Les phénomènes de l’apparence couleur Christine Fernandez-Maloigne Equipe ICONES Laboratoire SIGNAL - IMAGE – COMMUNICATIONS (SIC) Fédération de recherche régionale PRIDES Université de Poitiers - Bâtiment SP2MI – Boulevard Marie et Pierre Curie - Téléport 2 86962 FUTUROCOPE Chasseneuil Cédex tel : 05 49 49 65 67 – fax : 05 49 49 65 70 [email protected] Sommaire 1) Quelques notions sur la perception des couleurs 2) Les différents paramètres liés à l’apparence couleur 3) Les phénomènes de l’apparence couleur 4) Vers le traitement numérique des images 1) Quelques notions sur la perception des couleurs ((cf site http://tecfa.unige.ch/~lombardf/CPTIC/couleurs/couleur_ERAG/Base.htm) Couleur = sensation physiologique liée à trois facteurs : la lumière qui éclaire une scène, la nature des objets de la scène, le système visuel de l’observateur La lumière onde électromagnétique, se propageant dans l'espace et le temps. Caractérisée par : longueur d'onde, l, trajet parcouru par l'onde pendant une période, fréquence, u; l = c /u , c célérité de l'onde électromagnétique, soit environ 300 000 km/s, vitesse de la lumière dans le vide. L'ensemble des ondes électromagnétiques La lumière (suite) Lumière : spectre visible, domaine spectral de 380 à 780 nanomètres. La lumière (suite) Chaque longueur d'onde correspond à une sensation perceptive appelée "couleur". Dans l'ordre des longueurs d'ondes décroissantes, les dénominations sont : rouge, jaune, vert, cyan, bleu, magenta La lumière (fin) • la lumière ambiante, • les sources directionnelles, • les sources ponctuelles, • les projecteurs ou spots. Les objets • deux types d'objets: • les objets qui produisent de la lumière : le Soleil, les flammes, les lampes à incandescence, etc. (imagerie infra-rouge = imagerie en émission) • les objets qui ne sont visibles que s'ils sont éclairés (invisibles dans l'obscurité). • Energie lumineuse absorbée, transmisse et réflechie • Majorité des images = image en réflexion (imagerie ultra-sons = imagerie en absorption) Les objets (suite) Surface lambertienne Surface parfaitement diffusante qui émet ou réfléchit un flux lumineux f tel que: L = cte direction Ls Surface spéculaire (Speculus: miroir en latin) Surface de type miroir avec une seule direction pour laquelle L0 Les objets Les objets (fin) Une feuille de papier blanc, renvoie en principe toutes les radiations. Un corps de couleur noir absorbe au contraire toutes les radiations. Selon l’absorption des longueurs d’onde, la « couleur »de l’objet est différente Mais la couleur d’un objet est liée à la lumière qui l’éclaire. (objet qui paraît de couleur jaune à la lumière du jour, éclairé par une lumière rouge, ce corps paraîtra rouge clair. Eclairé par une lumière verte, il paraîtra brun). Mais la couleur est une vue de l’esprit …. Le système visuel humain Le système visuel humain Anatomie et physiologie de l’œil Le globe oculaire de l’homme a la forme d’une sphère de 23 mm de diamètre environ L’œil fonctionne comme un appareil photographique. Il comprend donc : un objectif : le cristallin, un diaphragme : l’iris, une chambre noire : l’intérieur de l’œil, une plaque sensible : la rétine . La rétine : membrane très fragile, jaunâtre et transparente, tapissant le fond de l’œil. Partie sensible de l’œil. Deux sortes de cellules photosensibles : Les bâtonnets : 120 millions, sensibles à la lumière; Les cônes : 7 millions, sensibles à la couleur si assez de luminosité Le cristallin agit comme une lentille épaisse qui concentre les rayons lumineux sur la rétine. Image inversée obtenue nette seulement dans la partie centrale de la rétine : la fovéa. Recepteurs beaucoup plus nombreux dans la fovéa que dans les régions périphériques. Cônes et bâtonnets = récepteurs de lumière de l’œil. reliés par les neurones bipolaires et multipolaires, cellules de transmission des influx nerveux au nerf optique. Le système visuel humain Rétine : cônes et batonnets Sources : Françoise Viénot Museum d’Histoire Naturel Le système visuel humain • Les bâtonnets : cellules de forme allongée, colorés en rose par le pourpre rétinien qui les rend sensibles à la lumière. • Les cônes : cellules photosensibles de dimensions et des formes assez variables, contiennent très peu de pourpre rétinien La nuit tous les chats sont gris …. à la lumière de la lune, on ne perçoit plus les couleurs, l’intensité de la lumière est trop faible pour exciter les cônes et seuls les bâtonnets sont excités. Le système visuel humain Termes de physiologie : • Vision Photopique (de jour) au dessus de 3.4 cd/m2. • Vision Scotopique (de nuit) au dessous de 0.034 lm/m2. “colour blind” • Vision Mésopique (entre chien et loup !). éclairement faible mais pas encore noir ; couleurs bleutées. Le système visuel humain Les bâtonnets, 120 millions, pour la vision scotopique (à faible luminance), achromatiques, principalement dans les zones perifovéales et périphériques de la rétine, de façon régulière. Les cônes, 7 millions, utilisés en vision photopique (luminance élevée) essentiellement au niveau de la fovéa; très tassés : de 30.000 à 40.000 cônes sur un espace circulaire de 1 à 2 mm. Se raréfient plus on va vers la périphérie de la rétine. Le système visuel humain La mosaïque rétinienne Sources : Françoise Viénot Museum d’Histoire Naturel Le système visuel humain Trois types de cônes : L, M, S Le système visuel humain Les cônes : L M S 3 types de cones sensibles à la lumière dans 3 longueurs d’onde du spectre : pigments avec des valeurs d’absorption maximale autour de 445 nm (bleu), 535 nm (vert) 575 nm (rouge). Le système visuel humain Les intervalles de sensibilité des cônes L,M,S, s’intersectent pour permettre une vision continue (mais non linéaire) du spectre visible. La sensibilité maximale est de 683 lumens à une longueur d’onde de 555 nm (jaune). (en mésopique 505nm) Le système visuel humain Acquisition LMS puis transmission par cellules ganglionnaires en couleurs antagonistes à l’aire V1 du cortex Le système visuel humain Les anomalies • sujet normal trichromatique, œil sensible à trois couleurs fondamentales (rouge, vert et bleu), suffisantes pour avoir la sensation de toutes les couleurs. • trichromatisme anormal : vision de trois couleurs fondamentales, mais courbe spectrale de l’œil différente de la moyenne (déficiences vers les couleurs rouge, rouge orangé). • dichromatisme : plus que deux des couleurs fondamentales = cécité totale soit au vert, soit au rouge. • achromatisme : monde en noir, gris et blanc. • anomalies de la vision étudiées par le célèbre chimiste Dalton, daltoniens Le système visuel humain Dichromatisme (daltonisme) • pathologie du cône L: protanopie (pas de iodopsine L) ou protanomalie (rouge présent mais déficient). • cône M: version du daltonisme la plus fréquente : deutéranopie (pas de iodopsine M) ou deutéranomalie (déficience du vert) • cône S: tritanopie (pas de iodopsine S), tritanomalie (déficience du bleu). Le système visuel humain Tests d’Ishira Le système visuel humain Un trichromate normal voit: 8 15 26 rien Un protanope voit: 3 17 6 45 Un deutéranope voit: 3 17 2 45 Tests d’Ishira 2) Les différents paramètres liés à l’apparence couleur • • • • Brightness (clarté), Lightness (luminosité) Hue (teinte) Colorfulness (coloration), Chroma (chromaticité) Saturation Brightness Clarté, brillance La quantité de lumière perçue émanant d’un stimulus = Indicateur qu’un stimulus apparaît comme plus ou moins lumineux, clair. Hue (et hue !) Teinte • Hue (quadrature) = échelle de valeurs entre 0 et 400 selon laquelle un stimulus peut être décrit comme similaire à une couleur type rouge(0/400), jaune(100), vert(200),bleu(300) • hue (angle) : 0°- 360° teinte définie par une valeur angulaire : ROUGE 20,14° JAUNE 90° VERT 164,25° BLEU 231° • Hc = Hue composition = pourcentages exemple : 33Y67R H=32.98 h = 44.99° Décalage de la teinte: le jaune est devenu vert, le vert est devenu bleu, etc Saturation Mesure la pureté des couleurs. Le pourcentage de couleur pure par rapport au blanc. Couleur la plus délavée 0% Couleur la plus vive 100% Diminution de la saturation: les couleurs sont plus pâles. Une représentation géométrique de la couleur numérique : RGB Représentation de la couleur (I,S,T) Systèmes perceptuels systèmes de coordonnées (L,C,H) perceptuelles Systèmes d’axes indépendants (I1,I2,I3) système d’Ohta (R,G,B) (RF,GF,BF) systèmes de primaires réelles (RE,GE,BE) (r*,g*,b*) (RC,GC,BC) (X,Y,Z) (x,y,z) systèmes de primaires systèmes virtuelles normalisés Systèmes de primaires (I,r,g) systèmes de coordonnées polaires autres systèmes intensité(L,Ch1,Ch2) chromaticité (Y’,I’,Q’) (Y’,U’,V’) (A,C1,C2) (bw,rg,by) (L*,a*,b*) (L*,u*,v*) systèmes de télévision systèmes antagonistes systèmes perceptuellement uniformes Systèmes intensité-chromaticité R V B T 255 0 0 0° 100% 100% 0 60° 100% 100% 255 255 S L 255 255 255 0° 0% 100% 128 128 128 0° 0% 50% 275° 69% 71% 128 56 128 200 0 0 180 5 0 82° 98% 78% 0° 0% 0% 3) Les phénomènes de l’apparence couleur Si 2 stimuli n’ont pas la même apparence couleur alors que leurs « mesures » colorimétriques sont identiques (XYZ)1 = (XYZ)2 alors c’est que certains aspects des conditions de visualisation diffèrent Les phénomènes de l’apparence couleur • décrivent les relations entre changements en conditions de visualisation et changements dans la perception de l’apparence : • Simultaneous Contrast, • Spreading, Crispening, • Hunt Effect, • Stevens Effect, • Bezold, Abney, …. Effects • Surround, • Discounting the Illuminant, • Chromatic adaptation • Color Constancy, • Memory Color, • Adaptations, • …. a)Contraste simultané simultaneous contrast • L’apparence colorée d’un objet varie en fonction des caractéristiques colorimétriques de son environnement proche (background) • Exemple : une couleur verte peut paraître jaune sur un fond bleu Simultaneous contrats = Induction (chromatique) Simultaneous contrats Achromatic induction Chromatic induction Chromatic induction Simultaneous contraste Contraste simultanée = induction chromatique Simultaneous contraste = chromatic induction b)Crispening Sensibilité au contraste/fond • Augmentation de la perception des différences couleur selon le fond (background). Crispening…suite…. Sensibilité au contraste/fond • La différence couleur entre 2 stimuli augmente considérablement quand ils sont vus sur un fond (background) de couleur similaire aux stimuli eux-mêmes. Crispening…fin…. Sensibilité au contraste/fond c)Spreading étalement Sensibilité au contraste spatio-temporel • La sensibilité au contraste diminue avec les hautes fréquences. Sensibilité au contraste chromatique ( Contrast Sensibility Function CSF) d)Effet de Hunt • Pour une chromaticité constante, la coloration perçue augmente avec la luminance • « Colorfulness increases with luminance » Effet de Hunt-Stevens Le contraste et la coloration perçus augmentent avec l’augmentation de la luminance. e)Effet de Stevens • Le contraste perçu augmente avec l’augmentation de la luminance. • Quand la luminance augmente: • Les couleurs sombres apparaissent encore plus sombres; • Les couleurs lumineuses apparaissent encore plus lumineuses. Les cellules blanches dans l’ombre sont de la même couleur que les cellules noires éclairées f)Effet de Bezold-Brücke • La teinte change avec la luminance • Intensité augmente fortement => sensation colorée baisse • en plein soleil en été, le rouge et le vert se confondent avec le jaune, • le bleu-vert et le violet avec le bleu clair, • les teintes résiduelles perdent leur saturation • Pourquoi : les capteurs sont saturés La teinte est identique. Seul la clarté change g)Effet de Abney • La teinte change si on lui ajoute un blanc pur • Effet coloré du à la luminance : apparaît lorsqu’on ajoute une lumière blanche, uniforme, à une couleur donnée. • Désaturation de la couleur + légère variation de teinte Effet de Abney • + noir • Diminue saturation et clarté • + blanc • Diminue saturation • Augmente clarté Effet de Abney : couleur donnée + lumière blanche, uniforme = désaturation de la couleur + légère variation de teinte Ici, la saturation varie en sens inverse de la luminance. les couleurs claires (rouge du plumage) deviennent très pâles; les couleurs sombres (bleu du plumage) restent vives. h)Effet de Bartelson and Breneman • Le contraste apparent d’un stimulus complexe (image) augmente avec l’augmentation de la luminance de l’environnement. • Quand une image est vue dans un environnement sombre, elle apparaît avoir un contraste et une saturation plus faibles. Brevet KODAK Image imprimée, vue en conditions lumière de jour Image projetée, vue en conditions sombres i)Adaptation chromatique • De la même façon que le SHV s’accoutume du passage du clair au sombre et réciproquement. • Le SVH ajuste certains stimuli couleur Adaptation chromatique •Instruction: Fixer environ 30secondes le point noir entre les 2 régions uniformes cyan et jaune qui vont suivre Adaptation chromatique… suite….. Adaptation chromatique… fin….. Adaptation chromatique… encore • L’adaptation chromatique nous permet d’interpréter une couleur selon son environnement spatio-temporel. Adaptation chromatique… encore Adaptation chromatique… suite Adaptation chromatique… suite Adaptation chromatique… fin j)Color memory La terre est bleue comme une orange ? …. • Nous tendons à voir les couleurs d’objets familiers comme nous nous attendons à ce qu’elles soient …. Color memory : quelques règles • migration vers les extrêmes: • « bright colors are remembered as brighter, dark colors are remembered as darker » • migration vers des teintes caractéristiques : • « apples are remembered more “red”, bananas more “yellow” than they are, grass more “green” than it is. » Color memory : une expérience… Color memory : une expérience… Color memory : et en français… 4) Vers le traitement numérique des images De l’acquisition à la gestion de connaissance … Introduction aux techniques d’imagerie • Un système de traitement d’images permet d’acquérir, de lire, de visualiser, de modifier et stocker les images. Il est composé d’une partie matérielle (hardware) et logicielle (software) • Matérielle • système d’acquisition (images multimodales 3D+t) ; • système de traitement (ordinateur) ; • système de stockage, archivage ; • systèmes de visualisation et restitution. • Logicielle • acquisition ; • traitement ; • archivage. Introduction aux techniques d’imagerie Acquisition Traitement Segmentation Analyse Stockage transmission (Compression) Visualisation Impression C’est fini !