La Couleur

Avant-propos

La couleur étant un sujet complexe, il est préférable de passer par des savoirs rigoureux quand on souhaite réellement comprendre ce concept.

L’objectif de cette page est de mettre en relation, dans l’ordre et de façon logique, les différents concepts préliminaires liés à la couleur. Elle se veut être une suite organisée de liens hypertextes qu’il faut lire, au moins en diagonal.

Les pages pointent principalement sur les pages Wikipédia françaises, mais ces dernières sont souvent incomplètes et manquent d’images. Je vous encourage à également regarder la page anglaise qui est souvent mieux mis en page et contient plus de schéma et dessins.

Je partirais du principe que vous êtes un graphiste 3D sortant d’école. Vous savez faire des images, mais vous n’avez pas forcément les notions théoriques et physiques qui régissent le domaine.

Encore une fois, la couleur est un sujet d’experts, faites attention à ce qui vous parait simple.

Rayonnement électromagnétique

L’univers se voit traversé de rayons électromagnétiques. On appelle ça le rayonnement électromagnétique.

Ces rayons peuvent être classés suivant la fréquence, la longueur d’onde, ou l’énergie.

Ce classement se nomme le spectre électromagnétique et est composé de plusieurs catégories (on dit domaines).

Le domaine qui nous intéresse est, bien entendu, le spectre visible.

Spectre visible

Le spectre visible (ou spectre lumineux) est le rayonnement électromagnétique dont la fréquence et la longueur d’onde est tel que notre œil le perçoit, le ressent, un peu comme nos oreilles perçoivent et ressentent le son (même si ce dernier est une vibration de l’air et non une onde électromagnétique).

Notre œil perçoit les longueurs d’onde se propageant entre 390 et 750 nm (nanomètre).

En dessous de 390 nm, ce sont les Ultraviolets, au-dessus de 750 nm, ce sont les infrarouges.

La lumière, qui nous parait blanche, est en fait le rayonnement électromagnétique de toutes les longueurs d’onde du spectre visible en même temps. Un prisme permet de séparer ces ondes pour en faire apparaître les couleurs qui la compose.

Note importante : Une couleur est très rarement un rayonnement électromagnétique d’une longueur d’onde unique, mais souvent le résultat de plusieurs longueurs d’ondes qui se superposent (un peu comme une onde sonore peut à la fois combiner des basses et des aigus). La couleur de la peau est un parfait exemple. C’est une des (nombreuses) nuances qui rendent le concept de couleur assez difficile à cerner, car on ne peut pas résumer une couleur par une simple valeur de longueur d’onde.

L’œil

Spectre_absorption_des_cones

L’œil humain est capable de différencier les rayonnements lumineux par classes de longueurs d’ondes via des photorécepteurs (des cônes), présents dans la rétine, qui transforment le signal électromagnétique de la lumière, concentré par le cristallin, en signal nerveux que notre cerveau interprète.

Nous avons trois types de cônes, chacun étant sensible à une bande de longueur d’onde particulière :

Quand ces trois types de cônes réagissent en même temps, notre cerveau perçoit du blanc.

À titre d’information, la mante de mer dispose, entre autres, de 16 cônes.

Iris et dynamique

La mesure de la luminance est le cd/m² (candela par m²) aussi appelé « nit », en anglais.

Une « dynamique » est la différence entre deux valeurs de luminance.

Dans le cas de l’œil humain, la variation de la taille de l’iris permet de faire varier cette dynamique.

Dynamique de l’œil à ouverture d’iris constante : 100 000.

Suivant l’ouverture de l’iris (et donc, la dynamique) le cerveau aura du mal à distinguer les valeurs au-dessus et au-dessus.

Voir « Le HDR pour les nuls ».

Luminosité ambiante et contrôle de l’iris.

Un moniteur PC a une luminance comprise entre 1 et 300 cd/m², mais travailler à luminosité maximum est potentiellement très mauvais pour la rétine de nos yeux. On a donc tendance à diminuer la valeur de luminosité de nos écrans, et par la même, sa dynamique.

À cela s’ajoute la luminosité ambiante, qui influence l’ouverture de notre rétine.

J’ai du mal à trouver d’informations fiables, mais il semble que la luminosité ambiante de la pièce doive être de 10 % la luminosité maximum.

Cette information est partiellement confirmée par le document : Technical Bulletin TB-2018-002 ACES Output Transform Details

Display Black Luminance≤ 0.024 cd/m²
Display Peak White Luminance48 cd/m²
Targeted Mid-gray (18%) Luminance4.8 cd/m²

Ainsi que la page du produit Medialight Mk2 Flex .

La méthode consiste donc à avoir un mur gris neutre correctement/faiblement éclairé par des ampoules dédiées (D60/D65), via un Medialight Mk2 Flex, par exemple.

En principe, pour un écran de 300 cd/m² (brightness à fond, donc), il faudrait s’assurer que l’éclairage de la pièce, moniteur éteint soit de 30 cd/m². En pratique une telle luminosité est un non-sense et il vaut mieux être en 100 cd/m² avec une luminosité ambiante de 10 cd/m².

Être sur une basse lumière évite l’éblouissement, ce qui permet d’ouvrir l’iris et de profiter au maximam de notre sensibilité aux basses lumières (pour détecter le grain ou le décalage colorimétrique en basse lumière, par exemple).

Pour autant, il peut être intéressant de finir une session d’étalonnage par une courte vérification des hautes lumières en repassant sur une dynamique plus haute.

D’autres informations ici.

La lumière, le blanc

Ce que nous appelons le blanc fait souvent références a deux choses ; La diffusion et la lumière.

Diffusion

Quand on parle d’un « objet blanc », on fait souvent référence à sa matière, qui diffuse (c.à.d, renvoi), de façon uniforme, le spectre visible qu’elle reçoit. Notre cerveau comprend que le spectre visible n’est pas altéré.

Dans le cas d’un « objet rouge », notre cerveau comprend que l’intégralité du spectre visible, à l’exception du rouge, est absorbé par la matière.

Les différentes couches de la peau absorbent différents rayonnements du spectre et renvoi le reste.

C’est parce que notre cerveau interprète correctement l’ambiance lumineuse qu’il peut déduire les propriétés de diffusion d’une matière (et donc, sa couleur). Si le référentiel est manquant il éprouve quelques difficultés.

C’est la fameuse histoire de la robe blanche/bleue. Ou encore la tartelette aux fraises de Akiyoshi Kitaoka.

Émission

La lumière est l’émission d’un rayonnement électromagnétique dû à l’agitation des atomes (souvent du fait de la chaleur). Cette agitation des atomes génère un champ électromagnétique dont la fréquence et l’intensité peuvent atteindre le spectre visible.

Dans la nature, une telle chaleur est le fruit d’une réaction chimique ; combustion pour le feu et l’ampoule, réaction nucléaire pour le soleil, ou électrique pour une DEL.

La température d’une source de lumière (mesure en Kelvin) est différente suivant la nature du phénomène physique entraînant son rayonnement, mais malgré ces différences, cette lumière devient un référentiel que notre cerveau utilise naturellement pour interpréter le rayonnement diffus d’une matière (c.à.d, sa couleur).

Dit vulgairement, le cerveau procède lui-même à une balance des blancs lors de l’interpretation de ce qui est perçu. Si vous peignez une banane en rouge et que vous avez un éclairage très bleu, vous comprendrez que la banane n’est pas jaune. En revanche, votre cerveau aura du mal à déterminer la couleur d’une surface jaune sous ce même éclairage très bleu.

Quelle que soit sa température, un corps émet de la lumière (sauf s’il est à 0 °K, à savoir −273,15 °C, le zéro absolu). Plus il est chauffé et plus il émet de lumière.

Notre perception des couleurs est donc relative au rayonnement qui éclaire les objets que nous voyons. Plus le rayonnement génère différentes longueurs d’ondes (soleil), plus notre cerveau peut facilement déterminer les propriétés de la matière qu’il observe. À l’inverse, si la lumière n’émet qu’une partie du spectre visible (parce qu’on a mis un filtre rouge devant, par exemple) moins il est facile pour notre cerveau de déterminer les propriétés de la matière qu’on voit (bleu, vert ou blanc dans le cas de la lumière rouge).

Physique du tube cathodique

Gamma22

Nous n’utilisons plus de tubes cathodiques mais leurs particularités physiques étant toujours présentes dans les standards colorimétriques, il faut que j’en touche deux mots.

Un écran cathodique est compose de trois canons a électron, chacun étant responsable de la projection d’une couleur (rouge, vert, ou bleu) sur l’écran.

Une telle méthode implique que la relation entre l’intensité du signal vidéo (le voltage du canon a électron) et l’intensité du faisceau (lumen de l’écran) n’est pas linéaire. On parle de gamma.

En d’autres mots, quand vous envoyez 1 en entrée (volt), vous avez 1 en retour (lumière), idem pour 0, mais quand vous envoyez 0.5, vous n’avez pas 0.5. Dans ce dernier cas, si votre écran cathodique a un gamma a 2.2 (courbe rouge sur le schéma), vous aurez 0.218 d’intensité lumineuse.

D’une certaines façons, l’écran vous ment sur ce qu’il vous affiche et tend à assombrir l’image.

Gardez cette idée de non-linéarité du signal, car cette notion reviendra, plus tard, quand nous parlerons des standards.

Diagramme chromatique CIE xy

Un diagramme chromatique CIE xy est la représentation en aplat (xy pour 2D) de toutes les couleurs du spectre visible.

Pour faire (très) court, chaque coordonnée sur ce diagramme correspond à un « tristimulus » de ce que verrait un œil humain dans le monde réel (en gros, une couleur).

La notion à comprendre c’est que ce diagramme (et toute la théorie qui l’entoure) permet de passer d’une couleur perçue (par l’œil humain) à quelque chose de mesurable, et inversement, d’où son usage systématique quand on parle d’espace colorimétrique.

Observateur standard

https://e-cours.univ-paris1.fr/modules/uved/envcal/html/compositions-colorees/representations-couleur/modeles-ref-cie/modele-xyz.html

Espace colorimétrique

La notion d’espace colorimétrique nécessite d’avoir intégré un certains nombres de concepts que je vais essayer d’aborder ici.

Notion d’espace

L’espace est une notion très générale. En mathématique, les espaces impliquent un système de coordonnées permettant de faire une relation entre des composants (XYZ dans un espace 3D par exemple) et une position, ainsi que des règles (on parle de transformation) permettant de passer d’une position a une autre.

Colorimétrie

RGB_Cube_Show_lowgamma_cutout_b

Un espace colorimétrique vise à faire une relation entre les différentes longueurs d’onde du spectre visible (la couleur) et les composants d’un espace (2D, 3D, etc.).

Si vous prenez un espace 3D et que vous faites respectivement correspondre ses composants XYZ a RGB, vous aurez un cube dont chaque position représente une couleur (cube a droite), mais même avec une relation linéaire entre XYZ et RGB, vous n’avez aucune information de longueurs d’ondes.

Pour cela, il faut que chacun des composants (rouge, vert, bleu) corresponde a une couleur mesurable. Si vous prenez la position, rouge, en (1, 0, 0) vous savez que c’est le rouge maximum de votre espace, mais pour être précis il faut une couleur mesurable.

https://fr.wikipedia.org/wiki/CIE_XYZ

Vous obtenez ainsi un espace colorimétrique très (trop) simple.

Les primaires du gamut

On appelle primaires, les coordonnées, dans un diagramme chromatique CIE xy, de chacun des composants d’une espace colorimétrique.

Colorpace_gamut_nuke

Ce triangle est appelé le gamut. Chaque point correspond à une coordonnée sur le diagramme chromatique CIE xy, et donc à une couleur perceptible par l’œil humain.

Point blanc

Le point blanc (ou illuminant, ou « blanc de référence ») fait référence aux coordonnées (souvent dans le diagramme chromatique CIE xy) de la couleur blanche (la lumière) quand les valeurs des composants (rouge, vert et bleu) sont égales.

Il existe de nombreux standards, le plus utilise connu étant le D65.

Fonction de transfert (gamma)

Les fonctions de transfert, décrivent la relation entre la valeur d’un signal envoyé et la valeur du signal émise.

La fonction de transfert électro-optique (EOTF) décrit comment le signal électrique émit (les données de votre image) est converti vers la sortie (votre moniteur).

Quand cette dernière est linéaire et qu’on envoie une valeur de 0.5 sur un moniteur sRGB, on obtient une valeur de 0.22 (car un moniteur sRGB à lui, une réponse non linéaire). C’est ce qu’on obtient quand on affiche un EXR linéaire sans correction (en mode RAW dans Nuke) : Une image très sombre. Si on utilise la bonne EOTF de son moniteur (gamma 2.2), la valeur 0.5 sera convertie en 0.73 au avant de l’envoi au moniteur, que sa réponse transformera en 0.5 :

>>> 0.5**2.2         # 0.5, le signale envoyé au moniteur sRGB (gamma 2.2).
0.217637640824031    # Le signale résultant (sombre), émis par le moniteur sRGB.
>>> 0.5**(1/2.2)     # 0.5 utilisant l’inverse de l’EOTF.
0.7297400528407231   # Le signale à envoyer au moniteur pour qu’il nous affiche 0.5.
>>> _**2.2           # Le moniteur applique son gamma 2.2.
0.49999999999999994  # Et il affiche effectivement notre valeur 0.5.

La fonction de transfert opto-électrique (OETF) décrit comment le signal optique reçu (la scène filmée) est converti en signal électrique (les valeurs des pixels de l’image numérisée). Comme vous vous en doutez, c’est ce type de fonction que vous utilisez quand vous avez des fichiers RAW de vos caméras ; Red, Alexa, etc.

Reste, TODO

https://en.wikipedia.org/wiki/RGB_color_space#Specifications

, l’espace https://en.wikipedia.org/wiki/RGB_color_space

Des espaces colorimétriques il y en a pleins

des composants (RVB, CMYK, etc.) dans un espace (au sens mathématique du terme) afin de pouvoir

http://www.brucelindbloom.com/index.html?ColorCalculator.html

TODO

 * C’est quoi

* Espace RGB (anecdote Technicolor RG)https://en.wikipedia.org/wiki/RGB_color_space

 * Espace sRGB

https://en.wikipedia.org/wiki/Munsell_color_system https://en.wikipedia.org/wiki/Natural_Color_System https://en.wikipedia.org/wiki/HSL_and_HSV

Dernière mise à jour : mer. 30 novembre 2022