Introduction à la Couleur

F. GENIETLPTA

Janvier 2006

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 :

Saturation ou « Chroma »

Cla

rté

ou

« V

alu

e »

Une page = 1 teinte ou « Hue »

Actuellement : environ 1500 échantillons dans l’atlas

Un coloriste expérimenté distingue environ 106 couleurs !!

« 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 !

Sensibilité spectrale

Niveaux tolérés

Lv() = Km V() Le()

Relations entre grandeurs énergétiques et visuelles :

« 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

[S]

Le()

Courbe spectrale Stimulus de couleur

Synthèse additive

• 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(1)e() + L

(2)e() [S] = [S1] + [S2]

• La multiplication scalaire passe au quotient

Le() = k L(1)e() [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

• Trois couleurs de base (primaires) [R], [G], [B] permettent de reproduire l’ensemble des couleurs observables.

• Choix usuel des primaires (CIE 1930) [R] , [G] , [B] :

- [R] monochromatique = 700 nm- [G] monochromatique = 546.1 nm- [B] monochromatique = 435.8 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 !

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 )

Le triplet RGB ainsi construit constitue la « mesure » du stimulus [S]

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.

Diagramme de chromaticité

(Maxwell1855)

0

[B]

[G]

[R]

[S]

Diagramme de chromaticité

e

[E]s

BGR

Bb

BGR

Gg

BGR

Rr

++=

++=

++= ,,

[R][B]

[G]

r

b

g

s

Diagramme de Chromaticité

Bord du domaine convexe

• Fonctions colorimétriques : coordonnées des stimuli monochromatiques

dLe = Le() dLe()

( )]B[)(]G[)(]R[)( ][d λλλλ BGRdLe ++=

… 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

X = 2,7689 R + 1,7518 G + 1,1301 BY = 1,0000 R + 4,5907 G + 0,0601 BZ = 0,0000 R + 0,0565 G + 5,5943 B

Un changement de base ([R],[G],[B]) ([X],[Y],[Z]) permet de situer l’ensemble des stimuli physiques dans le « premier quadrant » :

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 fonctions colorimétriques , coordonnées du Spectrum Locus

• les coordonnées chromatiques

… en particulier :

ZYX

Zz

ZYX

Yy

ZYX

Xx

++=

++=

++= ,,

)(,)(,)( ZYX

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 :

161163/1

* −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

IYY

L

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

3/13/1

* 500II Y

Y

X

Xa

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

3/13/1

* 200II Z

Z

Y

Yb

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 aLI* = 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