Cours vision 1. Système visuel humain Modèles de couleurs

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1 Cours vision 1 Système visuel humain Modèles de couleurs 1

2 Le système visuel humain Champ visuel : 200 x130 Acuité visuelle : 10/10 ème 75μm à 25cm Grande dynamique d'éclairements perceptibles 10 5 lux (feuille blanche au soleil) 10-3 lux (nuit étoilée) nuances colorées à luminance cte Vision binoculaire stéréovision chiasma optique nerf optique Corps genouillé latéral radiation optique cortex visuel 1/10 ème : discrimination de 2 points angulairement distants de 1" d'arc. 1"=(1/60) =

3 L'oeil Fonction optique de l œil : focaliser un stimulus de couleur sur sa partie photosensible, la rétine. La cornée : membrane transparente et résistante (assure la focalisation principale). L iris : membrane colorée (pigments protecteurs) : diaphragme contrôlant la quantité de lumière qui pénètre dans l oeil. Ouverture centrale : pupille. Le cristallin : lentille biconvexe molle qui permet de focaliser le stimulus grâce à sa capacité à modifier sa courbure Le corps vitré : liquide maintenant la structure autonome de l œil. La rétine : partie photosensible contient deux types de cellules : les cônes et les bâtonnets 3

4 Lumière: onde électromagnétique rayons g rayons X ultraviolet Violet rouge Infrarouge Radar FM Radio La région visible du spectre : longueurs d onde comprise entre 380nm et 780 nm La couleur est le résultat de la perception sur la rétine d'une lumière incidente. 4

5 Perception de la couleur La rétine : Cônes Bâtonnets Bâtonnets : Perception achromatique Lumière atténuée Cônes : Perception chromatique (3 types) Concentrés au centre de la rétine 5

6 Distribution des photorécepteurs bâtonnets cônes Tache aveugle 6

7 Les Bâtonnets 110 à 125 millions (Absents de la fovéa) perception achromatique : contiennent un pigment (la rhodopsine) sensible à tout le spectre avec sensibilité maximum dans le vert (510nm) Lumière atténuée très sensible à l intensité (1 seul photon) Vision scotopique responsable de la vision périphérique perception de plus faible résolution sensible au mouvement temps d'adaptation aux changements d'illumination assez long (x4 cônes) 7

8 Les cônes 4 à 7 millions concentrés au centre de la rétine (fovéa) perception chromatique (3 types de cellules) responsable de la vision centrale vision haute résolution moins sensibles que les bâtonnets Vision photopique temps d'adaptation aux changements d'illumination rapide 8

9 3 sortes de cônes Sensibilités spectrales normalisées Proportion des cellules pour chaque gamme de longueur d'onde 9

10 3 sortes de cônes : conséquence Spectres différents couleurs perçues identiques Couleurs métamères 10

11 Sensibilité spectrale de l'œil La réponse de l œil à une lumière monochromatique a été mesurée en fonction de la longueur d onde. la sensibilité spectrale de l œil humain (fonction d efficacité lumineuse relative spectrale) est notée V(λ). Elle a été définie en 1924 par la CIE* en vision diurne photopique. (1951 pour la vision pré-nocturne (scotopic) La mesure des grandeurs radiométriques (radiométrie) par rapport à l organe de vision constitue la photométrie. ( * ) Commission Internationale de l Eclairage 11

12 Sensibilité de l'œil aux couleurs Considérons 3 sources de même puissance : Rouge, Verte et Bleu le vert paraîtra le plus brillant des trois car l efficacité lumineuse atteint un maximum dans la région du vert (555nm). le rouge paraîtra moins brillant le bleu sera le plus foncé des trois. En fait, notre œil "surestime" la présence de vert (le vert disparaît en automne.) Le pouvoir de discrimination des couleurs est meilleur dans les tons bleus que dans les verts. 12

13 Modèles de couleur Qu est-ce qu une couleur? Définitions Artistiques Teinte, saturation, luminance Physiques/biologiques Spectre, stimulus Fonctions de base universelles Espaces perceptuellement uniformes Informatiques RGB, CMYK, HSV, YCbCr 13

14 Définition du peintre Définitions basées sur le mélange des peintures Vocabulaire habituel de la couleur Saturation Luminosité Blanc Gris Teintes Tons Ombres Couleur pure Noir 14

15 Définition physique Une couleur = un spectre Puissance physique ou radiance = distribution spectrale de puissance ou DSP 15

16 Teinte, saturation Définition physique liée au spectre : Teinte (Hue) = longueur d onde dominante Saturation = pureté de l excitation Luminance (Lightness) = quantité de lumière transmise Brillance (brightness) pour émission Couleur pure = une seule longueur d onde 16

17 Exemple simplifié Saturation e2 énergie P(l) Longueur d onde dominante Luminance= aire sous la courbe e1 λ 400 nm Violet Teinte 760 nm Rouge 17

18 Luminance / Brillance La luminance est l intensité physique d une source lumineuse = quantité d'énergie. La luminance est indépendante de la perception La brillance est l impression subjective de l intensité lumineuse et fait intervenir notre perception. la luminance le contraste système visuel sensible non pas à la valeur absolue du stimulus lumineux mais à son intensité relative. le phénomène de Purkinje La sensibilité de la rétine aux différentes longueurs, d onde varie en fonction de la luminosité ambiante Perception non linéaire de la luminance 18

19 Représentation des couleurs La représentation spectrale est trop riche Par rapport à la vision En coût mémoire La vision humaine n a que trois fonctions de base Il doit exister une représentation compacte Pourquoi pas les couleurs primaires? Rouge, vert, bleu 19

20 Les systèmes de primaires Théorie trichromatique de Young-Helmotz (1801) : l apparence visuelle de la couleur est de nature tridimensionnelle Tout stimulus de couleur peut être reproduit par le mélange de trois autres stimuli appelés primaires ou stimuli de référence. la colorimétrie est basée sur cette théorie. 20

21 Synthèse additive et soustractive La synthèse additive correspond à l addition de lumières colorées, dites primaires par juxtaposition : intégration spatiale (moniteurs) dans des temps différents : intégration temporelle (Nipkov) La synthèse soustractive résulte du principe d absorption sélective de la lumière par un matériau en fonction des différentes longueurs d onde. mélange soustractif : filtres colorés successifs imprimerie (CYMK) Rouge (R),Vert (G) Bleu (B) Absorbe le bleu Ainsi une surface rouge absorbe toutes les longueurs d onde sauf le rouge qu elle réémet Jaune (Y), Magenta (M) Cyan (C). blanc - bleu = rouge + vert = jaune 21

22 Expérience d'égalisation de couleur Maxwell (1860) réalise les premières mesures visuelles et les premières fonctions de mélanges (fonctions colorimétriques), par une expérience d'égalisation ou expérience d'appariement On cherche à égaliser la couleur X avec le mélange aa + bb + cc. La perception des couleurs n est pas seulement spectrale mais intégrateur. pour égaler une couleur, il n est pas nécessaire de reconstituer sa composition spectrale. 2 stimuli lumineux donnant la même impression colorée sont métamères 22

23 Un léger défaut Quelquefois, la combinaison des trois primaires ne suffit pas à atteindre l équivalence, même si les primaires sont bien choisies. ajouter un flux à la lumière à égaliser (coefficients de pondération négatif) Wright et Guild (analogie système visuel) 3 fonctions R c (λ),g c (λ) et B c (λ) 3 primaires notées [R c ], [G c ] et [B c ] (700.0 nm, nm et nm) fonctions colorimétriques les couleurs bleu-vert( nm) ne peuvent être reproduites par superposition des trois spectres. Problèmes dès que l'on désire travailler en synthèse additive 23

24 Choix des couleurs primaires Théoriquement, le choix des primaires n est pas unique. Expérimentalement : pour égaliser un plus grand nombre de couleurs par synthèse additive sans utiliser l artifice de désaturation : choisir des couleurs monochromatiques, situées aux extrémités et au milieu du spectre visible. Aucune des trois couleurs primaires choisies ne doit résulter du mélange des deux autres. primaires : stimuli monochromatiques proches du rouge, du vert, et du bleu 24

25 Inconvénients des systèmes de primaires (RGB) Les composantes trichromatiques peuvent prendre des valeurs négatives. Les valeurs des composantes trichromatiques sont liées à la luminance qui est une combinaison linéaire des composantes trichromatiques et non une composante elle-même. Il existe une multitude de systèmes (RGB). 25

26 Des nouvelles fonctions de base Les couleurs primaires ont un défaut : L ensemble des couleurs visibles ne peut pas être représenté avec des coordonnées positives Besoin de nouvelles fonctions de base Couvrant tout le visible Avec des coordonnées positives Linéaires par rapport à RVB Commission Internationale de l Éclairage

27 système (X,Y,Z) de la CIE Couleurs primaires virtuelles La CIE à conçu un espace de couleur basé sur trois primaires X, Y et Z non visibles avec les propriétés suivantes : tout spectre equi-energétique à des composantes trichromatiques X, Y et Z égales. (égalité des intégrales, comme pour le système RGB) Les Triplets (X,Y,Z) positifs équivalence entre Y(λ) et la fonction d efficacité lumineuse relative V(λ) ce qui permettra de représenter la luminance perçue par Y 27

28 Obtention des composantes trichromatiques méthode des ordonnées pondérées (pas d'intégration 10nm) les fonctions colorimétriques apparaissent comme des facteurs de pondération de la fonction à intégrer. 28

29 CIE XYZ Y = luminance (perçue par la vision humaine) X,Y,Z : représentation de la couleur Conversion vers RVB : linéaire Matrice 3x3 de conversion X ( λ) = R Y ( λ) Z( λ) = R ( λ) B Chromaticité : XYZ représente toutes les couleurs Besoin de pouvoir séparer la luminance de la chromaticité «le même rouge, mais en plus sombre» = 0 c c c ( λ) G ( λ) G R ( λ) G c ( λ) B c c ( λ) B c ( λ) c c ( λ) ( λ) 29

30 Diagramme de chromaticité Système (x,y,y) Chromaticité Normalisation des composantes trichromatiques par rapport à la luminance On introduit (x,y) : spectres monochromatiques Couleurs pures X x = X + Y + Z, y = X Y + Y + Z Couleurs combinées x+y+z=1 la couleur peut être représentée dans un plan (x,y) (z se déduit à partir de x et de y) 30

31 Diagramme de chromaticité Information de luminance (Y). dynamique de la luminance : 0 à 100 chaque couleur possède une luminance maximale Ymax=f(x,y)<100. En modulant du minimum au maximum la luminance du point W, on passe du noir au blanc en passant par toutes les nuances de gris. w Impossible d éclaircir une couleur rouge de longueur d onde l=625 nm par exemple au delà de Ymax=10, sans en changer sa couleur Ymax=f(x,y): courbe du corps des couleurs 31

32 Diagramme de chromaticité utilisation Le diagramme de chromaticité permet : de situer très facilement les couleurs les unes par rapport aux autres de déterminer de nombreux résultats par simple construction géométrique : couleurs complémentaires longueur d onde dominante blanc de référence mélange de deux couleurs pureté couleurs reproductibles,... 32

33 Diagramme de chromaticité 33

34 Diagramme de chromaticité chaîne des couleurs (gamut) Couleurs affichables par le moniteur Couleurs reproductibles par l'imprimante Couleurs reproductibles 34

35 Perception des couleurs Distance entre deux couleurs : Dans l espace de base : facile Pour la vision humaine : utile Idéalement, il y a un lien entre les deux Espace des couleurs perceptuellement uniforme Lien constant, indépendant de la couleur Différences juste perceptibles : Plus petite distance entre deux couleurs perçues comme différentes 35

36 limitation de l espace XYZ système non uniforme Chaque ellipse (Mac Adam) représente la plus petite différence perceptible entre 2 couleurs proches. Les couleurs à l intérieur d une ellipse sont jugées identiques Une couleur à l extérieur d une ellipse est jugée différente de celle au centre de l ellipse 36

37 Espaces perceptuellement uniformes faire correspondre un déplacement ds = (dl*,du*,dv*) de norme constante, à une variation perceptible de chrominance et de luminance égale L espace des couleurs L*u*v* Dans ce nouveau référentiel, les ellipses de Mac Adam se transforment en objets «plus» circulaires : Dans cet espace, une distance entre 2 couleurs sera définie par ΔC 2 =ΔL* 2+Δu* 2+ Δv * 2 37

38 Mesure d'un stimulus de couleur En pratique, la mesure d'un stimulus de couleur est réalisée par un colorimètre ou un spectrocolorimètre Le colorimètre fournit directement les composantes trichromatiques: 3 capteurs optiques dont chacun est sensible dans une bande passante correspondant à une fonction colorimétrique. Le spectrocolorimètre réalise une mesure spectrale multitude de photorécepteurs, chacun défini pour un intervalle de longueurs d'onde [λ,λ + Δλ ] déduit, par calcul, les coordonnées colorimétriques d'un stimulus de couleur selon différents systèmes de représentation de la couleur. 38

39 Fonctions de base type Y YIQ, YUV, YcbCr Utilisées pour la télévision couleur (et donc la vidéo) Y la luminance Cb et Cr la chromaticité En N & B, on n affiche que Y En couleur, on convertit vers RVB YUV=PAL, YIQ=NTSC 39

40 Intérêts de YCbCr Parfois, on est obligé de l utiliser Travail avec entrées/sorties vidéo Efficace pour la compression d images : Meilleur taux de compression si on convertit en YCbCr avant la compression Grosse bande passante pour Y Plus petite bande passante pour la chromaticité L*a*b* est efficace pour ça aussi 40

41 Fidélité des couleurs Problème : conserver la même couleur quand on change d outil de visualisation Solution : passer dans un espace indépendant Échantillonner les phosphores RVB Convertir en XYZ : X Y Z = Xr Yr Zr Xg Yg Zg Xb R Yb G Zb B 41

42 Fidélité des couleurs (2) Description du moniteur disponible sur le site du fabricant On extrait Xr, Xg, Xb Pour d autres sorties (imprimantes, par ex.) : Tables de conversion multi-dimensionnelles «Profil» de chaque outil, disponible ( Chaîne de conversion d un outil à un autre RVB outil 1 vers XYZ XYZ vers Lab Lab vers CMYK outil 2 42

43 En pratique Ça se dégrade avec l âge : Les phosphores, le canon à électrons s usent Plus efficace de mesurer directement le profil du moniteur, de l imprimante Mais plus cher (caméra spéciale, logiciel) Ou mesurer directement la chaîne de conversion Scanner-moniteur-imprimante 43

44 Quelques termes anglo-saxons Brightness : (ex. grandeur objective : la luminance (L)) la quantité de «lumière» émise par la source. Grandeur absolue. Lightness : (ex. grandeur objective : la «clarté» (L*)) la sensation qu une source apparaît plus ou moins lumineuse en regard d une surface pareillement illuminée perçue comme blanche Grandeur relative à une surface perçue comme blanche. Chroma : (ex. de grandeur objective : CIE chroma (C*ab )) permet d attribuer un degré de «coloration» (colorfullness) comparativement à un stimulus de même luminosité, mais achromatique. Nous pouvons percevoir une couleur correctement indépendamment de son niveau d illumination. Orthogonal à L. Saturation : (ex. de grandeur objective : CIE saturation (S*ab )) permet d attribuer un degré de «coloration» en tenant compte de la luminosité. Juge l uniformité d une zone malgré des ombres. 44