La Couleur

Avant-propos

Cette page a pour but de vous initier aux fondamentaux de la colorimétrie. Elle se veut être une suite organisée de liens hypertextes qu’il faut lire, au moins en diagonal. L’objectif étant de mettre en relation, dans l’ordre et de façon logique, les différents concepts liés à la couleur, traçant un chemin de savoir à suivre, vous évitant ainsi de le faire vous-même.

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.

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.

L’œil

Spectre_absorption_des_cones

L’œil humain est capable de différencier les rayonnements lumineux par classes de longueur d’onde 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.

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.

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.

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).

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.

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 longueur d’onde.

Pour cela, il faut que chacun des composants (rouge, vert, bleu) corresponde a une longueur d’onde. 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 longueur d’onde.

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

Vous obtenez ainsi un espace colorimétrique très (trop) simple. En effet, même avec une relation linéaire entre XYZ et RGB, vous n'avez aucune

Les primaires

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

Colorpace_gamut_nuke

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 tous les composants (rouge, vert et bleu) sont aux maximums.

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

https://en.wikipedia.org/wiki/Kelvin

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

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

Des espaces colorimétrique 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

srgb 3d

ACES

Introduction

OSEF, page Wikipédia, ACES in 10 Minutes.

Terminologie

Des courbes avant de commencer

Srgb_eotf

La courbe ci-dessus est la classique courbe qu’on applique sur une image faite en sRGB.

Rrt_srgb_odt

Ceci est la courbe de réponse de ACES sur un moniteur sRGB. Notez comment la valeur de 1.0 est affiché à 0.812… sur l’écran. Ceci permet de laisser un écart entre 0.812… et 1.0 pour afficher les valeurs entre 1.0 et 16.0 (qui ne sont pas affiché sur cette courbe).

Plus d’informations ici.

Rrt_srbg_odt_(srgb_eotf)

Cette courbe est une juxtaposition des deux précédentes. C’est la fameuse courbe filmic (ou S-shaped) supposé diminuer la valeur des hautes lumières pour en rendre le contenu distinguable.

Historiquement, c’est le fonctionnement des pellicules Kodak qui, par la magie de la chimie, atténuait l’impression de la lumière au prorata de sa luminosité. Plus la lumière était intense, moins son impression sur la pellicule était forte, permettant d’afficher une large gamme d’intensité lumineuse en une image.

Display-referred VS Scene-referred

ACES intègre une distinction que les habitués de la prise photo connaissent sûrement :

L’œil a un comportement complexe, mais ce qu’il faut comprendre c’est qu’il est capable de distinguer un écart de contraste (les nuances entre du noir et du blanc) bien plus élevé que ce que les écrans peuvent afficher. Il en est de même, à moindre échelle, pour les caméras capables de représenter des écarts important d’intensités lumineuses.

Sans cette distinction, on appliquerait bêtement la sortie d’une caméra ou d’un rendu sur l’écran, et toute valeur au-dessus de 1 se mettrait immédiatement à brûler. Notez que c’est souvent ce qu’on fait en rendu :

Spec_sRGB

Ce type de brûlure est classique quand on fait du rendu sans prendre en compte cette distinction.

Pourtant, dans la vraie vie, même un spéculaire un peu fort, vous ne le voyez pas blanc brillant. Ceci est dû au fait que vos yeux peuvent en supporter un écart plus important que votre écran. Il faut donc afficher l’image sur votre écran de sorte que les hautes lumières ne soient, en fait, pas si hautes.

En ayant cette distinction en tête, on peut appliquer, sur les valeurs des pixels de notre image (qui est en scene-reffered donc), une courbe (ayant une allure logarithmique) venant compenser les hautes lumières avant l’affichage :

Spec_sRGB_aces

On parle parfois d’appliquer une réponse car on vient interpréter les valeurs brutes (d’une caméra ou d’un rendu, bref, d’une scène) en valeurs affichables.

La lumière générale en prend un coup : Une valeur de 1, devient 0.812…, mais entre 0.812… et 1.0, vous avez, dans le cas de ACES, des valeurs d’intensité de 1.0 à 16.0. Un peu comme ce que ferait votre œil en fait.