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La vision des couleurs

Quand nous "pensons voir" les couleurs (I)

Pensez-vous toujours observer les objets dans leur véritable couleur ? Dans le cas d'une source lumineuse (luminant) par exemple, comment savoir si la couleur que vous percevez est sa température effective, c'est-à-dire celle du corps noir porté à la même température ou s'il ne s'agit pas plutôt d'une température de couleur, c'est-à-dire de la température d'un corps noir émettant le même spectre de rayonnements mais altéré par le milieu, voire même un effet optique ?

Prenons deux exemples : la couleur de la résistance du grille-pain et la restitution des couleurs sur les images prises par les sondes spatiales.

1. La résistance du grille-pain

Branchez un grille-pain. A mesure que la température de la résistance augmente, l'élément va progressivement passer de la couleur rouge terne à l'orange comme on le voit ci-dessous. Or ce morceau de métal n'est chauffé qu'à environ 200°C. Même si sa température de couleur avoisine 500 ou 1000 K, il va donc intrinsèquement rester rouge ou orange selon la matière. Mais alors pourquoi nous paraît-il si clair ? Nous allons répondre à cette question dans un instant.

Document T.Lombry.

En marge de cette observation, on constate également que le côté droit du gradient coloré paraît s'évaser, là où il est plus lumineux. Dans un autre domaine, tout le monde sait qu'il faut porter des vêtements sombres plutôt que clair si on veut amincir sa silhouette. Cette fois cela concerne deux effets optiques liés à l'interprétation des formes et des couleurs que nous allons également expliquer.

2. Les images de la NASA

Pour notre troisième exemple, nous allons prendre la reproduction des couleurs. Tous les amateurs d'astronomie se rappellent les difficultés qu'éprouvèrent les spécialistes en imagerie planétaire du laboratoire MIPL de la NASA lorsqu'ils durent déterminer les couleurs naturelles des images de Mars ou celles du satellite Io de Jupiter retransmises au contrôle de mission par les sondes spatiales.

Personne n'ayant jamais été sur ces astres pour témoigner de leur couleur, il fallait se fier aux mires et aux outils de calibrations pour convertir les gammes de gris en leurs équivalents RGB et par la suite en tirages papiers quadricouleurs.

A mesure que la qualité des caméras embarquées et des logiciels de traitement d'image se sont améliorés, le rendu chromatique des images a été modifié. Ainsi, en l'espace de quelques années la saturation des couleurs a baissé de 30 % et la surface de Mars est passée de la couleur rouge à orange-brun tandis que celle d'Io est passée de rouge-orange à jaune-verdâtre. Mais aujourd'hui encore, qui pourrait certifier que ces couleurs sont naturelles ? Personne...

A lire : La température de couleur du ciel bleu

A gauche, la salle de contrôle de mission de la NASA au JPL durant la mission Mars Opportunity. Voici une image plus détaillée des consoles de gauche durant la mission Genesis. A droite, une image de la petite tache rouge junior de Jupiter (l'ancienne WOS BA qui est passée de la couleur blanche à orange) enregistrée en lumière bleue et rouge par le Télescope Spatial Hubble le 8 avril 2006 et convertie en couleurs accentuées. Un oeil non exercé pourrait ne pas voir la différence avec une image contrastée prise en couleurs naturelles. Documents JPL et Hubble Site.

Même des photographes ou des astronomes anglo-saxons réputés tels David Malin, Patrick Moore ou Nigel Henbest ont été piégés par le choix des couleurs du MIPL au point que certains ont confondu les couleurs accentuées avec... les couleurs naturelles ! Ayant moi-même une formation dans ce domaine, il m'est également arrivé de me faire piéger... Ces tentatives de restitution de couleurs par des voies numériques prouvent une fois de plus que la sensation de couleur n'est pas une donnée objective qu'il est facile de quantifier.

La subjectivité

Ces deux exemples mettent en lumière l'effet de la subjectivité sur l'appréciation des couleurs. Et même si on veut garder un regard critique sur ce phénomène, on peut encore se laisser piéger. Ainsi, si on approfondit la question comme nous le ferons dans d'autres articles plus techniques, on peut imaginer de prime abord qu'à chaque rayonnement monochromatique correspond une couleur (par ex. 656 nm = "rouge hydrogène-alpha", 589 nm = "jaune sodium") et donc qu'il existe une relation linéaire entre la longueur d'onde et la couleur, autrement dit entre la distribution d'énergie et la couleur spectrale.

Si c'est vrai pour certaines couleurs reproduisant le spectre d'énergie du corps noir et si même nous pouvions associer une couleur unique à chaque longueur d'onde du spectre visible, l'existence de la relation inverse n'est pas démontrée pour autant. En fait, nous avons expliqué dans l'article consacré à la restitution des images sur ordinateur que la dimension des espaces colorimétriques est toujours inférieure à la dimension des espaces vectoriels de représentation; en d'autres termes, il existe infiniment plus de profils spectraux que de couleurs. Concrètement, deux rouges qui vous paraissent visuellement identiques n'ont donc pas nécessairement les mêmes valeurs numériques dans l'espace colorimétrique. Et si vous ne voyez pas cette différence, une sonde spectrophotométrique ou un écran d'ordinateur haut de gamme fera parfaitement la distinction.

Les principales longueurs d'ondes du spectre visible exprimées en nanomètres. Document T.Lombry.

Ceci explique en partie pourquoi seules les plus longues longueurs d'ondes apparaissent plus rouges qu'en réalité et peuvent nous laisser penser que toutes les couleurs rouges présentent une grande longueur d'onde. En réalité beaucoup de luminants rouges sont légèrement oranges car ce que nous considérons comme une couleur "rouge pure" contient une fraction de longueurs d'ondes plus courtes.

Il ressort de ces différentes observations qu'une partie des couleurs que nous percevons sont liées à des interprétations et des effets physiologiques ou psychophysiques dans lesquels interviennent la biochimie et la neuroanatomie notamment.

De plus des études récentes ont démontré que l'interprétation des formes et des couleurs dépendait de la taille de notre cortex visuel : une personne peut ainsi ne pas voir de différence entre deux formes de même taille, l'une étant claire, l'autre sombre car son cerveau est capable de reconnaître l'effet optique et l'isoler là ou une autre personne voit bien l'effet optique mais est persuadée que les deux objets ont une taille différence. 

Comment peut-on dès lors exprimer une couleur si même les professionnels du traitement d'image y perdrent leurs pinceaux ? Réfugions-nous dans une remarque d'un expert en la matière en la personne d'Isaac Newton[1] qui écrivait dans son traité sur l'Optique en 1730 : "si à tout moment je parle de la Lumière et des Rayons comme colorés ou enduits de couleurs, il faut comprendre que je ne parle pas en terme philosophique ni au sens propre, mais globalement et selon des conceptions telles que les personnes ordinaires … seraient susceptibles de comprendre. A proprement parlé, les rayons ne sont pas colorés. En eux il n'y a rien d'autre qu'une certaine Puissance et une Disposition à exciter la Sensation de cette Couleur."

Une fois de plus, et malgré la modestie de ses moyens, Newton voyait juste; la lumière n'est qu'un signal énergétique qui excite les cellules de notre rétine et que notre cerveau essaye d'interpréter au mieux. Nous verrons cela en détail un plus plus bas. 

Si la subjectivité entre en considération dans l'appréciation des couleurs, cet aspect psychologique ne signifie pas que tout soit subjectif. Un spécialiste de la couleur vous dira que les données de chromaticité restent très fiables quand on les analyse dans des conditions contrôlées (laboratoire). Dans une analyse sur la vision réalisée en 1979, N.Boyton et ses collègues concluent que "la précision de la colorimétrie visuelle est au moins aussi bonne que l'indice de couleur photoélectrique (B-V)". Cela renforce l'idée que les représentations numériques des couleurs sur les écrans d'ordinateurs haut de gamme sont proche de la réalité. Mais cela sous-entend également qu'il y a une distinction entre le stimulus lumineux et sa réponse visuelle.

Connaissant aujourd'hui un peu mieux ce phénomène que du temps de Newton, voyons quels sont les effets physiques y compris optiques et les effets physiologiques et psychologiques à la base de la formation des couleurs ou pouvant altérer notre vision des couleurs.

Pour comprendre ces effets subtils, nous allons devoir explorer les méandres du cerveau afin d'examiner la manière dont le cortex visuel interprète la sensation de chromaticité, c'est-à-dire les différents paramètres qui définissent une couleur.

Rappeler tout d'abord comment fonctionnent nos yeux et notre cerveau.

Les couleurs et la biochimie de la vision

La vision est un processus par lequel les yeux transforment l'énergie lumineuse en substances assimilables par les cellules de la rétine. La couche postérieure de celle-ci est tapissée de neurones photosensibles dont les cellules sont transparentes. Par un processus photo-chimique, ces cellules transmettent un influx nerveux au cortex visuel qui va interpréter ce signal pour construire une image point par point. On estime qu'un oeil en bonne santé est capable de distinger environ 8 millions de couleurs !

A lire : La vision

Les facultés sensorielles

A gauche, distribution spectrale de la sensibilité de l'oeil humain, tant en chromacité (RGB) que luminance (L). La zone inférieure vert de gris représente la sensibilité aux faibles lumières. A droite, micrographie réalisée au microscope électronique à balayage montrant l'enchevêtrement de cônes (rouge) et de bâtonnets (jaune-orange) tapissant la rétine humaine. Document T.Lombry et Webvision.

Chez l'homme, la rétine est sensible aux rayonnements électromagnétiques qui s'étendent grosso modo entre 400 et 700 nm.

Les images les plus détaillées se forment dans l'oeil autour de la fovéa où se concentrent les cônes. Leur sensibilité est en moyenne cent fois plus faible que celles des bâtonnets situés en périphérie et ne "fonctionnent" donc qu'en présence de forte lumière. Malgré cette contrainte, c'est par les cônes que nous distinguons les plus faibles nuances d'une image et les couleurs.

Durant la journée la perception des couleurs est assurée par trois types de cônes, caractérisés par trois types de protéines photosensibles, les rhodopsines, sensibilisés au bleu, au vert et au rouge. L'oeil présente néamoins une réponse logarithmique avec un excès de sensibilité dans la partie jaune-verte du spectre vers 550-555 nm.

Par ailleurs, la réponse de l'oeil à la lumière n'est pas linéaire. Nous sommes plus sensibles à des changements qui se produisent dans les basses lumières que dans les hautes lumières. En pratique cela se manifeste par une vision beaucoup plus précise et détaillée dans les zones d'ombres que dans les zones brillantes. Ce phénomène a un impact direct sur la restitution des couleurs sur un écran, sujet que nous développerons dans l'article consacré à la restitution des couleurs sur ordinateur.

Comment perçoit-on les couleurs et comment les quantifier de manière objective ? Pour réaliser une mesure colorimétrique, on caractérise la radiance de la lumière en établissant ce qu'on appelle une distribution spectrale de puissance. On peut l'effectuer au moyen d'une sonde spectrophotométrique.

Il faut ensuite associer ces données aux couleurs que l'on perçoit, ce qui constitua la plus grande difficulté à l'époque où cette méthode fut mise au point du fait que la couleur n'est pas directement contenue dans la lumière ainsi que l'avait découvert Newton. Ceci nous conduit à déterminer les caractéristiques de la couleur.

Prochain chapitre

La couleur des objets

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[1] Isaac Newton, "Optique", 4e édition, 1730 réimprimé chez Dover Publications, 1952, pp123-125; Christian Bourgeois, 1989. Le texte original est celui-ci : "If at any time I speak of Light and Rays as coloured or endued with Colours, I would be understood to speak not philosophically and properly, but grossly, and according to such Conceptions as vulgar People … would be apt to frame. For the Rays to speak properly are not coloured. In them there is nothing else than a certain Power and Disposition to stir up a Sensation of this or that Colour." Une fois de plus et malgré la modestie de ses moyens, Newton voyait juste.


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