Lumière et couleurs

Page mise à jour le 26 octobre 2017

Sources

  • Développer ses fichiers Raw (Ed. Eyrolles, 2ème édition, 2007 – Chapitre 4)
  • Gimp – Manuel de référence pour l’édition d’images en logiciel libre (Ed. Pearson, 2010 – Chapitre 1)
  • Wikipedia

Sommaire

Lumière et couleurs


La lumière visible est constituée de l’ensemble des ondes électromagnétiques perçues par la vision humaine. Les longueurs d’onde sont comprises entre 380 nm (violet) et 780 nm (rouge).

Spectre de la lumière visible

Les corps produisent de la couleur de différentes manières :

  • par émission (soleil, lampes, flammes, écrans…),
  • par réflexion/absorption (objets opaques ou semi transparents),
  • par réfraction (arc-en-ciel),
  • par diffusion (ciel bleu),
  • par interférence et diffraction (bulles de savon, nacre, plumes de paon…).

Le spectre visible correspond à la partie du spectre électromagnétique pour laquelle l’éclairement énergétique solaire est maximal à la surface de la terre.

La production de couleur par réflexion est la plus courante. Lorsqu’ils sont éclairés, les objets colorés absorbent une partie du spectre visible et réfléchissent l’autre partie. La couleur est due à la partie réfléchie du spectre. Si l’objet absorbe la totalité du spectre visible, il est noir. S’il réfléchit la totalité, il est blanc. À noter que le rayonnement absorbé est converti en chaleur.

Si l’objet est semi transparent, il laisse une partie du spectre visible le traverser (partie non réfléchie ou absorbée). Ainsi, un filtre rouge, placé devant l’objectif de l’appareil photo, laisse passer la partie rouge du spectre visible.

Absorption, réflexion, diffusion, transmission

Notre œil perçoit les couleurs grâce à des cellules photoréceptrices appelées cônes. Un autre type de cellules, appelées bâtonnets, est sensible à la luminosité, mais pas aux différences de longueur d’onde. Trois sortes de cônes coexistent : ceux qui sont sensibles au bleu (420 nm), ceux qui sont sensibles au vert (534 nm) et ceux qui sont sensibles au rouge (564 nm).

Notre perception des couleurs provient des différences entre les signaux envoyés au cerveau par les cônes sensibles aux différentes fréquences.

Les couleurs que nous percevons peuvent être monochromatiques (correspondant à fréquence donnée) ou le résultat d’une combinaison de couleurs monochromatiques (plusieurs fréquences ).

Notre cerveau est non seulement capable d’interpoler les couleurs monochromatiques pour lesquelles l’œil n’a pas de cônes spécifiques – le jaune est perçu grâce aux cônes rouges et verts, par exemple -, mais il permet aussi de percevoir des couleurs composées : la couleur marron, par exemple, que l’on ne voit pas parmi celles de l’arc-en-ciel.

Le diagramme ci-dessous représente l’étendue des couleurs que nous percevons.’ensemble des couleurs perçues Une représentation du ar

La Commission Internationale de l’Éclairage (CIE) a défini un modèle des couleurs que nous percevons. Ce modèle, représenté ci-dessous, tient compte de la faculté du cerveau à percevoir certaines couleurs qui ne sont pas dans l’arc-en-ciel (pourpre, par exemple). Les longueurs d’onde sont indiquées le long de la bordure courbe.

Diagramme de chromaticité de la CIE

L’ensemble complet des couleurs qui correspondent à un mécanisme de perception ou de représentation est appelé gamut. Certains dispositifs ont un gamut meilleur que d’autres, mais tous sont très faibles dans certaines zones.

Discrétisation et numérisation

Une image est observée ou représentée de manière discontinue : elle est constituée d’une multitude de petits points, très proches les uns des autres. Les cellules du fond de notre rétine (cônes et bâtonnets), ou les photorécepteurs du capteur d’un appareil photo numérique (matrice), sont des récepteurs discrets. Une image est constituée de pixels sur l’écran d’un ordinateur, de grains pour un tirage photographique ou une impression laser, de tâches d’encre minuscules pour les autres imprimantes.

Les couleurs sont elles-mêmes discrétisées. Nous avons vu que les cônes de notre rétine sont spécialisés. Dans un appareil photo, les photorécepteurs sont munis de filtres répartis sous la forme d’une mosaïque dite de Bayer (sauf les appareils Fuji). Chaque élément muni d’un filtre couleur ne reçoit que la lumière dont la longueur d’onde correspond à cette couleur.

Disposition de Bayer
sur la matrice d’un capteur d’image

Sur un écran d’ordinateur, chaque pixel est en fait constitué de trois sous-pixels. Sur une photo ou une impression couleur, les couleurs sont le résultat de la juxtaposition de points colorés.

Écran LCD vu au microscope

Les pixels, grains ou tâches d’encre sont tellement petits que notre œil est incapable de les distinguer.

Chaque photorécepteur de notre rétine ou du capteur de notre appareil photographique mesure la quantité de lumière qu’il reçoit. Bien que cette mesure ne soit pas numérisée dans le cas de notre rétine – l’information va directement au cerveau -, elle l’est pour ce qui concerne l’appareil photographique.

Comme notre rétine, le capteur de l’appareil photographique mesure la lumière reçue selon trois longueurs d’onde correspondant aux couleurs rouge, verte et bleue (RVB).

La mesure de lumière reçue par chaque photorécepteur est convertie en un nombre dans le cas d’une image en niveaux de gris, ou en au moins trois nombre pour une image couleur (un nombre par couleur RVB).

La majorité des appareils modernes utilisent au moins 12 bits pour chacun de ces nombres. Ceci permet de capturer, au minimum, 4096 niveaux de luminosité par canal. Les capteurs de certains appareils sont suffisamment sensibles pour capturer encore plus de nuances. Ils utilisent alors 14, voire 16 bits par canal RVB.

Les écrans d’ordinateurs d’aujourd’hui, eux, n’affichent que 256 niveaux de luminosité (donc codés sur 8 bits) par canal. Ceci confère donc à chaque pixel 256 x 256 x 256 couleurs possibles soit 16 777 216 couleurs. Ce nombre de nuances est suffisant pour la vision humaine. Selon certains chercheurs, nous serions capables, dans les meilleures conditions de distinguer un demi million de nuances différentes.

On peut dès lors se poser la question de la nécessité d’avoir plus de nuances capturées par les appareils photographiques. La raison c’est que le traitement des images entraîne une perte d’information. Si cette perte d’information est invisible pour les images codées sur 12 bits par canal, par exemple, elle peut l’être pour les images codées sur 8 bits. Cela se voit sur les histogrammes qui sont alors en forme de peigne.

Le modèle RVB

… pour Rouge/Vert/Bleu
RGB en anglais, pour Red/Green/Blue

La représentation des couleurs faite ci-dessus (modèle RVB), est une représentation parmi d’autres que l’on désigne aussi sous le nom d’espaces de couleur. Cette représentation n’est pas intuitive mais elle correspond, comme nous l’avons vu, à la manière qu’a, notre œil, de percevoir les couleurs et notre appareil photographique de les capturer.

Modèle RVB

Il s’agit d’un modèle additif. Si les intensités des trois composantes d’un pixel sont égales et maximales ([255,255,255] pour un codage sur 8 bits par canal, par exemple), on obtient de la lumière blanche. Si elles sont nulles ([0,0,0]), on obtient de la lumière noire. Si elles sont égales mais comprises entre 0 et 255, on obtient une lumière grise. Si un seul sous-pixel a une intensité non nulle, on obtient la couleur fondamentale correspondante. Si deux sous-pixels ont une intensité égale mais non nulle et le troisième a une intensité nulle, on obtient une couleur dite complémentaire (cyan, jaune ou magenta).

Cube RVB (codage sur 8 bits/canal)

Le modèle RVB a été normalisé sous le nom de sRGB.

Le modèle CMJN

… pour Cyan/Majenta/Jaune/Noir
CMYK en anglais, pour Cyan/Magenta/Yellow/Key

Le modèle CMJN est un modèle soustractif. Ses couleurs fondamentales sont les couleurs complémentaires du modèle RVB : Cyan, Magenta et Jaune. Il est utilisé pour l’impression. Contrairement au modèle additif, lorsque l’intensité des couleurs fondamentales diminue, la couleur se délave. Au contraire, plus l’intensité est élevée, plus on se rapproche du noir.

Modèle CMJN

Compte tenu du fait qu’il est difficile d’obtenir du noir à partir d’encres colorées, à l’impression, un quatrième canal (Noir) est ajouté aux trois autres, de manière à pouvoir utiliser de l’encre noire => on parle de quadrichromie.

Les valeurs des couleurs selon le modèle CMJN sont calculées par l’ordinateur avant l’envoi à l’imprimante. Il n’est pas utile de bien connaître ce modèle.

Les modèles TSV et TSL

… pour Teinte/Saturation/Valeur et Teinte/Saturation/Luminosité
HSV pour Hue/Saturation/Value et HSL pour Hue/Saturation/Lightness, en anglais

Le modèle RVB étant peu intuitif pour manipuler les couleurs, d’autres modèles, basés sur une approche psychologique et perceptuelle, ont été inventés. Le modèle TSV et le modèle TSL s’appuient sur le même principe (Teinte/Saturation/Luminosité) mais avec une mise en oeuvre différente.

Dans les deux modèles, la teinte (T) est représentée par un cercle de 0 à 360 degrés. Le rouge est à 0° et la fréquence de la teinte augmente avec l’angle. Le violet apparaît vers 280°, puis la teinte passe par le pourpre – qui n’est pas une couleur de l’arc-en-ciel -, pour revenir au rouge à 360°.

La luminosité (V dans le modèle TSV et L dans le modèle TSL) exprime, en pourcentage, l’impression de clarté, de brillance de la couleur :

  • 100% représente l’intensité maximale de celle-ci (TSV) ou le blanc (TSL)
  • 0% représente le noir.

Dans le modèle TSV, la valeur de luminosité est la valeur la plus élevée des composantes de couleur R, V et B. Dans le modèle TSL, il s’agit de la moyenne du maximum et du minimum des trois composantes.

La saturation (S) est aussi un pourcentage : 100% représentant la saturation totale (couleur pure) et 0% l’absence de couleur (niveaux de gris). Son calcul diffère sensiblement entre les deux modèles.

Représentation du modèle TSV

Représentation du modèle TSL

Le modèle TSV est utilisé par les outils de sélection des couleurs de macOS ainsi que les logiciels d’Adobe, Libre Office, Blender, RawTherapee…

L’espace de couleur TSL est utilisé par les outils de sélection des couleurs de Microsoft ainsi que les logiciels AutoCAD, Paint Shop Pro, Gimp, Inkscape…

Certains logiciels de traitement d’images permettent à l’utilisateur de modifier les couleurs sur le principe teinte/saturation/luminosité au moyen d’une roue.

Roue de couleurs TSV
(H pour Hue = teinte)


Le modèle CIE L*a*b*

Le modèle CIE L*a*b* (ou CIE LAB) est un autre espace basé sur une approche psychologique et perceptuelle des couleurs. De plus, contrairement aux espaces RVB et CMJN, l’espace de couleur CIE L*a*bdéfinit les couleurs de manière absolue. Ce modèle a été élaboré par la Commission Internationale de l’Éclairage (CIE).

Cet espace de couleur est défini par :

  • La composante L* représente la sensation lumineuse de la même manière que V dans le modèle TSV et L dans le modèle TSL, mais son calcul est plus complexe ;
  • a* représente une gamme de 600 niveaux sur un axe vert (-300) -> rouge (+299)
  • b* représente une gamme de 600 niveaux sur un axe bleu (-300) -> jaune (+299)

Représentation du modèle CIE L*a*b*

a* et b* représentent ce que l’on appelle la chrominance. Le modèle CIE L*a*b* est utile lorsque l’on souhaite augmenter le contraste d’une image sans saturer ses couleurs, ou accentuer une image sans augmenter le bruit chromatique.

Les profils ICC

L’ICC (International Color Consortium) est une association d’acteurs principaux de l’industrie graphique, créée en 1993 dans le but de mettre au point un système universel de gestion des couleurs quels que soient la technologie du matériel (scanner, appareil photo numérique, moniteur, imprimante,…), et les logiciels utilisés.

Un profil ICC est un fichier numérique (extensions .icc et .icm) décrivant la manière dont un périphérique informatique restitue les couleurs. Le profil ICC d’un appareil photographique sert, par exemple, à convertir les valeurs RVB de chaque pixel dans l’espace CIE L*a*b*. Le profil ICC de l’écran sert à envoyer à l’écran les valeurs RVB permettant de restituer les couleurs à partir de l’espace CIE L*a*b*.