3. Qu'est-ce qu'une image numérique? 3.3 Les espaces de couleur

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1 3. Qu'est-ce qu'une image numérique? 3.3 Les espaces de couleur

2 3.3.1 Introduction Synthèse des couleurs PLAN Synthèse additive Synthèse soustractive Gamut Espaces de couleur RVB/RGB TLS/HSV-HLS XYZ Lab YUV-YCbCr/YIQ CMJN/CMYN srvb/srgb Gestion des couleurs

3 3.3.1 Introduction Comme on l'a vu dans le chapitre Système Visuel Humain, la notion de couleur est subjective: elle résulte de la perception de la lumière par le système visuel humain. Il faut donc bien distinguer la couleur physique et la couleur perçue: o la couleur physique est caractérisée par le spectre de la lumière qui arrive sur l'oeil. Le spectre* d'un rayonnement lumineux est l'ensemble des longueurs d'ondes qui le composent, associées à leurs intensités respectives. Le spectre peut être mesuré par un spectromètre. o La couleur perçue est une impression visuelle. La couleur perçue est différente selon chaque individu. On ne peut pas la mesurer. Deux couleurs physiques différentes peuvent produire la même couleur perçue. La colorimétrie* et les systèmes de représentation des couleurs ont pour objectif de représenter la couleur perçue à l'aide de valeurs. Dans tous ces systèmes (sauf CMJN), la couleur est représentée par 3 valeurs. Ceci provient du fait que l'oeil ne fait que 3 mesures différentes sur le spectre de la couleur physique : une mesure par type de cône. (renvoi sur la section SVH: perception des couleurs). L'ensemble des couleurs perçues peut donc être représenté par un ensemble de points dans un espace à 3 dimensions. Dans la suite, on présente le principe de la synthèse additive et soustractive des couleurs et la notion de gamut, les principaux systèmes de représentation des couleurs, et une brève introduction à la gestion des couleurs.

4 3.3.2 Synthèse des couleurs La synthèse des couleurs consiste à reproduire l'ensemble des couleurs visibles à partir d'un petit nombre de couleurs, appelées couleurs primaires. Le but est de créer un rayonnement lumineux produisant la même couleur perçue que la couleur d'origine, sans reconstruire son spectre complet. On utilise soit des sources lumineuses, soit des pigments colorés. Synthèse additive* La synthèse additive est la construction des couleurs par addition de sources lumineuses. exemples : écrans, projecteurs cinéma et vidéo, éclairages colorés. Plus on ajoute des composantes lumineuses, plus la couleur obtenue est claire. Les 3 couleurs primaires* de la synthèse additive sont le rouge (R),le vert (V) et le bleu (B). L'absence de lumière (R=V=B=0) donne le noir. La somme des 3 couleurs primaires R+V+B donne le blanc. Les couleurs secondaires* sont définies par addition de 2 couleurs primaires: Rouge + Vert = Jaune Vert + Bleu = Cyan Bleu + Rouge = Magenta Les autres couleurs sont obtenues en faisant varier les intensités respectives des 3 primaires. Pour lancer l'animation sur la synthèse additive, cliquez sur l'image. Remarque : la synthèse additive est aussi utilisée par les systèmes d'acquisition (scanner, caméras) : 3 types de capteurs mesurent les composantes R,V,B de la couleur originale.

5 Synthèse soustractive* La synthèse soustractive est la construction des couleurs à partir de pigments colorés. exemples : peinture, imprimantes, reprographie Un objet vert absorbe le Rouge et le Bleu et renvoie le Vert : il apparait vert Un objet jaune absorbe le Bleu et renvoie le Rouge et le Vert : il apparait rouge+vert= jaune Figure : la couleur d'un matériau est celle qui n'est pas absorbée Plus on ajoute de pigments colorés, plus la lumière est absorbée et la couleur obtenue est sombre.

6 Les 3 couleurs primaires de la synthèse soustractive sont le Cyan (C), le Magenta (M) et le Jaune (J). Chacune absorbe une des couleurs primaires de la lumière : Le Cyan absorbe le Rouge Le Magenta absorbe le Vert Le Jaune absorbe le Bleu L'absence de pigment donne le blanc. La somme des 3 primaires C+M+J donne le noir. Pour lancer l'animation, cliquez sur l'image ci-contre: Remarque : en pratique, il est difficile de trouver 3 matériaux qui absorbent à eux 3 toutes les longueurs d'onde visibles. On rajoute donc un pigment noir, d'où le système CMJN. Gamut Le choix exact des couleurs primaires (longueur d'onde, spectre d'émission ou d'absorption) est important. En effet, il n'existe pas 3 couleurs primaires (additives ou soustractives) qui permettent de synthétiser toutes les couleurs visibles. Selon le choix des primaires effectué, on obtient un ensemble de couleurs différent. Le gamut* est l'ensemble des couleurs qui sont réalisables à partir de 3 primaires, ou synthétisables par un matériel ou représentables dans un espace de couleur. Les couleurs hors-gamme sont celles qui ne sont pas dans le gamut.

7 3.3.3 Espaces de couleur Il existe de très nombreux systèmes de représentation des couleurs ou espaces de couleur, qui ont des applications et des propriétés diférentes. On ne va présenter que les principaux d'entre eux : o Espace RVB / RGB Espace le plus couramment utilisé, notamment lors de l'acquisition par scanner/apn et de l'affichage sur moniteur d'ordinateur. o Espace HLS / HSV Espace qui permet de décomposer une couleur en trois composantes plus intuitives qui sont la teinte, la saturation et la luminance. o Espace XYZ Espace normalisé qui permet de représenter toutes les couleurs et qui distingue la luminance de la chrominance. o Espace Lab Espace normalisé qui permet de représenter toutes les couleurs, qui distingue la luminance de la chrominance et qui conserve les différences perceptuelles. Il est utilisé pour la gestion des couleurs. o Espace YUV / YIQ Espace qui distingue la luminance de la chrominance. Ce système est principalement utilisé pour la transmission des signaux vidéos. o Espace CMJN / CMYN Espace de couleur utilisé pour l'imprimerie, c'est le seul espace dont la synthèse des couleurs est soustractive.

8 o Espace srvb/srgb Espace RVB restreint, utilisé pour les images destinées à la diffusion en ligne.

9 RVB*/RGB* L'espace RVB (Rouge Vert Bleu) ou RGB (Red Green Blue) est basé sur la synthèse additive. C'est l'espace le plus couramment utilisé pour représenter les couleurs. La télévision, les caméras et les moniteurs des ordinateurs utilisent ce système lors de l'affichage et de l'acquisition des images. Chaque couleur est représentée par 3 valeurs qui sont les quantités de rouge, de vert et de bleu qu'elle contient. Les valeurs sont comprises entre 0 et 1 (valeurs normalisées), ou 0 et 255 lors du codage des couleurs sur 8 bits. Par exemple : (0,0,0) = noir (1,1,1) = blanc (1,0,0) = rouge (0,1,0) = vert (0,0,1) = bleu (0,1,1) = cyan (1,0,1) = magenta (1,1,0) = jaune On représente souvent l'espace RVB comme un cube de dimensions 1x1x1, placé à l'origine d'un repère à trois dimensions dont les axes indiquent la quantité de Rouge, de Vert et de Bleu.

10 Chaque couleur correspond à un point C de coordonnée (Rc, Vc, Bc) situé dans le cube. Les couleurs Rouge, Vert, Bleu, Cyan, Magenta, Jaune, Noir et Blanc sont situées aux sommets du cube. Le Noir (0,0,0) est situé à l'origine du repère. Les couleurs primaires sont situées sur les 3 axes à la distance 1. La diagonale principale du cube est une droite tracée entre l'origine (0,0,0) et le point (1,1,1). Les couleurs situées sur cette ligne ont des quantités égales de Rouge, de Vert, et de Bleu. Ce sont donc les différents niveaux de gris, variant du Noir en (0,0,0) au Blanc en (1,1,1). Le choix des 3 couleurs primaires R,V,B détermine les couleurs présentes dans le cube.

11 Pour une meilleure compréhension, essayez l'animation en cliquant sur l'image ci-contre: Pour un choix de primaires donné, les couleurs visibles qui sont en dehors du cube sont hors-gamme: on ne peut pas les produire physiquement par addition de ces 3 primaires R,V,B. On peut cependant les exprimer dans ce système RVB à l'aide de composantes R,V,B dont certaines sont négatives.

12 TLS*/HSV*-HLS* TLS (Teinte, Luminance, Saturation ) ou HSV (Hue, Saturation, Value) ou HLS (Hue, Luminance, Saturation) Cet espace décompose la couleur selon des caractéristiques plus intuitives, proches du vocabulaire courant pour décrire une couleur. Il se base sur la décomposition de la couleur en une couleur pure du spectre de l'arc en ciel à laquelle est ajoutée un gris (addition de R,V,B à parts égales). o Teinte : Les termes couramment utilisés pour désigner la couleur d'un objet (Rouge, Violet, Rose...) expriment la notion de teinte. La teinte indique la couleur pure qui est prépondérante dans la couleur. Les teintes peuvent-être représentées par un angle sur un cercle.

13 o Saturation : Plus la saturation est faible plus la couleur est pastel ou délavée. Plus la saturation est élevée, plus la couleur est pure (ie vive). La saturation correspond à la proportion de couleur pure. Elle varie entre 0 et 1. S=0 : gris S=1 : couleur pure o Luminance : La luminance caractérise l'intensité totale du point lumineux coloré.

14 L'ensemble des couleurs représentables dans l'espace HLS est délimité par deux cônes ayant la même base. Pour une luminance donnée les couleurs sont situées sur un disque. Si on fixe une teinte, et qu'on fait varier la saturation, on se déplace sur un rayon du disque. La surface du cône contient l'ensemble des couleurs pures. L'axe du cône contient les gris du noir au blanc. Pour mieux comprendre, essayez l'animation en cliquant sur l'image à gauche ci-contre. Voici les formules de passage entre l'espace HLS et l'espace RVB :

15 XYZ* CIE-XYZ L'espace CIE-XYZ a été créé et en 1931 par la CIE, à partir de mesures sur de nombreuses personnes ("l'oeil moyen"). Les 3 primaires X,Y,Z sont définies comme une combinaison linéaire des 3 primaires monochromatiques R,V,B normalisées par la CIE. Elles ont été choisies pour avoir les propriétés suivantes: Toutes les couleurs visibles peuvent s'exprimer comme l'addition de 3 composantes positives X,Y,Z. Ainsi toutes les couleurs visibles sont à l'intérieur du cube unité. Par contre tous les points du cube ne sont pas des couleurs visibles. Y ne contient que l'information de luminance perçue : on additionne R,V,B avec des proportions de 30%, 59%, 11% qui tiennent compte de la sensiblité de l'oeil, bien plus importante pour le vert que pour le rouge et le bleu. Les gris correspondent aux points tels que X=Y=Z Etalons fictifs Les primaires X,Y,Z sont purement théoriques: elles ne sont pas réalisables physiquement. C'est pourquoi on les appelle étalons fictifs ou irréels. On ne peut donc pas construire de procédé technique (écran par exemple) basé sur ce système. Par contre, c'est un système normalisé et indépendant du matériel : 3 valeurs X, Y, Z représentent toujours exactement la même couleur.

16 xyz Pour caractériser la chrominance, c'est-à-dire la couleur indépendamment de sa luminance, on utilise les coordonnées x,y,z telles que x + y + z = 1 et définies par x = X / (X +Y + Z), y = Y / (X + Y + Z), z = 1 - x - y Dans le plan (x,y), on visualise l'ensemble des couleurs visibles indépendament de la luminance. C'est le diagramme de chromaticité. Les couleurs formant le contour du diagramme sont des couleurs pures. Les couleurs pures comprennent : les couleurs de l'arc en ciel, obtenues par un rayonnement monochromatique les couleurs appartenant à la droite des pourpres qui ne sont pas dans l'arc-enciel et qui sont obtenues par mélange de deux rayonnements monochromatiques bleu (420 nm) et rouge (680 nm).

17 Lab* L'espace CIE-Lab a été créé en 1976 par la CIE. Il a les mêmes propriétés que l'espace X,Y,Z : espace normalisé indépendant du matériel, séparation de la luminance (L) et de la chrominance (a,b), possibilité de représenter toutes les couleurs visibles par addition de 3 composantes L, a, b Il a été conçu pour ajouter la propriété de conservation de la différence perceptuelle : la distance entre 2 points dans l'espace Lab est proportionnelle à la différence perçue entre les 2 couleurs correspondantes. Cette propriété est particulièrement intéressante lorsqu'on souhaite remplacer une couleur par une couleur proche. Détail des 3 composantes: L : luminance varie entre 0 et 100 a : variations sur un axe rouge-vert : varie entre -60 et +60 b : variations sur un axe bleu -jaune : varie entre -60 et +60 Cet espace est le plus utile lorsqu'on veut assurer la fidélité des couleurs, restreindre le gamut au minimum et rester indépendant des matériels et logiciels de la chaîne de traitement. Il est aussi l'espace de référence dans les profil ICC (voir plus loin). illustrations : a reprendre avec son autorisation sur le site de :

18 YUV*-YCbCr*/YIQ* Dans l'espace YUV, les informations de luminance et de chrominance sont séparées. Y porte l'information de luminance.y est issue du système XYZ. U et V (ou Cb, Cr) portent les informations de chrominance. U= Cr = R - Y V= Cb = B - Y L'espace YUV est destiné à la vidéo européenne (PAL*/SECAM *) alors que YIQ est son équivalent pour le format américain (NTSC*). YUV est aussi utilisé dans les formats de compression d'image fixe JPEG et de vidéo MPEG. Cette représentation a plusieurs objectifs: éviter les limites de représentation des couleurs et de l'intensité lumineuse dans l'espace RVB. permettre l'envoi d'un même signal pour les télévisions N&B et couleur. Y peut être directement affichée sur un poste noir et blanc. diminuer la quantité d'information à transmettre : l'oeil n'étant pas sensible à toutes les nuances de couleur, et surtout les nuances de bleu, les composantes U et V peuvent être codées sur moins de bits.

19 CMJN/CMYN L'espace CMJN (Cyan Magenta Jaune Noir) / CMYK (Cyan Magenta Yellow Black) est basé sur la synthèse soustractive des couleurs. Cette représentation est principalement utilisée pour l'imprimerie et pour la conception sur ordinateur de textes et illustration devant être imprimés. >Pour chaque couleur, on indique la quantité d'encre Cyan, Magenta, Jaune et Noir permettant de la reproduire. On peut simplement passer de l'espace RVB à l'espace CMJN : C=1-R M=1-G J=1-B On doit en pratique utiliser des conversions plus complexes prenant en compte les caractéristiques de l'espace RVB d'origine et celles des encres et du papier utilisés lors de l'impression. srvb/srgb Cet espace de type RVB a été conçu au départ pour la télévision haute-définition (HDTV). Sa caractéristique principale est d'avoir un gamut réduit, compatible avec la plupart des moniteurs existants : toutes les couleur de l'espace srvb sont réalisables par n'importe quel écran. C'est pourquoi l'espace srvb est souvent recommandé pour créer des images destinées à la diffusion en ligne.

20 3.3.4 Gestion des couleurs Objectif La gestion de la couleur a pour objectif d'assurer la cohérence des couleurs entre les différents appareils d'une chaîne numérique. Dans l'idéal, on voudrait qu'une image scannée conserve les mêmes couleurs que l'original lorsqu'elle est affichée à l'écran ou lorsqu'elle est imprimée. La gestion des couleurs nécessite : l'étalonnage (ou calibrage) de tous les matériels : on caractérise la transformation des couleurs effectuée par chaque appareil, ainsi que l'ensemble des couleurs qu'il est capable d'acquérir/restituer (gamut). Ces caractéristiques fournissent le profil ICC* (International Color Consortium). l'intégration du profil ICC dans le fichier image : grâce à ce profil, les transformations déjà subies par l'image seront prises en compte par le matériel suivant. En pratique, une bonne gestion des couleurs est difficile à réaliser. Mots clés profil ICC : profil ICC d'un matériel : Ce sont les informations qui caractérisent l'espace des couleurs réalisables par un matériel d'acquisition, visualisation ou impression. Cette caractérisation est faite par rapport à un espace couleur de référence indépendant du matériel (de type CIE-XYZ ou CIE-Lab). Ainsi pour toute couleur exprimée dans l'espace couleur du matériel, on connait la "vraie" couleur correspondante acquise/affichée/imprimée. Inversement, pour toute couleur visible exprimée dans l'espace de référence, le profil ICC donne les valeurs à utiliser dans l'espace couleur du matériel, en vue de l'afficher ou de l'imprimer. profil ICC d'une image : De même, ce profil indique la correspondance entre les valeurs des couleurs du fichier image et un espace couleur de référence. On garde ainsi en mémoire un lien avec les "vraies" couleurs de l'image. étalonnage : création du profil ICC d'un matériel à partir d'une charte de couleurs. charte de couleurs : fichier ou document papier contenant des couleurs exactement définies.

21 CMS : Color Management Module: moteur de conversion de couleur : programme réalisant la conversion entre les espaces de couleur, en particulier le remplacement des couleurs hors-gamme. soft-proofing/épreuvage à l'écran : simulation à l'écran du résultat d'une impression, en utilisant les profils ICC de l'imprimante et de l'écran. RIP : Raster Image Processor : logiciel utilisé pour la gestion des couleurs lors de l'impression PCS : Profile Connection Space : espace couleur de référence Sites o formules de passage, visualisation des gamuts : o explications sur la gestion des couleurs o le site de l'icc

22 3. 3 Exercices sur les espaces de couleur Objectif : comprendre les décompositions RVB et HSV 1 - Visualiser les composantes sous Gimp téléchargez l'image ci-contre "fleur.jpg" en cliquant avec le bouton droit de la souris et chargez-la sous Gimp. cliquez sur l'image avec le bouton droit de la souris et dans le "menufiltres- >Couleurs->Décomposer" sélectionnez RVB. Dans la fenêtre "Calques, Canaux,..." sélectionnez les canaux et observez chaque couche séparément en cliquant sur les "yeux". recommencez et sélectionnez TSV (équivalent français de HSV), mais visualisez les calques. Questions: 1. parmi les 6 images de composantes, 2 sont très similaires, lesquelles? 2. comment l'expliquez-vous? 3. comment expliquez-vous les "taches noires" dans la teinte?

23 2 - Modifier les composantes RVB Sous Gimp fermez les fenêtres correspondant aux décompositions de couleur. Le menu "Outils->Outils de couleurs->balance des couleurs" vous permet d'ajouter ou de soustraire une valeur entre -100 et 100 à chaque composante Rouge, Vert, Bleu des pixels de l'image. Tous les pixels ne subissent pas la même modification : on précise les modifications pour les pixels sombres (cocher "Ombres"), pour les pixels moyens (cocher "Demi-teintes") et pour les pixels clairs (cocher "tons vifs"). Il y a donc 9 modifications possibles. On peut aussi choisir de préserver la luminosité (ie R+V+B reste identique après modification) Faites quelques essais. Questions: 1. en jouant sur le moins de modifications possibles (ie en laissant le plus possibles de valeurs a 0), supprimez toutes les nuances de rouge/rose dans l'image. 2. donnez les valeurs utilisées et l'image obtenue

24 3 - Modifier les composantes TLS Le menu "Outils->Outils de couleurs->teinte-saturation" vous permet de ajouter ou soustraire une valeur a chaque composante Teinte (entre -180 et 180), Luminance (entre -100 et 100), Saturation (-100, 100) menu gimp Questions : 1. Comment supprimer les couleurs et obtenir une image en niveaux de gris? 2. Quelle valeur faut-il ajouter à la teinte pour obtenir les couleurs complémentaires de celles de l'image de départ? 3. Quelle est alors la couleur de la fleur?

25 3.3 QCM sur la couleur 1 - La couleur perçue est différente de la couleur physique car - l'oeil n'est pas capable d'analyser le spectre complet d'un rayonnement lumineux - il n'y a que 3 types de cônes sur la rétine - la couleur perçue varie d'un individu à l'autre 2 - Dans la synthèse additive, plus on rajoute de couleurs - plus la couleur résultante est sombre - plus la couleur résultante est claire 3 - Si on mélange 2 faisceaux lumineux de couleurs JAUNE et BLEU, la lumière résultante sera plutôt: - verte - blanche - cyan

26 4 - Si on mélange 2 faisceaux lumineux de couleurs ROUGE et VERT, la lumière résultante sera plutôt: - jaune - noire - blanche 5 - Si on mélange 2 peintures de couleurs JAUNE et BLEU, la peinture résultante sera plutôt: - verte - blanche - cyan 6 - Si on mélange 2 peintures de couleurs ROUGE et VERT, la peinture résultante sera plutôt: - jaune - noire - blanche

27 7 - L'ensemble des couleurs visibles est appelé le gamut - Vrai - Faux 8 - Les couleurs hors-gamme sont: - des couleurs qui ne sont pas perceptibles par l'oeil - des couleurs qui sont en dehors du gamut - des couleurs qui ne sont pas réalisables par un matériel donné 9 - Les espaces de couleur qui sont indépendants du matériel sont: - RVB - XYZ - LAB - YUV - srvb - CMJN

28 10 - Pourquoi les écrans affichent des couleurs différentes? - parce que les tubes cathodiques n'utilisent pas tous les mêmes couleurs primaires RVB - parce que les écrans sont rarement étalonnés - parce que les écrans n'ont pas tous le même gamut - parce que les écrans n'ont pas tous le même gamma 11 - Si on rajoute de la lumière blanche à une lumière bleue - sa luminance change - sa teinte change - sa saturation change 12 - Qu'est-ce qui distingue la teinte et la chrominance? - rien, c'est identique - la chrominance est donnée par 2 valeurs, la teinte par 1 seule valeur - la chrominance prend en compte la saturation

29 13 - L'espace srvb est recommandé pour les images en ligne car: - il permet de restituer un grand nombre de couleurs - son gamut est inclu dans celui des écrans - si on utilise un espace comme Lab, de nombreuses couleurs devront nécessairement être approximées pour être rendues à l'écran. Supprimez vos réponses