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Introduction à la Couleur F. GENIET LPTA Janvier 2006.

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1 Introduction à la Couleur F. GENIET LPTA Janvier 2006

2 Quelques repères historiques Newton (1672) : spectre de la lumière blanche. Young (1801), Helmholtz (1856) : trivariance de la couleur. Maxwell (1855) : fondateur de la colorimétrie. Munsell (1915) : Atlas avec équidistance perceptive. Guild et Wright : travaux de base de la CIE (1930).

3 La couleur, cest quoi ? Clarté Teinte

4 Saturation Il faut trois quantités pour caractériser complètement une couleur ! Dans la pratique, ces paramètres sont liés, et il nest pas toujours facile de les distinguer.

5 Atlas de Munsell A partir destimations « déquidistance perceptive », subdivision fine de la roue des couleurs donnant les pages de latlas : Saturation ou « Chroma » Clarté ou « Value » Une page = 1 teinte ou « Hue » Actuellement : environ 1500 échantillons dans latlas Un coloriste expérimenté distingue environ 10 6 couleurs !!

6 « Solide » des couleurs Donne une représentation de lespace des couleurs à laquelle se réfèrent peintres, coloristes… L Ordonnée verticale : clarté C distance à laxe 0z : saturation h angle polaire : angle de teinte

7 Lœil cest quoi ? Un peu de physiologie :

8 Cônes et Bâtonnets Cônes ( ~ ) prépondérants dans la fovéa (2°) : Vision diurne Bâtonnets ( ~ ) prépondérants en périphérie : Vision nocturne

9 Trois sortes de cônes « R » sensibles aux grandes longueurs dondes, environ 30% « V » sensibles aux moyennes longueurs dondes, environ 60% « B » sensibles aux courtes longueurs dondes, environ 10%

10 Lœil, un « capteur » très performant ! Sensibilité spectrale Niveaux tolérés L v ( ) = K m V( ) L e ( ) Relations entre grandeurs énergétiques et visuelles :

11 « Théorie » de Hering (1878) Existence de canaux antagonistes : bleu foncé jaune vert rouge clair Clair – Foncé Rouge - Vert Jaune - Bleu Confirmé par la physiologie moderne (Kuffler ; Hubel-Wiesel) : signal post-rétine organisé en « champs antagonistes » Cf. D. Hubel : « Lœil, le cerveau et la vision » Pour la Science - Paris 1994

12 Expérience de Maxwell :

13 Stimulus de couleur Sous des conditions bien spécifiées, la perception des couleurs est reproductible Environnement neutre Oeil reposé. Luminances dans le domaine de fonctionnement optimal des cônes. champ angulaire de 2° (fovea). Mode fenêtre. On parle alors de Stimulus [S] L e ( ) Courbe spectraleStimulus de couleur

14 Synthèse additive Différentes courbes spectrales peuvent produire le même stimulus (classe déquivalence). On sait définir une égalité des stimuli [S] = [S] La superposition des lumières (synthèse additive) passe au quotient L e ( ) = L (1) e ( ) + L (2) e ( ) [S] = [S 1 ] + [S 2 ] La multiplication scalaire passe au quotient L e ( ) = k L (1) e ( ) [S] = k [S 1 ] Ça semble parfaitement évident, mais en fait ça ne lest pas : - cest faux pour la « synthèse soustractive » (filtres) - cest faux si on sort du domaine de fonctionnement de lœil (éblouissement)

15 Triplet RGB Trois couleurs de base (primaires) [R], [G], [B] permettent de reproduire lensemble des couleurs observables. Choix usuel des primaires (CIE 1930) [R], [G], [B] : -[R] monochromatique = 700 nm -[G] monochromatique = nm -[B] monochromatique = nm -Intensités telles que [E] = [R] + [G] + [B] Où [E] est le stimulus associé au blanc de spectre énergétique constant Par égalisation on définit le triplet (RGB) : [S] = R [R] + G [G] +B [B] Possibilité de composantes négatives !

16 Remarque : Les luminances visuelles de primaires RGB sont très différentes. L v (G) = 4,5907 L v (R) L v (B) = 0,0601 L v (R) Ainsi la luminance visuelle totale d un stimulus [S] est donnée par : L v (S) = L v (R) ( 1. R G B ) Le triplet RGB ainsi construit constitue la « mesure » du stimulus [S]

17 Structures Esp. Vectoriel 3 dimensionnel, base ([R],[G],[B]) 0 [B] [G] [R] [S] G R B Espace des couleurs (R,G,B) Pas de métrique, pas de produit scalaire !! La luminance est une forme linéaire La synthèse additive est la somme vectorielle Les stimuli « physiques » forment un sous-ensemble convexe dont le bord correspond aux stimuli monochromatiques (spectrum locus) : tout stimulus est en effet synthèse additive de lumières monochromatiques.

18 Diagramme de chromaticité (Maxwell1855) 0 [B] [G] [R] [S] Diagramme de chromaticité e [E] s [R] [B] [G] r b g s Diagramme de Chromaticité

19 Bord du domaine convexe Fonctions colorimétriques : coordonnées des stimuli monochromatiques dL e = L e ( ) d L e ( ) … après un long travail sur une vingtaine de sujets, Guild obtient les « Matching functions » de lobservateur standard

20 …ce qui permet de tracer le diagramme RGB de lensemble des couleurs :

21 Système XYZ X = 2,7689 R + 1,7518 G + 1,1301 B Y = 1,0000 R + 4,5907 G + 0,0601 B Z = 0,0000 R + 0,0565 G + 5,5943 B Un changement de base ([R],[G],[B]) ([X],[Y],[Z]) permet de situer lensemble des stimuli physiques dans le « premier quadrant » : La transformation est de plus choisie pour que : - lespace soit le plus homogène possible, - Y représente directement la luminance visuelle, - Une grande partie du SL corresponde à Z=0. Toutes les structures vues en RGB se retrouvent dans le système XYZ …

22 Les fonctions colorimétriques, coordonnées du Spectrum Locus les coordonnées chromatiques … en particulier :

23 Système CIELAB 76 Lespace ainsi obtenu nest toujours pas pourvu dune métrique homogène, comme le montre le diagramme des seuils de perception : Après plusieurs tentatives une transformation non linéaire est couramment adoptée : Qui redonne une forme de « solide des couleurs » à peu près satisfaisante

24 Ce système est conçu pour caractériser la couleur des objets observés en réflexion (mode objet) sous un illuminant standard. Par construction on a L I * = 100 a I * = 0 b I * = 0 pour tenir compte des effets dadaptation. On définit la chroma : C* = (a* 2 + b* 2 ) 1/2 et langle de teinte : h = arctan(b* / a*) la métrique correspond mieux aux distances colorimétriques perçues par lœil (Munsell). est couramment adopté par les professionnels de la couleur.

25 Conclusion En fait il existe un grand nombre de systèmes colorimétriques concurrents. Les composantes RGB sont standards, mais pas directement reliées à la perception visuelle. Pour les autres systèmes, les paramètres correspondent souvent à Clarté, Teinte, Saturation (par exemple : TSL utilisé en informatique) Il existe encore un système totalement différent, basé sur la « synthèse soustractive » (filtres colorés) : le système CMJ


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