Les phénomènes de l`apparence couleur

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 L0
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 !