Tout sur les couleurs

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1 Tout sur les couleurs Le physicien, le peintre, l'informaticien ou l'imprimeur ont chacun leur définition de la couleur. Visions objectives ou subjectives, cette présentation fait une synthèse cohérente de ces définitions et modèles. J.-C. Martin version 11

2 Tout sur les couleurs Ce document est destiné à ceux qui désirent comprendre le pourquoi et le comment des images colorées que nous consultons chaque jour. C'est aussi une introduction au traitement des photos

3 Différents regards colorés! Table des matières Celui du physicien Celui de l'informaticien Modèle TSV Cube des couleurs Celui de l'homme Celui de l'imprimeur Celui du peintre Modèle CMJN Modèle RJB Modèle pour internet Couleurs additives Noir et blanc Modèle RVB ou RGB TV couleur Couleurs soustractives Conclusions, références 3

4 Faisons toute la lumière... sur les couleurs Sans lumière, pas de couleurs, c'est noir! La lumière visible est celle que distingue l œil humain, du rouge au violet La lumière (avec l'invisible) ajoute l'infrarouge et l'ultraviolet. La couleur est une caractéristique de la lumière que nous essayons de définir, de caractériser et même de chiffrer dans les pages suivantes. 4

5 Les couleurs du physicien La lumière, c'est de l'énergie, E (unité J) Cette énergie peut être vue comme une onde électromagnétique, avec une longueur d'onde λ (unité m) et une fréquence f (unité Hz) Cette énergie, c'est aussi des particules en mouvement appelées photons La vitesse de la lumière c = 300'000 km/s La relation de Planck permet de calculer l'énergie E d'un photon (h : constante de Planck) -34 h = Js c= f λ E=h c / λ 5

6 Les ondes électromagnétiques longueur d'onde λ visible (0.4 à 0.8 micron) microns 30 THz fréquence f 100 énergie W ev E ultraviolet infrarouge 1 ev = J Seule la partie «lumière visible» de ces ondes est utile pour caractériser les couleurs 6

7 Les couleurs du physicien La lumière est donc une grandeur mesurable par une longueur d'onde λ ou une énergie E (E et λ sont reliés par la loi de Planck), c'est la couleur de la lumière et l'énergie d'un photon. 7

8 Les couleurs du physicien et par une puissance correspondant au flux de photons (nb photons/s). C'est le flux de lumière mesuré en lm (lumen) ou en W (Watt). Les couleurs pures ou monochromatiques (λ unique) sont celles de l'arc-en-ciel Photo d'un arc-en-ciel avec toutes les couleurs du spectre 8

9 Les couleurs du physicien Le flux lumineux, qui se mesure en lm (lumen), correspond à un flux de photons (nombre de photons par seconde) et à une puissance en W (Watt). L'intensité lumineuse (unité cd) correspond au flux par unité d'angle solide (lm/sr) Notez encore la correspondance entre les unités optiques et énergétiques (pour la couleur verte) 1 W = 683 lm 9

10 Mesure de la lumière et unités Rayonnement (intensité) : cd ou W/sr Propagation (flux) : lumen (lm ou W) Éclairement : lux (lx, lm/m2 ou W/m2) c'est la grandeur facile à mesurer source de lumière flux LUMEN surface éclairée éclairement LUX 10

11 Les couleurs du physicien Nous avons une définition objective et mesurable de la couleur, par deux grandeurs, le flux et la longueur d'onde Le flux correspond à la puissance, il est mesuré en lm. L'intensité lumineuse (unité cd) est le flux par unité d'angle solide (lm/sr) La longueur d'onde, mesurée en nm, permet de caractériser les couleurs classiques de l'arc-en-ciel Rouge orange jaune vert bleu indigo violet Spectre obtenu avec un prisme et décomposition de la lumière blanche 11

12 Les couleurs du physicien Avec un prisme, on peut voir toutes les couleurs monochromatiques de 400 à 800 nm environ 550 nm Mais il y a aussi d'autres couleurs que celle de l'arc-enciel, les couleurs polychromatiques... 12

13 Mélange de couleurs On peut mélanger des photons de deux ou plusieurs couleurs et obtenir d'autres couleurs, qui ne sont pas toujours dans l'arc-en-ciel Par exemple une composition judicieuse de plusieurs couleurs donne la couleur blanche Le blanc correspond par exemple à un spectre uniforme de toutes les couleurs. C'est aussi la «couleur» du soleil, notre source de lumière habituelle La saturation est un paramètre simple qui permet de caractériser ces couleurs composées. 13

14 Mélanges de couleurs Rouge R Rouge R Vert V Vert V Jaune R+V Magenta Blanc = R+B R+V+B Cyan V+B Bleu B Bleu B Les mélanges de rouge, vert et bleu fournissent : R+V = jaune, R+B = magenta, V+B = cyan et R+V+B = blanc 14

15 Mélange de couleurs Contrairement à l'oreille, qui distingue deux notes simultanées, l œil ne voit qu'une couleur et ne distingue pas le jaune monochromatique (570 nm) du jaune composé de rouge (700 nm) et de vert (500 nm) Il y a des couleurs, comme le magenta, le rose et le brun, qui ne sont pas équivalentes pour l'œil à une couleur monochromatique 15

16 La saturation À l'intensité (énergie ou puissance) et la longueur d'onde (couleur) on ajoute la lumière blanche (toutes des couleurs à la fois) La saturation S indique la «pureté» de la lumière colorée par rapport à la blanche. S varie de 0 à 1. S=1 indique une couleur pure, S=0 indique la lumière blanche ou grise. Entre 0 et 1, c'est un mélange un peu coloré. 16

17 La valeur La valeur V est une manière normalisée d'indiquer l'intensité de la couleur V varie de 0 à 1. V=0 indique le noir, sans photon. V=1 indique l'intensité maximum de blanc et de couleur 17

18 Exercices de physicien Calculez de débit de photons pour une lumière verte de 1lm (prenez l'équivalence énergétique de 1 lm=(1/683) W ) Quelle est la valeur de S pour une image en niveaux de gris? Et en noir et blanc (NB) Comment détecter les rayonnements électromagnétiques lorsqu'ils ne sont pas visibles? Donnez des exemples La lumière peut-elle se propager dans le vide et pourquoi? Y a-t-il une onde qui ne se propage pas sous vide? Comment peut-on mélanger deux couleurs? 18

19 Modèle TSV des couleurs Le modèle TSV utilise trois grandeurs intuitives et normalisées pour caractériser la couleur, issues des grandeurs physiques T pour teinte (exprimé avec un angle de 0 pour le rouge à 360 degrés pour le violet) S pour la saturation (de 0 à 1) V pour valeur (de 0 pour le noir à 1 pour le maximum du flux de lumière) 19

20 Modèle TSV de la couleur S=0 V=1 blanc T de 0 à 360 S de 0 à 1 V de 0 à 1 T=0 S=V=1 rouge V=0 noir 20

21 Modèle TSV de la couleur Représentation du modèle TSV dans le logiciel GIMP [ref. 2], pour choisir une couleur Le cercle représente la teinte T (ici rouge) Le triangle la valeur V (noir pour V=0) et la saturation S (sommet blanc pour S=0) 21

22 Questions sur le modèle TSV Quelle couleur lorsque V=0? Quelle couleur lorsque S=0? Quelle couleur si S=V=0? Quelles couleurs pour T= et 360? (supposez S=V=1) Donnez le TSV pour le bleu pur Vérifiez vos réponses avec un logiciel photo 22

23 Les couleurs de l'homme La vision est assurée par des éléments sensibles de la rétine au fond de l'œil La couleur est une impression subjective différente pour chaque individu La sensibilité de l'oeil est maximum pour le vert, et diminue vers le rouge et vers le violet Elle est différente le jour et la nuit 23

24 Les couleurs de l'homme 24

25 Les couleurs de l'homme Les bâtonnets et trois sortes de cônes permettent au cerveau de distinguer les couleurs Cônes R 570 nm Cônes V 535 nm Cônes B 445 nm Réf. 25

26 La nuit, tous les chats sont gris Dans la pénombre, la vision est principalement assurée par les bâtonnets, plus sensibles On ne distingue donc plus les couleurs! 26

27 Les couleurs de l'homme Le diagramme de chromaticité ou gamut représente l'ensemble des couleurs vue par l'homme [réf. 1] Les couleurs monochromatiques sont au bord (λ noté en nm), le blanc au centre (x = y = 1/3) avec S=0 27

28 Diagramme de chromaticité Les couleurs saturées sont au bord La ligne inférieure représente des couleurs saturées non monochromatiques violet, magenta etc. Température du blanc 28

29 Les couleurs de l'homme Notez que votre écran d'ordinateur ne peut afficher toutes les couleurs du gamut (exemple des couleurs visibles d'un écran dans le triangle) 29

30 Les couleurs de l'homme Notez que certaines personnes ne distinguent pas toutes les couleurs (daltonisme) La bande spectrale varie aussi selon les espèces 30

31 Daltonisme C'est un défaut de vision des couleurs dû à l'insensibilité de un ou plusieurs types de cônes au fond de l'oeil Exemple de vision sans les cônes verts (on parle de deutéranopie) réf. : Vision sans le vert Vision normale 31

32 Quelques symboles Rouge symbole de la chaleur et du danger Orange évoque le soleil et le feu Jaune c'est l'or et la richesse Vert de la nature et de l'écologie Bleu du ciel, du calme Violet symbole de la connaissance et religion Noir, couleur du deuil en Europe, blanc symbole de la pureté 32

33 Questions sur l'homme Que voit-il lorsqu'on mélange deux couleurs monochromatiques, l'une rouge, l'autre verte? (jaune?) Comparez la longueur d'onde du jaune avec la valeur moyenne du rouge et du vert. Voyez-vous ce chiffre? 33

34 Les couleurs du peintre En peinture, on compose les couleurs par des mélanges. On définit souvent trois couleurs de base et on construit une palette par des assemblages Exemple modèle RJB rouge-jaune-bleu jaune+bleu=vert etc. 34

35 Modèle RJB Exemples de cercle chromatique obtenu par mélange de couleurs 35

36 Alphabet des couleurs ColorADD [réf. 4] est un code des couleurs 36

37 Alphabet des couleurs ColorADD [réf. 4] mélange de couleurs 37

38 Les couleurs du peintre Ces couleurs sont subjectives Difficilement mesurables Inutilisables en informatique 38

39 Questions du peintre Y a-t-il d'autres couleurs possibles comme couleur de base? Faut-il toujours trois couleurs de base? Les couleurs de base sont-elles suffisantes? Peut-on réaliser toutes les couleurs de l'arcen-ciel avec le mélange des 3 couleurs de base? 39

40 Les couleurs héraldiques Ce sont les couleurs des blasons et armoiries Trois types de couleurs, les émaux, les métaux et les fourrures Exemple à Neuchâtel 40

41 Les couleurs héraldiques exemples le bleu (azur) le rouge (gueules) le noir (sable) le vert (sinople) le jaune (or) le blanc (argent) vair (fourrure) Réf. 41

42 Les couleurs additives C'est les couleurs d'un écran, il est noir quand il n'y a pas de couleurs. On ajoute un éclairage coloré Exemple de 3 couleurs primaires, modèle RVB Rouge vert bleu rouge+vert = jaune vert+bleu = cyan etc. Le fond est noir 42

43 Normes des couleurs RVB La Commission Internationale de l Éclairage (CEI) a défini les normes pour les trois couleurs primaires : R (rouge, red) λ = 700 nm V (vert, green) λ = nm B (bleu, blue) λ = nm RVB est remplacé par RGB en anglais 43

44 Définition des couleurs couleur Longueur d'onde (nm) Fréquence ( THz) Énergie de photon (ev) > ~ < ~ < ~ 1,6 ~ ~ ~ 1,6-2,0 R ~ ~ ~ 2,0-2,1 O ~ ~ ~ 2,1-2,2 Y ~ ~ ~ 2,2-2,4 ~ ~ ~ 2,2-2,4 ~ ~ 600 ~ 2,4 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Symbole (anglais) G C B ~ 2,8-3,2 V M blanc W noir Bk 44

45 Couleurs soustractives C'est les couleurs de l'imprimeur. Il débute avec une feuille blanche et enlève des couleurs, une couleur étant un filtre bloquant les couleurs complémentaires Exemple, modèle CMJ 3 couleurs primaires cyan magenta jaune cyan+jaune = vert Le fond blanc 45

46 Couleurs soustractives Une feuille est verte (V) car elle absorbe le rouge (R) et le bleu (B) de la lumière blanche R+B = magenta, couleur complémentaire du V Source de lumière blanche = R+V+B Vision verte La feuille absorbe R et B 46

47 Couleurs complémentaires Notez la complémentarité des couleurs dans les deux modèles, R-C, V-M et B-J Les modèles CMJ et RVB sont complémentaires, avec 6 couleurs saturées 47

48 Couleurs saturées C'est la teintes (T) du modèle TSV (mesurée de 0 à 360 ) Teinte S=1 et V=1 48

49 Couleurs de l'informaticien Les deux modèles RVB et CMJ utilisent les mêmes couleurs, mais complémentaires. Les valeurs de chaque couleur sont normées (de 0 à 1) Toutes les couleurs sont donc dans un cube, c'est le cube des couleurs de l'informatique L'origine du modèle RGB est le noir, celle du modèle CMJ est le blanc 49

50 Cube des couleurs Cube des couleurs, avec trois couleurs de base rouge vert et bleu (modèle RVB) [réf. 3] 50

51 Cube des couleurs Chaque point dans le cube représente une couleur, il est repéré par ses coordonnées La somme de deux couleurs correspond à une somme vectorielle La valeur normalisée de chaque couleur est comprise entre 0 et 1 Blanc = (1,1,1), noir = (0,0,0), rouge = (1,0,0) 51

52 Couleurs de l'informaticien Cube des couleurs, pour RVB et CMJ Chaque couleur est représentée par ses coordonnées dans le cube RVB ou CMJ 52

53 Couleurs de l'informaticien Exemple du noir, RVB=(0 0 0), CMJ=(1 1 1) C'est le même cube pour les deux modèles de l'informaticien. On peut passer d'un modèle à l'autre par un simple changement de coordonnées On peut aussi représenter chaque couleur du cube par des coordonnées polaires, avec le modèle TSV 53

54 Exercices d'informaticien Trouvez les équations pour convertir une couleur CMJ en RVB (facile) Trouvez les équations pour convertir une couleur TSV en RVB (difficile!) Marquez sur le cube des couleurs le lieu des points d'une image NB Marquez sur le cube le lieu des couleurs de l'arc-en-ciel (attention, est-ce possible?) Peut-on mettre le modèle RJB dans le cube? 54

55 Couleurs de l'imprimeur L'imprimerie utilise le modèle soustractif, puisqu'il part généralement d'une feuille blanche (modèle CMJ) mais Il doit ajouter du noir N (pour éviter le gaspillage de toutes les couleurs) C'est donc CMJ+N donc le modèle CMJN C'est aussi (souvent) les couleurs des cartouches de votre imprimante. 55

56 Exercices de l'imprimeur Quelles sont les couleurs des réservoirs d'encre de votre imprimante? Quelle est la difficulté pour convertir une couleur RVB en CMJN? Votre logiciel photo permet-il de travailler en mode CMJN? (c'est non pour GIMP de la réf. 2) 56

57 Couleurs pour internet Presque toujours avec affichage sur écran, c'est donc le modèle RVB qui est utilisé La valeur de chaque couleur est codée avec 8 bits, donc 28=256 valeurs sont possibles Cette valeur est souvent indiquée en notation hexadécimale, par exemple ff correspond à la valeur décimale 255 Exemple le rouge sera noté (ff,00,00) Ce modèle distingue 2563= plus de 16 millions de couleurs 57

58 Couleurs indexées Pour diminuer la taille des fichiers, on limite (généralement) à 256 le nombre maximum de couleurs d'une image Un seul byte par pixel (28 = 256 couleurs) On définit une palette de couleurs indexées Exemple, le format GIF utilise 256 couleurs (max) Image indexée à 8 niveaux 58

59 Noir C'est une couleur sans énergie et sans photon Le noir correspond au zéro du modèle RVB Est-ce une couleur? 59

60 Blanc C'est une couleur avec la puissance maximum, qui dépend de la source lumineuse utilisée. Un paramètre important est la température de cette source, par exemple de 5'800 K pour le soleil au zénith ou 1'800 K pour une bougie. Il faut souvent corriger le blanc pour qu'il n'apparaisse pas coloré sur l'image Notez qu'il n'y a pas de couleur sans lumière 60

61 Blanc La couleur apparente du blanc dépend de la température T de la source lumineuse (de rouge à bleu sur ce gamut) [réf. 1] 61

62 Noir et blanc (NB) Les images en niveaux de gris ont toutes les couleurs au même niveau ont une saturation nulle (S=0) chaque point est sur la diagonale NB du cube Image en niveaux de gris 62

63 Questions noir et blanc Pourquoi faut-il de la lumière blanche pour voir les couleurs? Ajustez-vous la température de la lumière lorsque vous prenez des photos (avez-vous ce réglage sur votre appareil de photo)? Quel rapport entre la taille d'un fichier photo (jpg) avec et sans couleur? 63

64 La télévision couleur Le signal de la télévision NB (noir et blanc) utilise un seul signal pour chaque pixel indiquant la luminosité, c'est la luminance (signal Y) Pour la couleur, la télévision a ajouté deux composantes (U et V) qui composent la chrominance. Les signaux YUV s'obtiennent à partir des signaux RGB par calcul algébrique 64

65 Conclusions La couleur est un espace à 3 dimensions (il faut 3 chiffres pour la caractériser) Le modèle historique RJB est inadapté à l'écran Le modèle RVB (ou RGV) à 3 couleurs est le plus utilisé pour tous les écrans Les couleurs RGV et leur complémentaires CMJ forment l'ensemble des 6 couleurs saturées (T de 0 à 360 ) du modèle TSV, qui est différent des couleurs de l'arc-en-ciel. La couleur est une unité de mesure adaptée à l'oeil humain 65

66 Solutions des exercices Le physicien répond 4x1015 photons/s, S=1, oui, le son ne se propage pas sous vide. Questions TSV : noir, gris, noir L'homme répond... Le peintre répond : oui / non / non L'informaticien répond R=1-C V=1-M B=1-J L'imprimeur : il manque les critères Noir et blanc : sans lumière, l'oeil ne voit rien 66

67 Références 1. Encyclopédie 2. Logiciel photo 3. GIMP, manuel de référence pour l'édition d'images en logiciel libre, O. Lecarne, K. Delvare, 2010, ISBN : Identification des couleurs 67

68 Remerciements Lecteurs et correcteurs, merci de vos remarques et suggestions En particulier MM W. Hammer J.-F. Perrochet J. Hermann J.-C. Martin Gabriel 32 CH 2034 Peseux tél

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