Du RVB au spectral, en passant par l’adaptation chromatique (8 et 15 octobre)

Nous avons vu jusqu’à présent qu’un modèle relativement simple basé sur les trois couleurs primaires de la synthèse additive en RVB (Rouge Vert Bleu) nous a permis de décrire de nombreux phénomènes :

(1) la synthèse additive (par exemple le mélange de lumières jaune et bleu qui crée de la lumière blanche, en pensant : BLANC = R + V + B, et JAUNE + BLEU = R + V + B, donc BLANC = JAUNE + BLEU

(2) la synthèse soustractive (par exemple, décrire les couleurs des couches picturales comme des matières qui absorbent une partie bien définie des composantes Rouge, Verte et Bleue de la lumière qui les atteint)

(3) les couleurs dites “complémentaires”, que l’on définit en fonction d’un blanc de référence, comme la lumière à ajouter à une lumière colorée donnée pour obtenir une lumière blanche identique à notre blanc de référence.

Pourquoi ce modèle fonctionne-t-il si bien ? Quelle est sa réalité physique sous-jacente ? Et comment la physique et l’œil-cerveau sont-ils en rapport ?

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LA LUMIÈRE, LE SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE, L’ŒIL ET LES COULEURS MÉTAMÈRES

Onde_électromagnétiqueReprésentation d’une onde électromagnétique (onde transversale)

Comme nous l’avons vu, la lumière est de l’énergie sous forme électromagnétique. Le spectre électromagnétique va des rayons gamma aux ondes radio en passant par les rayons X, les UV, la lumière visible, les infra-rouges et les micro-ondes. Ce qui différencie les UV des rayons X et des ondes radio ce n’est pas leur nature, mais bien leur longueur d’onde. Au-delà d’un seuil situé dans l’UV, les ondes électromagnétiques commencent à être de plus en plus dangereuses pour la santé (UV B > UV C > rayons X…)

EM_Spectrum_Properties_reflectedDes rayons Gamma aux ondes radio – source

Ce que l’on appelle le “spectre visible” correspond à la gamme d’ondes électromagnétiques à laquelle nous sommes sensibles, allant grosso modo de 380 à 780 nm (longueurs d’onde). Le spectre visible commence par le Violet (380-420 nm environ) et se termine par la lumière Rouge (640-780 nm environ).

spctrm1Du violet au Rouge – source

Il y a en fait un grand nombre de lumières colorées de longueurs d’onde différentes, comprises entre 380 et 780 nm, auxquelles l’œil humain est sensible. Le spectre visible forme ainsi un ensemble de teintes passant par : Violet, Bleu-violet, Bleu, Bleu-vert, Vert-Bleuté, Vert-jaunâtre, Jaune, Orange, Rouge-Orangé, Rouge, Rouge Rubis.

La longueur d’onde à laquelle l’œil humain est le plus sensible de jour est le vert-jaunâtre à 555 nm, dont l’efficacité lumineuse est environ 100 fois supérieure – à quantité de lumière égale – à celle d’une lumière violette ou rouge rubis. Certains industriels se réfèrent à cette lumière verte à 555 nm sous l’appellation de “True Green”.

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Depuis 1924, il existe une “courbe d’efficacité lumineuse spectrale”, c’est-à-dire une fonction décrivant les rapports entre l’efficacité lumineuse d’une certaine quantité de lumière (c’est-à-dire l’effet subjectif de stimulation du système visuel qui fait que l’on “voit bien”)  en fonction de la longueur d’onde de cette lumière. On voit que le pic de cette courbe (ici en rouge) se situe à 555 nm, dans le vert-jaunâtre.

Plus tard, une seconde courbe a été construite sur la base de la sensibilité d’observateurs humains en basse-lumière, dans l’obscurité. Le pic de sensibilité se déplace alors de 555 à 507 nanomètres, et la sensibilité au delà de 640 nm (autrement dit la sensibilité à la lumière rouge) s’évanouit.

luminous efficacy graph_2714Courbes d’efficacité lumineuse spectrale de nuit (en bleu) et de jour (en rouge) source

Ma50litjunctionofA515 SO Purkinje

Les lampes à sodium basse-pression sont très économiques car elles émettent de la lumière dans une partie du spectre à laquelle nos yeux sont très sensibles, à 589 nm, pas loin de la valeur du maximum de sensibilité de la rétine à 555 nm.

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L’absence de sensibilité au rouge en basse lumière explique l’efficacité de l’effet “nuit américaine”, qui consiste à sous-exposer une photo et à la teindre en bleu pour donner l’impression qu’elle représente une scène de nuit.

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Joachim Koester, Day for night, Christiana (House) source

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LES CÔNES ET LES BÂTONNETS

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Mosaïque des cônes au niveau de la fovéa (là où la densité des cônes est maximale – remarquez qu’il n’y a pas de cônes S) d’un individu “normal” et d’un individu dichromate source

673px-Spectre_absorption_des_cones.svg

Courbes de sensibilité des cônes S, M, L et des bâtonnets

815px-Densité_cone-batonnets.svg

Répartition des cellules photoréceptrices (cônes et bâtonnets) à la surface de la rétine : les cônes sont quasi-inexistants à la périphérie, les bâtonnets quasi inexistants au centre du champ de vision.

La rétine est tapissée de cellules photoréceptrices : les cônes et les bâtonnets. Les cônes sont exclusivement responsables de la vision de jour en couleurs.

Il y a trois sortes de cônes, situés majoritairement au centre du champ visuel : S, M, L (pour Short, Medium, Long wavelenghts, c’est-à-dire ayant une sensibilité aux longueurs d’ondes courtes (plutôt bleu-violet), moyennes (plutôt vert-jaune), ou longues (plutôt jaune-rouge))

Les bâtonnets tapissent la périphérie de la rétine, ils sont responsables de la sensibilité de nuit (de jour, la quantité de lumière est trop importante, ils sont saturés, ce sont les cônes qui prennent le relais).

Enfin, un troisième type de cellules photoréceptrices, les cellules ganglionnaires situées dans la rétine – qui n’ont pas d’effet direct connu sur la vision – ont un effet régulateur sur le cycle du sommeil (Cf. source)

Le circuit connectant les cellules photoréceptrices au cerveau est complexe. En vision de jour, on pourrait dire que l’on passe d’un système trichromique (S, M, L) à un espace de couleurs où les sensations sont variables sur trois axes : Bleu-Jaune, Rouge-Vert, Noir-Blanc.

Plusieurs modèles d’espaces de couleurs sont basés sur ces trois axes, comme l’atlas de couleurs NCS ou le modèle colorimétrique CIE L*a*b*

7.39

Atlas de couleurs / système NCS

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Système colorimétrique CIE L*a*b*

LES COULEURS METAMERES

Pour que deux couleurs soient identiques, il n’est pas nécessaire que le spectre de leur stimulus lumineux soit identique, il suffit que la stimulation de ces deux stimuli sur la rétine produise le même effet. On appelle deux stimuli physiquement différents produisant la même sensation de couleur des stimuli métamères.

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source

Ce phénomène est particulièrement important lorsque nous observons des matières colorées sous des éclairages de basse qualité : un exemple extrême étant la lampe à sodium basse pression (SOX), qui efface littéralement les couleurs, et transforme tout en nuances de noir et jaune.

D65 SOX

V2_noHull_40D65_test V2_noHull_40SOX_test

Rendu des couleurs d’une mosaïque de carrés peints à la lumière du jour (à gauche) et avec une lampe SOX (à droite) : sous l’éclairage de la lampe à sodium basse-pression, une grande partie des couleurs sont métamères entre-elles (un rose, un vert et un bleu clair apparaissent tous jaune moyen)

 

 

 

 

 

 

 

 

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