Lumière et couleur. «De toutes les qualités, la couleur est celle dont il est le plus difficile de parler»

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1 Lumière et couleur «De toutes les qualités, la couleur est celle dont il est le plus difficile de parler» Aristote 1. Physique et physiologie 2. Brève histoire de la théorie de la couleur 3. Espaces colorimétriques Bernard Bourniquel 18/11/2011 1

2 Définition de la couleur La couleur est la perception d une section de notre champ de vision qui apparaît sans structure précise à l oeil nu et à travers laquelle cette section seule peut être distinguée lorsqu elle est vue à l aide d un seul oeil sans mouvement de cet oeil par rapport à une section adjacente (DIN 5033) Mire TV 2

3 Quelle est l origine de la couleur? La cause primaire de la couleur est la nature de la lumière qui éclaire l objet observé (lumière incidente). Le peintre Claude Monnet est le premier à avoir immortalisé cet effet dans sa série «La cathédrale de Rouen» ( ) 3

4 Effet de la lumière incidente 4

5 Nature physique de la lumière rayonnement électromagnétique, à la fois onde et particule (photon) longueurs d onde visibles : entre 400nm et 800nm 1 nm = 1/ m (milliardième) courtes longueurs d onde : violet grandes longueurs d onde : rouge spectre continu 5

6 Lumière monochromatique, lumière polychromatique Lumière monochromatique Ne contient qu une seule longueur d onde Exemple : Laser 532 nm (vert) Lumière polychromatique Contient plusieurs longueurs d onde La lumière naturelle (soleil, lampes) est polychromatique. 6

7 Spectre normalisé : lumière du jour D65 Spectre de la lumière Répartition de l énergie du rayonnement en fonction de la longueur d onde. Il varie selon la source lumineuse : soleil, lampe à incandescence, LED Distribution spectrale de la lumière solaire, un jour d été, à midi, au niveau de la mer. 7

8 Que se passe-t-il si le spectre change? 8

9 Lumière réfléchie Celle qui est reçue par l oeil La couleur d un objet dépend du spectre de la lumière qu il renvoie vers l observateur. Couleur verte des feuillages due à la chlorophylle contenue dans le feuilles La chlorophylle absorbe fortement la lumière incidente dans le bleu et le rouge. La lumière réfléchie apparaît verte. 9

10 La couleur perçue dépend aussi de l efficacité de l œil Vision diurne (photopic) Courbe verte maximum à 555nm (vert) Vision nocturne (scotopic) Courbe bleue Maximum à 507nm L œil perçoit moins de couleurs la nuit que le jour et il ne voit pas mes mêmes couleurs. 10

11 Spectre de la lumière reçue par l oeil C est le produit du spectre de la lumière réfléchie par l objet observé par la réponse de l oeil 11

12 Sensation de couleur Processus complexe mettant en jeu deux phénomènes physiques : - la répartition de l énergie dans la lumière incidente - sa modification par l objet qui réfléchit la lumière deux phénomènes physiologiques : - la perception par l œil de la lumière réfléchie - l interprétation par le cerveau des stimulis produits par l oeil 12

13 Perception de la lumière par l oeil Deux types de récepteurs dans la rétine : Les bâtonnets (rods) utilisés en vision nocturne les cônes, responsables de la perception des couleurs en vision diurne Les cônes sont situés dans une zone restreinte de la rétine, la fovea, située près de l axe de l oeil 13

14 Sensibilité des cônes rétiniens Trois sortes de cônes : sensibles au bleu : 445nm Sensibles au vert : 540nm Sensibles au rouge : 565nm Le cerveau reçoit trois stimuli dépendant : de l énergie lumineuse reçue de la réponse des cônes à cette énergie 14

15 La sensation de couleur est élaborée par le cerveau Quel est le carré le plus sombre? 15

16 La sensation de couleur est élaborée par le cerveau (2) Quel est le carré le plus sombre? 16

17 L illusion de l échiquier Quel est la case la plus sombre, A ou B? 17

18 L illusion de l échiquier - Preuve Les cases A et B ont le même ton gris! 18

19 Théorie de la couleur Isaac Newton 1672 Jakob Christoffel Le Blon Thomas Young 1802 Hermann von Helmholtz 1850/1856 James Clerk Maxwell 1861 EwaldHering

20 Découverte de la nature de la lumière du soleil Isaac Newton English Royal Society (1672) Opticks (1704) Les expériences de Newton ont montré que la lumière blanche du soleil était composée d une suite continue de lumières colorées. 20

21 Théorie des couleurs de Newton 7 couleurs primaires, par correspondance aux 7 notes de la gamme diatonique. Roue des couleurs Pour former un cercle, il faut ajouter des couleurs qui n existent pas dans le spectre (des magentas complémentaires des verts) Pour Newton «les couleurs se forment dans l esprit de celui qui les perçoit» 21

22 Trivariance Possibilité de produire les couleurs à partir de trois couleurs seulement dites couleurs primaires Le Blon, imprimeur, 1720 Invente un procédé d impression en couleur utilisant trois planches encrées avec les couleurs primaires des peintres : Rouge Jaune Bleu. Ci-contre en haut, résultat après les planches 1 et 2 en bas, résultat final avec les trois planches 22

23 La trivariance est imposée par la perception visuelle T. Young «Chaque élément de la rétine doit comporter trois parties, sensibles chacune à une couleur primaire Rouge, Jaune, Bleu.» H. von Helmholtz admet l existence de trois primaires Rouge, Vert, Bleu propose le modèle ci-contre pour la sensibilité des récepteurs rétiniens «Toutes les couleurs du spectre, et donc toutes les couleurs de la nature sont des mélanges de rouge, de vert et de bleu. Le jaune est un mélange de rouge et de vert». (J.C. Maxwell, 1861) 23

24 Naissance de la colorimétrie : Le disque de Maxwell James Clerk Maxwell 1861 La rotation du disque produit l illusion d une couleur uniforme. En comparant une couleur à celle du disque en rotation, on mesure les fractions de rouge, de vert et de bleu qu elle contient. 24

25 Vinci (vers 1490), Chevreul (1839), Land (1950;1977) Contraste simultané des couleurs La couleur d un objet n existe pas en soi. Elle dépend de la couleur des objets qui l entoure. «Entre des couleurs égales, la plus excellente sera celle qu on voit auprès de la couleur qui lui est contraire.» Léonard de Vinci 25

26 Léonard de Vinci, Hering ( ) La théorie des couleurs opposées Le jaune est une couleur élémentaire : «Le jaune peut avoir une teinte rouge ou verte, mais jamais une teinte bleue Ces quatre couleurs (R-V,J-B) peuvent donc être définies très exactement comme les couleurs primaires comme l avait déjà proposé Léonard de Vinci.» Aux couples R-V et J-B, Hering ajoute le couple Blanc-Noir soit 6 couleurs primaires organisées en trois couples antagonistes. 26

27 Vincent Van Gogh Terrasse du café le soir huile sur toile

28 De Valois et al (1966) Confirmation expérimentale de la théorie des couleurs opposées Le thalamus se trouve au sommet du bulbe rachidien. C est un relais entre la rétine et le cortex visuel primaire. De Valois et al ont montré que certains neurones du thalamus construisent des signaux conformes à la théorie des couleurs opposées de Hering. 28

29 Théorie standard (2005) Bases neurologiques de la théorie de la couleur Les cônes rétiniens transmettent leurs stimuli aux neurones du thalamus Ces neurones sont excités par une couleur et inhibés par la couleur opposée : + Rouge / - Vert + Jaune / - Bleu + Blanc / - Noir Mais la sensation de couleur n est créée que dans le cortex visuel primaire et peut-être même audelà. 29

30 Détermination des couleurs visibles (CIE-1931,1964) La couleur à analyser est projetée devant l observateur. On projette à côté la superposition de 3 faisceaux rouge, vert et bleu (couleurs primaires). L observateur dispose de trois réglages pour ajuster l intensité de chacun des faisceaux. Il agit sur ces réglages jusqu à ce que la couleur obtenue par mélange soit identique à la couleur analysée. 30

31 Détermination des couleurs visibles (CIE-1931,1964) CIE = Commission Internationale de l éclairage Méthode : égaliser les couleurs monochromatiques entre 380nm et 780nm par un mélange de trois primaires Mesures tous les 5nm. Primaires choisies par la CIE : Bleu = 435,8 nm Vert = 546,1 nm Rouge = 700,0 nm Le choix de ces primaires (1931) n était pas optimal! 31

32 Espace colorimétrique RGB Une couleur est un point dans un espace à 3 dimensions. Dans un espace RGB, les axes sont orthonormés (ce sont les côtés d un cube). Un axe correspond à une couleur primaire. Une couleur est définie par ses coordonnées sur les 3 axes. Dans une images JPEG, ces coordonnées sont des entiers compris entre 0 et 255. Nombre de couleurs 255 x 255 x ,6 millions 32

33 Modèle intuitif des couleurs Teintes (valeur et saturation constantes) Saturation (teinte et valeur constantes) Valeurs (teinte et saturation constantes) Modèle HSV : Teinte (hue) Saturation Valeur Nommé TSL Teinte Saturation Luminosité dans Photoshop (version française) 33

34 Espace colorimétrique CIE RGB L origine {0,0,0} représente le noir Le sommet opposé du cube représente le blanc Les gris, du noir au blanc, se trouvent sur la diagonale Chaque plan perpendiculaire à cette diagonale contient des couleurs de même luminosité Les informations de luminosité et de couleur sont contenues dans les composantes r,g,b. 34

35 Espace colorimétrique CIE xyy Une transformation mathématique des coordonnées CIE xyz (définies par l analyse des couleurs visibles) sépare l information de luminosité des informations de couleur. Dans l espace CIE xyy, les composantes d une couleur sont : Y luminosité de la couleur x et y teinte et saturation de la couleur Les nouvelles couleurs primaires ainsi définies ne sont pas visibles. 35

36 Répartition des couleurs dans l espace 3D Puisque les couleurs primaires ne sont pas visibles, les couleurs visibles ne remplissent pas tout l espace CEI xyy. Si on est seulement intéressé par les informations de couleur, on projette l espace 3D sur le plan qui contient le plus de couleurs. 36

37 Graphique fondamental de la gestion des couleurs Diagramme de chromaticité xy Les couleurs pures sont les couleurs monochromatiques la «droite des pourpres» (en bas) est constituée de mélanges rouge-bleu Les blancs sont au centre 37

38 Saturation et pureté spectrale Selon la définition de la CIE, les couleurs de même saturation sont situées sur des cercles centrés sur le point blanc, dans un espace de couleurs uniforme. C et c ou Y et y : ont la même saturation des puretés spectrales différentes Y, C et B : ont la même pureté spectrale (maximale) des saturations différentes 38

39 Espaces colorimétriques RGB normalisés srgb 1976 Défini pour la télévision HD Espace de travail du web, de Windows et de la plupart des écrans Adobe RGB 1998 Espace de travail par défaut de Photoshop Prophoto RGB Très utilisé par les photographes Espace de travail de Lightroom 39

40 Gamut d un appareil RGB Ensemble des couleurs que peut enregistrer ou reproduire un appareil. Le gamut des appareils est toujours plus petit que la spectre visible mais : certains appareils photos enregistre une grande partie du spectre visible la plupart des écrans ne peuvent d afficher que srgb 40

41 Nécessité de la gestion des couleurs Chaque appareil possède son propre espace colorimétrique (gamut) Dans cet espace, chaque couleur est codée par trois nombres Comment interpréter les nombres produits par l APN pour que la couleur soit reproduite fidèlement par l écran et par l imprimante? 41

42 Références La gestion des couleurs pour les photographes 2007 Jean Demas Eyrolles un site en anglais destiné aux peintres. Monumental! le site officiel de l ICC un site en français complet sur le sujet 42