solution apportée est de superposer
une faible quantité de la primaire
complémentaire à la couleur à égaliser
afin de la désaturer ( = la rendre moins
pure).
Dans le domaine des cyans par exemple, on doit d’abord désaturer [S] en lui rajoutant du
rouge [R], et on reproduit ensuite cette combinaison par synthèse de vert et de bleu :
ce que l’on peut écrire :
On constate alors qu’en autorisant des coefficients R, G ou B négatifs, on reproduit tous les
stimuli possibles.
Certains stimuli ont des composantes trichromatiques négatives.
16.4 Modèle colorimétrique RGB, cadre général : cube des couleurs
Aux trois lumières primaires [R], [G] et [B], on peut faire correspondre respectivement trois
vecteurs directeurs qui forment le repère (les axes) d’un espace vectoriel d’origine O.
Dans cet espace, chaque couleur C est ainsi
représentée par un point qui définit un
vecteur de couleur. Les coordonnées de ce
vecteur
sont
les
composantes
trichromatiques R, G et B de la couleur.
Les points correspondant à des stimuli de
couleur dont les composantes trichromatiques
sont positives sont contenus dans un cube,
connu sous le nom de cube des couleurs. Ce
sont les couleurs qui peuvent être reproduites
de manière additive au départ des primaires.
L’origine correspond au noir (absence de lumière) tandis que le blanc de référence est
défini par le mélange unitaire des trois primaires. La droite passant par les points Noir
O(0,0,0) et Blanc W(1,1 1) est appelée axe des gris, axe des couleurs neutres ou encore
axe achromatique. En effet, les points de cette droite représentent des nuances de gris
allant du noir au blanc. Elle a pour équation R=G=B.
Les composantes RVB ou composantes trichromatiques additionnent les luminosités
de chaque primaire comme une somme de vecteurs.
Cube colorimétrique additif RGB
Cube RGB déployé
Couleurs primaires et secondaires du système additif
Un mélange égal des primaires prises deux à
deux définit une couleur secondaire.
[B]+[R]=[M]= magenta
[B]+[G]=[C]= cyan
[G]+[R]=[J]= jaune
On voit que les couleurs secondaires sont
les complémentaires des primaires et
réciproquement :
[B]+[J]=[W] , [R]+[C]=[W] , [G]+[M]=[W]
http://www.profil-couleur.com/lc/006-synthese-additive/principe-synthese-additive.html
22 Applications de la synthèse additive des lumières colorées :
espaces colorimétriques
22.1 Télévision et vidéo
Un moniteur video est constitué d’un canon à électrons muni
de déflecteurs qui lui permettent de bombarder précisément
un écran de verre recouvert d’aluminium derrière lequel se
trouve une couche de phosphores. L’énergie de l’impact d’un
électron sur un phosphore produit un rayonnement de
lumière. Les phosphores de couleurs rouge, vert et bleu sont
organisés en paquets (en pixels), eux-mêmes organisés au sein
d’une grille (l’écran).
La faible taille des paquets fait croire à l’œil qu’il s’agit d’une seule et unique source de
lumière ponctuelle, provoquant ainsi naturellement le mélange additif des couleurs.
Les différents phosphores ne reproduisent pas chacun une seule longueur d’onde, mais un
spectre complet dont les maxima sont situés à proximité des couleurs à reproduire.
Spectre des phosphores
d’un moniteur Hitachi et
couverture de l’espace
XYZ obtenue par un
moniteur RGB et une
imprimante CMYK.
22.2 écrans à cristaux liquides
26 Synthèse soustractive des couleurs à l’aide de filtres colorés
26.1 Définition et principes
La synthèse soustractive est l'opération consistant à combiner l'effet d'absorption de
plusieurs filtres colorés afin d'en obtenir une nouvelle. Par exemple, la superposition sur
une surface blanche de deux filtres colorés, l'un jaune et l'autre bleu, permet d'obtenir du
vert.
Le terme soustractif vient du fait qu'un objet coloré, comme un filtre, soustrait (absorbe)
une partie de la lumière incidente. De fait, une couleur obtenue par synthèse soustractive
de plusieurs autres sera nécessairement plus sombre qu'elles.
En fait, il ne s’agit pas à proprement parler d’une synthèse de couleurs, mais plutôt d’une
analyse d’une lumière colorée, à l’aide de filtres de sélection.
Exemple : synthèse soustractive obtenue à partir d’une lumière blanche avec des filtres
colorés jaune, magenta, et cyan.
On reconnaît sur les diagrammes ci-dessus les couples de complémentaires additives :
[E] = [J] + [B]
[E] = [M] + [G]
[E] = [C] + [R]
La superposition de deux filtres donne les combinaisons suivantes :
En synthèse soustractive, les couleurs primaires généralement utilisées sont au nombre de
trois : le cyan, le jaune et le magenta.
l'addition de ces trois couleurs donne du noir
l'absence de couleur est le blanc
l'addition deux à deux de ces couleurs primaires permet d'obtenir les couleurs
secondaires, qui sont les complémentaires des couleurs primaires (une couleur et sa
complémentaire donnant le noir) :
le cyan et le jaune donnent le vert
le cyan et le magenta donnent le bleu
le jaune et le magenta donnent le rouge
http://www.profil-couleur.com/lc/006b-synthese-soustractive/synthese-soustractive.html
• Synthèse négative :
Cube des couleurs CMJ
26.2 Application de la synthèse soustractive : l’impression en couleurs
La méthode de reproduction trichrome se déroule en deux temps :
le premier est une analyse consistant à déterminer les proportions relatives de trois
couleurs de base arbitrairement choisies - le bleu, le vert, le rouge - capables de
reproduire pour l'œil la couleur originale de chaque point des sujets traités ;
le second temps est une synthèse consistant à reconstituer pour l'œil la couleur
originale de chaque point des sujets traités en déposant sur le papier ou sur tout
autre support convenable les proportions relatives adéquates des trois pigments
colorés de base.
Les couleurs de base - le bleu, le vert, le rouge ou, plus exactement, un certain bleuviolet, un certain vert-jaune et un certain rouge orangé - ont été déterminées
empiriquement, en découpant le spectre visible en trois portions égales.
L'analyse et la synthèse les mettent en œuvre par l'intermédiaire de filtres.
Les filtres sont des matériaux transparents ayant la propriété de laisser passer les
radiations constitutives de la lumière dans une certaine partie du spectre - celle qui
correspond à leur couleur propre - et de les arrêter dans les autres.
Filtres de sélection trichromes
Les filtres d'analyse sont de minces plaquettes
en gélatine, spécialement fabriquées pour cet
usage et colorées en bleu-violet, vert-jaune et
rouge orangé.
Ils laissent passer les radiations de la lumière
dans un tiers du spectre et les arrêtent dans les
deux autres tiers. Ils ont longtemps été mis en
œuvre dans des matériels photographiques. Ils
équipent maintenant des scanners.
Dans les deux cas, leur intervention se traduit
par l'obtention de trois films en noir et blanc un film par filtre - portant une image des sujets
traités, image dont les degrés de noirceur - les
gris - expriment les proportions relatives
respectives de bleu-violet, de vert-jaune et de
rouge orangé nécessaires en chaque point des
sujets traités pour reconstituer sa couleur
originale.
Encres pour synthèse trichrome
Les trois films en noir et blanc issus de l'analyse servent à
préparer - par les méthodes de la photogravure - trois
formes imprimantes chargées d'effectuer la synthèse,
c'est-à-dire de déposer sur le papier trois encres agissant
comme autant de filtres soustractifs.
Contrairement à ce qu'on pourrait attendre, ces encres ne
sont pas bleu-violet, vert-jaune et rouge orangé car, si
elles avaient ces couleurs - qui sont dues aux radiations
appartenant à un tiers du spectre, donc à une absorption
touchant les deux autres tiers -, elles ne pourraient pas
être superposées à l'impression sans étendre ladite
absorption aux trois tiers, donc sans créer du noir.
Elles ont en fait les couleurs complémentaires de celles
des filtres d'analyse, c'est-à-dire qu'elles n'absorbent les
radiations que dans un tiers du spectre et les laissent
passer dans les deux autres tiers. Elles sont
respectivement jaune (complémentaire du bleu-violet),
magenta (complémentaire du vert-jaune), cyan
(complémentaire du rouge orangé). Elles sont souvent
appelées encres primaires jaune, magenta et cyan.
Le jaune est une couleur inattendue amenée par un mélange de vert-jaune et de rouge
orangé.
Le magenta est un rouge violacé fait de bleu-violet et de rouge orangé.
Le cyan est un bleu verdâtre fait de bleu-violet et de vert-jaune.
Superposées deux par deux, elles reconstituent les couleurs de base (le bleu, le vert et le
rouge).
Superposées par trois, elles devraient faire apparaître du noir, mais ne fournissent qu'un
brun sale, à cause de certaines imperfections des pigments auxquels elles doivent leurs
couleurs.
D'où l'idée, qui s'est généralisée, d'utiliser la forme imprimante des textes pour appliquer
une image noire compensatrice dans les endroits où le jaune, le magenta et le cyan sont
imprimés ensemble, de sorte que la trichromie devient quadrichromie.
La quatrième forme imprimante est préparée au moyen d'un quatrième film de sélection,
dont les valeurs de gris sont calculées par les scanners et dans lequel les textes sont
insérés au cours d'une opération séparée.
En résumé…
La quadrichromie ou CMJN (cyan, magenta, jaune, noir) (en anglais CMYK, cyan, magenta,
yellow, black) est un procédé d'imprimerie permettant de reproduire un large spectre
colorimétrique à partir des trois teintes de base (le cyan, le magenta et le jaune ou yellow
en anglais) auxquelles on ajoute le noir (ou khol ou black).
Le noir est utilisé pour obtenir les gris, qui seraient plus difficiles à obtenir en mélangeant
les trois couleurs primaires. On peut toutefois ajouter une couleur supplémentaire au noir
pour accentuer les nuances de gris (une encre brune ou orangée par exemple).
CMJ et CMJN
Photo de référence (un étalage de fruits) :
Séparation quadrichromique : de gauche à droite : couche cyan, couche magenta, couche
jaune et couche noire.
Superpositions des trois primaires. De gauche à droite : magenta + jaune, cyan + jaune, cyan +
magenta, cyan + magenta + jaune.
Superposition des canaux cyan, magenta, jaune ainsi que leur couleur complémentaire avec un
noir De gauche à droite, haut en bas : cyan + noir, magenta + noir, jaune + noir, magenta +
jaune + noir, cyan + jaune + noir, cyan + magenta + noir.
La quadrichromie est un moyen commode de reproduire un grand nombre de couleurs, mais
il est très difficile de reproduire avec cette technique certaines couleurs vives.
L'exemple ci-dessous montre que, même si le résultat obtenu est satisfaisant, certaines
couleurs s'affaiblissent entre leur représentation naturelle en RVB et leur représentation
quadri. On le remarque particulièrement sur les fruits orangés (oranges, citrouilles,
mandarines), la couleur orange étant impossible à reproduire exactement en quadrichromie,
et sur les pitayas (rose vif) qui ternissent légèrement.
À gauche, photo en mode RVB (couleurs naturelles), à droite reproduction quadri de la même
photo :