Introduction à la Couleur F. GENIET LPTA Janvier 2006 lllllllllllllllllllllllll

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).

La couleur, c’est quoi ? Clarté Teinte

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

Atlas de Munsell A partir d’estimations « d’équidistance perceptive », subdivision fine de la roue des couleurs donnant les pages de l’atlas : Une page = 1 teinte ou « Hue » Actuellement : environ 1500 échantillons dans l’atlas Clarté ou « Value » Un coloriste expérimenté distingue environ 106 couleurs !! Saturation ou « Chroma »

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

L’œil c’est quoi ? Un peu de physiologie :

Cônes et Bâtonnets Cônes ( ~ 7 106) prépondérants dans la fovéa (2°) : Vision diurne Bâtonnets ( ~ 120 106) prépondérants en périphérie : Vision nocturne

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

L’œil, un « capteur » très performant ! Niveaux tolérés Sensibilité spectrale Relations entre grandeurs énergétiques et visuelles : Lv(l) = Km V(l) Le(l)

« 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 : « L’œil, le cerveau et la vision » Pour la Science - Paris 1994

Expérience de Maxwell :

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 l [S] Le(l) Courbe spectrale Stimulus de couleur

Synthèse additive Le(l) = L(1)e(l) + L(2)e(l)  [S] = [S1] + [S2] Différentes courbes spectrales peuvent produire le même stimulus (classe d’équivalence). On sait définir une égalité des stimuli [S] = [S’] La superposition des lumières (synthèse additive) passe au quotient Le(l) = L(1)e(l) + L(2)e(l)  [S] = [S1] + [S2] La multiplication scalaire passe au quotient Le(l) = k L(1)e(l)  [S] = k [S1] Ça semble parfaitement évident, mais en fait ça ne l’est pas : c’est faux pour la « synthèse soustractive » (filtres) c’est faux si on sort du domaine de fonctionnement de l’œil (éblouissement)

Triplet RGB [S] = R [R] + G [G] +B [B] Trois couleurs de base (primaires) [R], [G], [B] permettent de reproduire l’ensemble des couleurs observables. Par égalisation on définit le triplet (RGB) : [S] = R [R] + G [G] +B [B] Possibilité de composantes négatives ! Choix usuel des primaires (CIE 1930) [R] , [G] , [B] : [R] monochromatique l = 700 nm [G] monochromatique l = 546.1 nm [B] monochromatique l = 435.8 nm Intensités telles que [E] = [R] + [G] + [B] Où [E] est le stimulus associé au blanc de spectre énergétique constant

Le triplet RGB ainsi construit constitue la « mesure » du stimulus [S] Remarque : Les luminances visuelles de primaires RGB sont très différentes. Lv(G) = 4,5907 Lv(R) Lv(B) = 0,0601 Lv(R) Ainsi la luminance visuelle totale d’ un stimulus [S] est donnée par : Lv(S) = Lv(R) ( 1. R + 4.5907 G + 0.0601 B )

Structures Esp. Vectoriel 3 dimensionnel, base ([R],[G],[B]) [B] [G] [R] [S] G R B Espace des couleurs (R,G,B) Esp. Vectoriel 3 dimensionnel, base ([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.

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

Bord du domaine convexe Fonctions colorimétriques : coordonnées des stimuli monochromatiques l dLe = Le(l) dl Le(l)  … après un long travail sur une vingtaine de sujets, Guild obtient les « Matching functions » de l’observateur standard

…ce qui permet de tracer le diagramme RGB de l’ensemble des couleurs :

Système XYZ Un changement de base ([R],[G],[B])  ([X],[Y],[Z]) permet de situer l’ensemble des stimuli physiques dans le « premier quadrant » : 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 La transformation est de plus choisie pour que : -   l’espace 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 …

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

Système CIELAB76 L’espace ainsi obtenu n’est toujours pas pourvu d’une 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

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

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