Synthèses de la couleur (24 et 30 sept 2015)

LES DEUX SYNTHÈSES : LA SYNTHÈSE ADDITIVE ET LA SYNTHÈSE SOUSTRACTIVE

En simplifiant un peu, on peut dire que toutes les fois où nous avons affaire à une situation dans laquelle des sensations de couleur naissent d’un jeu entre de la matière et de la lumière, nous sommes dans la majeure partie des cas dans une situation qui peut se décrire comme une combinaison des synthèses additive et soustractive de la couleur.

Quelles sont les définitions de la synthèse additive et de la synthèse soustractive ? Qu’est-ce qui est ainsi ajouté ou soustrait ? Quels sont les acteurs en jeu et que se passe-t-il pour que des couleurs apparaissent ?

LE NOIR ET LE BLANC

Rappelons-nous tout d’abord d’un fait fondamental : les objets qui reflètent la quasi-totalité de la lumière qui les atteint sont BLANCS, et ceux qui absorbent la quasi-totalité de la lumière qui les atteint sont NOIRS.

becfef8c43_GuatmelaCity_Trou_2010_PauloRaquec_FlickrLes trous – au fond desquels la lumière se perd – sont typiquement des objets NOIRS source

montblanc4En couches épaisses, la neige reflète quasiment toute la lumière qui l’atteint, et ce dans toutes les directions. Ces deux conditions font qu’elle est BLANCHE source

OLYMPUS DIGITAL CAMERAUn miroir reflète quasiment toute la lumière qui l’atteint, mais dans une direction bien déterminée. Plus un miroir est cassé et plus il ressemble à un objet “blanc” source

LES TRANSFORMATIONS DE LA LUMIÈRE

La lumière, c’est de l’énergie sous forme électromagnétique, on parle d’ondes électromagnétiques ou bien de photons, selon le point de vue ou l’échelle avec lesquels on veut décrire les phénomènes lumineux.

Lorsque de la lumière atteint la matière, elle sera soit :

(1) réémise sous forme d’énergie lumineuse : on dit qu’elle est reflétée, c’est la réflexion (exemples : de la neige, un miroir, etc.) On distingue deux types de réflexion de la lumière : la réflexion spéculaire (comme celle d’un miroir) et la réflexion diffuse (dans toutes les directions, comme la neige, les poudres blanches sèches, la ouate, etc.) Il y a bien entendu tout un ensemble de niveaux intermédiaires. La réflexion spéculaire est à l’origine des surfaces brillantes, la réflexion diffuse à l’origine des surfaces mattes, on parle de satiné pour les étapes intermédiaires (par exemple, on trouve des vernis ou encore des papiers mats, satinés ou brillants).

244569_3406les couleurs des pigments sont dues à la réflexion d’une partie de la lumière par ceux-ci sourcefilm_peinture_320x0 reflexion_specdif_320x0Réflexion diffuse (aspect mat) et réflexion spéculaire (aspect brillant). Entre les deux on parle d’un aspect satiné. On remarque aussi que la réflexion diffuse est ici colorée tandis que la réflexion spéculaire est incolore. C’est souvent le cas. Dans l’exemple ci-dessus, les pigments sont rouges et diffusants tandis que le liant est incolore et brillant, le liant formant une couche lisse, il y a un effet spéculaire source

15 z MERL100 MITDes surfaces matérielles simulées dans un logiciel de rendu 3D physiquement réaliste, à partir de données obtenues grâce à des mesures multidirectionnelles de la lumière reflétée par les surfaces source

Lorsque de la lumière atteint la matière, elle sera soit :

(2) transmise, c’est la transmission (par le verre, l’air, l’eau, l’humeur vitrée de l’oeil…)

088_Nevers_Cathédrale_Saint-Cyr-et-Sainte-Julitte_Vitraux_modernesLes couleurs des vitraux (ici ceux de la Cathédrale de Nevers par Jean-Michel Alberola) naissent par transmission de la lumière source

Lorsque de la lumière atteint la matière, elle sera soit :

(3) absorbée, c’est l’absorption (dans ce cas elle est généralement transformée en mouvement moléculaire, autrement dit en chaleur)

815-w620Les matières de couleur noire absorbent beaucoup de lumière et d’infra-rouges, par conséquent elles chauffent source Pour éviter un tel échauffement, il existe des matières d’apparence noire, mais qui reflètent les infra-rouges et chauffent par conséquent beaucoup moins (Cf. source1, source2)

IMG_20151001_002053Plus un puits est profond et plus le fond du puits est dans l’obscurité, car à chaque réflexion sur les parois un certain pourcentage de la lumière est absorbée.

Lorsque de la lumière atteint la matière, elle sera soit :

(4) convertie en une autre forme d’énergie lumineuse ou non : lumière convertie en électricité (effet photo-électrique exploité dans les panneaux solaires), lumière qui va provoquer ou contribuer à des réactions chimiques (la photo-polymérisation des encres UV par exemple), ou encore elle peut être réémise sous la forme une lumière de couleur différente, c’est la fluorescence.

Fluorescent_minerals_hgDes minéraux fluorescents éclairés à la lumière ultraviolette. La lumière ultraviolette est invisible mais elle est convertie en lumière visible par les minéraux. Par conséquent, ils se colorent et semblent émettre de la lumière par eux-mêmes. On peut comparer ce phénomène à la transformation de la lumière visible en chaleur – ici il s’agit d’une transformation de lumière invisible (UV) en lumière visible. source

LA SYNTHÈSE ADDITIVE

Reprenons le fil. Dans la synthèse additive, on part d’une situation dans laquelle il n’y a pas de lumière, et on en ajoute (additive > addition!).

Imaginons-nous par exemple dans une pièce plongée dans l’obscurité. Nous avons à notre disposition deux spots avec lesquels on peut projeter une lumière blanche ou colorée sur un écran blanc. Que va-t-il se passer si nous superposons deux lumières blanches ? Si nous superposons de la lumière bleu-violette et de la lumière jaune ? Si nous superposons de la lumière rouge-orangée et de la lumière vert-jaunâtre ?

IMG_20151001_011641IMG_20151001_011641Les résultats sont parfois étonnants : (A) superposer de la lumière blanche à de la lumière blanche donne une lumière blanche plus lumineuse, qui rend grises les lumières de base. (B) superposer de la lumière bleu-violette et de la lumière jaune, dans des proportions bien choisies, donne de la lumière blanche également ! (C) dans des proportions bien choisies, de la lumière rouge orangée et de la lumière verte tirant légèrement sur le jaune donne de la lumière jaune citron !

LUMIÈRES COMPLÉMENTAIRES

Par définition, on appellera la lumière A en quantité x, la complémentaire de la lumière B en quantité y si la superposition de la quantité x de A et de la quantité y de B sur un écran blanc donne une lumière blanche W —- On peut si l’on veut écrire cela sous la forme d’une équation :

Ax + By = W

La couleur de W est arbitraire (il y a une infinité de blancs différents), par conséquent la définition d’une lumière complémentaire implique nécessairement de choisir une lumière blanche comme référence.

Le fait qu’il y ait une infinité de lumières complémentaires implique qu’il y ait une infinité de manières de synthétiser de la lumière blanche à partir de deux lumières colorées.

IMG_20151001_013725Sept groupes de lumière “complémentaires” : (1) ROUGE + CYAN ; (2) VERT-CYAN + MAGENTA-ROUGEÂTRE ; (3) VERT + MAGENTA ; (4) VERT-JAUNE + MAGENTA-BLEU (VIOLET) ; (5) JAUNE + BLEU-VIOLET (OUTREMER) ; (6) ORANGE + BLEU-CYAN ; (7) LUMIÈRE INCOLORE + LUMIÈRE INCOLORE ; on pourrait ajouter  (8) BLANC + NOIR (car ajouter du NOIR étant ajouter de l’absence de lumière, n’a aucun effet)

IMG_20151001_014142Dit autrement, la lumière complémentaire est la différence entre une lumière donnée et une lumière blanche de référence. On voit que plus le bleu se rapproche du blanc et plus le jaune se rapproche du noir : la complémentaire du blanc est le noir.

Sous le logiciel Adobe Photoshop, on peut calculer la complémentaire d’une image (toujours relative au blanc de l’écran que l’on utilise) en appuyant sur Ctrl + I (PC) ou “Pomme” + I (MAC)

LA TRICHROMIE tumblr_mlcnohf9Oa1s6mxo0o1_1280Le jeune James Clerck Maxwell tenant en main un disque vissé sur un axe rotatif, lui permettant de prouver que la rotation rapide de surfaces OUTREMER et JAUNE-CITRON renvoie une lumière incolore équivalente à celle de surfaces NOIRE et BLANCHE en rotation rapide.

Imagen_4-TurketyA la même époque : John Gorham : Kaleidoscopic Colour-Top, 1859, source

C’est James Clerck Maxwell – un physicien écossais qui deviendra extrêmement célèbre au XIXe siècle – qui a pour ainsi dire mis en place tous les éléments nécessaires à la synthèse additive des couleurs à partir de trois couleurs primaires ROUGE / VERT / BLEU-VIOLET, synthèse que l’on appelle trichromie.

TRICHROMIE = SYNTHESE PARTITIVE =(équivalent à)= SYNTHESE ADDITIVE

A l’heure où sont écrites ces lignes, la majorité des appareils électroniques permettant l’affichage en couleur utilisent la trichromie : écrans, projecteurs, téléphones, etc.

Pixel_geometry_01_PengoSur les écrans numériques, les couleurs sont générées à partir d’un réglage des niveaux d’intensités de trois éléments lumineux RVB constitutifs de chaque pixel : les sous-pixels.

Les lumières colorées d’un écran étant juxtaposées dans l’espace (pixels et sous-pixels) ou dans le temps (vidéoprojecteurs DLP), on doit parler si l’on veut être rigoureux de synthèse partitive des couleurs : c’est-à-dire que l’on divise les couleurs en composantes (on fait des “parts”) avant de réunir ces composants pour synthétiser des couleurs. La synthèse additive et la synthèse partitive se ressemblent comme des sœurs jumelles, elles sont équivalentes.

Seurat-La_Parade_detailEn peinture, Georges Seurat fut l’initiateur du mouvement “divisionniste” ou “néo-impressionniste”, utilisant une technique dans laquelle le ton est divisé en sous-parties juxtaposées source

LES COULEURS PRIMAIRES ADDITIVES ET LE GAMUT

RGB classic memoLe schéma “classique” représentant les relations entre les couleurs primaires d’un système trichromique RVB (typique des écrans et vidéoprojecteurs contemporains)


NE JAMAIS OUBLIER QU’EN TRICHROMIE (SYNTHÈSE ADDITIVE) :

ROUGE + VERT = JAUNE

ROUGE + BLEU = MAGENTA

VERT + BLEU = CYAN

ROUGE + VERT + BLEU = BLANC

cmyk_colour_model_by_ascorti-d4hs4cyCette projection de couleurs est réalisée à l’aide de 3 projecteurs émettant une lumière colorée : d’après-vous lesquels ? (voir éléments de réponse ci-dessous) source

IMG_20151001_115354

Lorsque l’on éclaire un objet à partir de faisceaux RVB ayant des directions de propagation différentes, on obtient des ombres multicolores.


Définition : dans tout système de synthèse de la couleur, les couleurs dites primaires sont celles qui ne peuvent être générées à partir de combinaisons des autres couleurs.

Dans un quelconque système RVB, les couleurs primaires sont donc au nombre de 4 : le ROUGE, le VERT, le BLEU et le NOIR (qui correspond au fond)

A retenir absolument : tous les systèmes de synthèse de la couleur – et a fortiori les systèmes trichromiques – sont limités dans leur gamme de couleurs, il ne peuvent JAMAIS reproduire “toutes les couleurs qui existent”, mais seulement une partie de celles-ci. On appelle GAMUT le domaine des couleurs reproductibles par un système donné.

On reverra cette notion de Gamut plus tard dans l’année.

ESPACE DE COULEUR RVB

IMG_20151001_113654On peut représenter un espace de couleur RVB à l’aide d’un cube

le brunOù se situe le BRUN ? Le BRUN peut être obtenu par un mélange de lumières rouges et vertes dont la puissance est inférieure au maximum. On peut dire que le BRUN se situe entre le ROUGE, le VERT, le JAUNE et le NOIR

LUMINOSITÉ DES COULEURS DE L’ESPACE RVB

Untitled-1On verra plus tard ce que sont la luminosité de la luminance.

COULEURS PRIMAIRES SOUSTRACTIVES / SYSTÈMES CMJ, CMJN, CMJN+

cmyk_02Cette image a un avantage et un inconvénient : (Avantage) les couleurs CYAN, MAGENTA, JAUNE, NOIR synthétisées à partir des primaires d’un écran d’ordinateur sont assez différentes des couleurs d’imprimerie CMJN. (Inconvénient) Il est illusoire de penser que l’on peut reproduire le CYAN et le JAUNE d’imprimerie sur un écran RVB. Il est important de se souvenir que la reproduction des couleurs imprimées sur un écran RVB est approximative dès que l’on dépasse une certaine limite, et vice-versa pour le reproduction des couleurs RVB en CMJN.

On change de situation, mais pas de logique.

LA SYNTHÈSE SOUSTRACTIVE

Le monde la synthèse soustractive – où l’on va soustraire de la lumière pour faire apparaître des couleurs – va nous permettre d’aller un peu plus loin dans les rapports entre lumière et matière.

En synthèse soustractive, on part d’un fond blanc qui reflète la lumière issue d’une source de lumière blanche, comme par exemple le soleil.

IMG_20151001_122149En synthèse additive (à gauche) on projette de la lumière colorée sur une surface incolore qui la reflète telle quelle. En synthèse soustractive, on projette de la lumière blanche sur une surface qui absorbe une partie du spectre de la lumière, créant ainsi des couleurs.

Les couleurs dites “primaires” en soustractif sont le JAUNE, le CYAN et le MAGENTA, auquel on ajoute en général le NOIR (on peut ajouter encore d’autres couleurs primaires… CMJN est une base).

Nous remarquons que les couleurs soustractives peuvent s’écrire comme des combinaisons de couleurs primaires de la synthèse additive :

BLANC = ROUGE + VERT + BLEU    <=>   n’absorbe RIEN

CYAN = VERT + BLEU    <=>   absorbe le ROUGE

MAGENTA = ROUGE + BLEU    <=>   absorbe le VERT

JAUNE = ROUGE + VERT    <=>   absorbe le BLEU

ROUGE = ROUGE    <=>   absorbe le VERT et le BLEU    <=>   absorbe le CYAN

VERT = VERT    <=>   absorbe le ROUGE et le BLEU    <=>   absorbe le MAGENTA

BLEU = BLEU    <=>   absorbe le ROUGE et le VERT    <=>   absorbe le JAUNE

NOIR = ABSENCE DE LUMIERE    <=>   absorbe le ROUGE, le VERT et le BLEU    <=>   absorbe TOUT

*

800px-NIEdot367Procédé trichromique soustractif du début du XXé siècle à partir de ROUGE, JAUNE et BLEU (Bleu de Prusse ? Indigo ?), dont le gamut est moindre que l’actuel standard CMJN source

320px-CMYK_separation_–_maximum_black 1024px-Barns_grand_tetonsProcédé quadrichromique soustractif de la fin du XXé siècle à partir de CYAN, MAGENTA, JAUNE, NOIR dont le gamut est amélioré, mais moindre que celui de la photographie argentique source

*

LE MÉLANGE D’ADDITIF ET DE SOUSTRACTIF

paletteWImaginons cette image comme une feuille de papier imprimée éclairée par de la lumière blanche, que va-t-il se passer lorsque la feuille sera éclairée avec de la lumière BLEUE ? ROUGE ? MAGENTA ? (réponse ci-dessous)

paletteB paletteM paletteR

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