L'oeil et les couleurs
L'œil est un organe extrêmement complexe, fruit d'une très longue évolution. C'est lui qui nous permet de voir le monde en couleur et de voir des millions de couleurs. Mais comment le fait-il ? Qu'est-ce que la couleur et combien l'oeil peut voir de couleurs différentes ? Pourquoi et quand parle-t-on de gamma ? Comment la représenter numériquement ? Autant de questions auxquelles je vais tenter de répondre maintenant.
L'oeil et la vision de la lumière
Propriétés de la lumière
La couleur est une propriété de la lumière qui est une onde électromagnétique. Comme toutes les ondes, elle peut avoir des fréquences différentes qui lui donnent justement sa "couleur". Quand les longueurs d'ondes sont courtes - vers 380 nm - elles sont perçues comme du bleu-violet par un œil humain "standard" et quand elles sont plus longues - vers 700 nm - elles sont perçues comme rouge. L'ensemble des ondes visibles s'appelle le spectre de la lumière visible. Au-delà du spectre visible pour l'homme se trouvent les ultraviolets et les infrarouges, entre autres. On obtient traditionnellement un spectre de la lumière du soleil si on la fait passer à travers un prisme ou encore à travers des gouttelettes d'eau. Cela crée un arc-en-ciel dans certaines conditions météorologiques.
Spectre de la lumière visible par l'homme, de l'ultraviolet à l'infrarouge.
L'œil
Une image est formée par la cornée (transparente) et projetée au fond de l'œil, sur la rétine. Celle-ci est littéralement tapissée de cellules nerveuses - les photorécepteurs - sensibles à la lumière en quantité - la luminosité - grâce aux bâtonnets, mais aussi en qualité - les couleurs - grâce aux cônes. Les cônes ( sensibles donc aux couleurs ) ne sont pas tous sensibles à la couleur de la lumière de la même façon. Certains sont surtout sensibles dans le rouge, d'autres dans le vert et enfin les derniers dans le bleu.
 Pourtant l'oeil voit bien toutes les couleurs du spectre visible - ci-dessus - du rouge au violet de manière continu donc c'est par le mélange de ces trois couleurs que le cerveau est capable de "fabriquer", de reconstituer, toutes les autres couleurs grâce à son cerveau. Voilà pourquoi on a inventé un modèle couleur RVB : pour nous caler sur le fonctionnement de l'oeil humain. Ainsi, les écrans ou les capteurs des APN possèdent des pixels Rouge-Vert-Bleu ou RVB et ne voit qu'en RVB ! Ils reproduisent le fonctionnement l'oeil humain grâce à trois types de pixels. Il suffit pour l'écran d'allumer plus ou moins chaque pixel de l'écran pour reproduire TOUTES les couleurs ! Si l'on s'approche trop d'un écran d'ordinateur, on voit les pixels RVB séparés mais ils sont fabriqués suffisamment petits pour que vus par un être humain à distance normale, ils soient vus comme amalgamés en un seul pixel aux multiples couleurs.
Remarque amusante !
 L'oeil n'est pas sensible à toutes les couleurs de la même façon, de même d'ailleurs qu'il est plus sensible à de petits écarts de luminosité dans les basses lumières que dans les hautes; Les scientifiques ont remarqué que l'oeil avait une sensibilité plus étendue dans le vert que dans les deux autres couleurs primaires (R et B). Voilà tout simplement pourquoi les capteurs des APN possèdent deux pixels verts pour un pixel rouge et un bleu quand on le regarde de près avec une loupe très grossissante.
Il en va de même avec les écrans ou les capteurs numériques. Quand on les regarde avec une forte loupe ou un microscope on peut constater qu'ils possèdent deux pixels vert pour un pixel rouge et un pixel bleu.
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Des millions de couleurs avec trois ou quatre !
Un moniteur ou une imprimante ne travaillent pas avec les couleurs de la même manière : l'écran, comme l'œil, travaille avec des couleurs dites additives - Rouge, Verte, Bleue ou RVB pour donner du blanc par addition comme on peut le voir au centre de cette animation couleur ci-dessous - alors qu'une imprimante travaille en mode soustractif - Cyan, Magenta, Jaune, Noir ou CMJN pour donner du noir par soustraction -.
 Concrètement, avec un écran qui travaille donc en mode additif, si l'on n'envoie aucun signal RVB aux pixels ( 0, 0, 0 ), l'écran reste noir. Il est noir par défaut. Pour obtenir du blanc ( 255, 255, 255 ) il faut éclairer chaque pixel Rouge, Vert et Bleu, comme le montre la figure ci-contre. Les autres couleurs sont obtenues en changeant la valeur de chaque couleur primaire. Pour afficher du jaune par exemple ( 255, 255, 0 ), il faut arrêter d'éclairer les pixels bleus (l'écran est bien jaune à l'intersection entre le vert et le rouge car les pixels bleus sont éteints). Seules trois couleurs ne nécessitent qu'un seul pixel. Les trois couleurs primaires et leurs déclinaisons en luminosité ( de 0 à 255 ). Toutes les autres, c'est-à-dire les millions d'autres, seront un mélange d'au moins deux pixels de couleurs primaires plus ou moins lumineux.
 Avec une imprimante, on part d'une feuille de papier déjà blanche par défaut car elle réfléchit à parts égales toutes les longueurs d'onde de la lumière visible. Donc là, c'est le contraire, si l'on veut du noir il va falloir projeter sur cette feuille de l'encre aux couleurs complémentaires, c'est-à-dire Cyan, Magenta et Jaune qui ont la particularité d'absorber à chaque fois une partie de la lumière visible. Dans la pratique il faudra aussi rajouter de l'encre Noire car 100% des trois autres couleurs ne permettent pas d'obtenir un noir profond à cause des impuretés contenues dans les encres mais un brun très foncé. On voit très bien sur l'image ci-contre que le centre est marron et non pas noir. Ces encres projetées au même endroit vont avoir la propriété d'absorber toutes les radiations lumineuses. Cet endroit apparaîtra donc noir maintenant. Si l'on veut que le papier paraisse bleu, il faut projeter dessus, au même endroit, du magenta et du cyan. Toutes les radiations lumineuses, sauf le bleu, seront absorbées. Seules les longueurs d'onde bleues de la lumière seront réfléchies à cet endroit.
Par convention, il a été décidé par la Commission Internationale de l'Éclairage - La CIE - que la couleur rouge primaire est une lumière d'une longueur d'onde de 700 nm, le vert de 546 nm et le bleu de 436 nm. Sur un bon écran, les pixels RVB éclairés par les LEDs devront émettre des couleurs primaires les plus proches possible de ces trois longueurs d'onde. C'est inscrit dans le cahier des charges des constructeurs mais tous y arrivent par des chemins diverses...
Enfin, il est important de savoir comment on décrit "informatiquement" une couleur. Typiquement, les couleurs sont décrites grâce à trois ou quatre chiffres selon que l'on travaille en RVB ou en CMJN, toujours avec comme objectif de reproduire le fonctionnement de l'oeil humain. Ainsi telle couleur sera notée - 158, 128, 84 - en RVB et - 80%, 64%, 21%, 12% - en CMJN. Mais pourquoi ces chiffres et à quelle couleur perçue par un œil cela correspond-il exactement ?
Les couleurs à l'heure numérique
Les couleurs et l'informatique
Des chercheurs ont réussi à modéliser numériquement la complexité des couleurs. Ils ont dû partir du fonctionnement de base des ordinateurs, c'est-à-dire des 0 et des 1 ( on appelle cela un bit ) et de l'oeil humain c'est-à-dire RVB. Pour cela, il leur a fallu inventer des modèles basés sur ces 0 et 1 pour afficher, par exemple, telle ou telle couleur sur un écran. Ces modèles mathématiques sont le bit et l'octet (Un octet est égal à 8 bits).
Bit et octet
Un bit c'est deux possibilités : 0 ou 1. Cela s'écrit donc sous la forme 2 ¹ . Un octet est constitué de 8 bits, c'est-à-dire une séquence de huit 0 ou 1. Cela représente 28 possibilités (nombre possible de 8 choix de 0 ou de 1) c'est-à-dire 2x2x2x2x2x2x2x2 = 256 combinaisons ! |
Je vais prendre comme exemple un pixel rouge de mon écran et admettre que je n'aie que ces deux chiffres - 0 et 1 - à ma disposition car je possède un ordinateur vraiment très rudimentaire ! Soit j'envoie un 1 (un petit courant électrique à mon pixel ) et je l'allume, soit j'envoie un 0 (aucun signal électrique) et il reste donc éteint. Je dis que mon signal possède 1 bit. J'ai donc deux possibilités : 0 ou 1. 0 pour dire au signal : éteint ou 1 pour dire au signal : allumé ! Cependant, je sais que mon écran aujourd'hui est capable d'afficher ce pixel rouge plus ou moins clair, avec des différences subtiles, différences subtiles que mon oeil est capable de percevoir. Il en est de même pour les deux autres couleurs V et B. Le but, ne l'oublions pas, est d'afficher une infinité de couleurs ! J'ai donc besoin de plus d'un bit mais alors de combien de bits, donc de chiffres pour coder mon signal ai-je besoin ?
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Avec un chiffre - 0 ou 1 me donne 2 possibilités. Mon signal est codé sur 1 bit qui s'écrit 2 ¹.
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Avec deux chiffres - 00 ou 01 ou 10 ou 11 me donne 4 possibilités de niveaux de luminosité : éteint, foncé, clair, très clair. Mon signal est codé sur 2 bits - 2² -.
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Avec trois chiffres - 000 ou 001 etc. me donne 8 possibilités. Mon signal est codé sur 3 bits - 2 ³ - 2 × 2 = × 2 = 8.
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Et ainsi de suite... mais jusqu'à combien ?
Or après avoir réalisé des tests sur de nombreux êtres humains, d'autres chercheurs de la CIE, vers 1930, ont constaté qu'il fallait, dans le meilleur des cas, 200 nuances dans un dégradé d'une seule couleur pour qu'il soit perçu comme continu, du plus sombre au plus clair de cette couleur, comme dans l'exemple ci-dessous. Il y a au moins deux cents nuances de bleu dans le dégradé ci-dessous (dégradé du haut). S'il y en avait moins, on aurait la sensation de voir des bandes - autrement appelées cassures de tons - dans ce même dégradé, ici en bas.
Et il s'agit là d'êtres humains qui ont une excellente acuité visuelle car d'après un test réalisé en 1998, la plupart des êtres humains voient seulement 2 millions de nuances couleurs. Donc sur combien de bits - combien de chiffres - dois-je coder mon signal pour avoir à ma disposition au moins 200 combinaisons par couleur primaire ? Le résultat est ainsi de 2 8 = 256 valeurs possibles de 0 à 255. Avec 7 chiffres - 27 - je n'aurais eu que 128 combinaisons possibles par couleur. Notons au passage que pour bon nombre d'êtres humains cela aurait donc suffit ! Avec 8 bits j'ai donc 256 × 256 × 256 combinaisons possibles ( 256 par couleurs primaires ) soit plus de 16,7 millions !!! Pour bien faire, l'oeil humain en aurai réellement besoin de : 200 × 200 × 200 = 8 millions donc j'ai même de la marge. Je possède donc 16,7 millions de définitions informatiques RVB différentes pour décrire en fait 8 millions de couleurs dans l'absolu. Comme la combinaison 28 est singulière, les informaticiens lui ont donné un nom particulier : l'octet. L'octet vient donc des propriétés de l'oeil humain !
Note à propos des définitions de couleurs
 Il va sans dire que comme l'oeil ne peut percevoir que 200 nuances par couleur dans le meilleur des cas, il percevra la même couleur, que l'écran affiche 200, 200, 200 ou 200, 200, 201 ou encore 199, 200, 200 donc trois définitions différentes de couleur, dans cet exemple, sachant que j'aurais pu continuer encore un peu. C'est pour cela que l'on parle de définition de couleur et non de couleur quand on décrit une couleur par un signal RVB.
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On dit que le signal est codé en 24 bits - 3 × 8 bits - donc sur trois octets puisque un octet = 8 bits. Chaque signal est donc une succession de huit 0 ou 1 et cela trois ou quatre fois, pour chaque couleur RVB ou CMJN. Un signal RVB s'écrira donc sous la forme 255, 112, 44 par exemple ( Le rouge complètement allumé, le vert à 112 et le bleu à 44 soit relativement sombre).
Les chiffres et les couleurs !
Maintenant que l'on sait comment se représenter une couleur numériquement, envoyons un signal RVB donné, toujours le même - 255, 112, 44 - vers plusieurs écrans différents (comme sur les murs d'écrans des magasins d'électroménager). Que se passe-t-il ? Aucun n'affiche la même couleur !!! En effet, les filtres RVB placés devant chaque pixel d'un écran seront différents dans chaque écran mais encore plus dans des modèles d'écrans différents, de marques différentes. Le modèle couleur RVB ne permet donc pas d'afficher la même couleur directement sur plusieurs appareils différents. Comme on l'a vu page précédente, dans l'introduction, il a donc fallu inventer un modèle couleur indépendant des yeux humains et de leurs légères différences ainsi que des différents périphériques donc absolu : le modèle Lab. L'espace couleur Lab a été inventé en 1976 par la CIE, toujours elle. A une couleur Lab ne correspond qu'une seule couleur donc une seule longueur d'onde. Donc pour un même pixel rouge sur chaque écran à qui on a envoyé un même signal RVB, correspondra une couleur Lab légèrement différente.
Très important !
A un signal numérique donné - donc à un triplé RVB donné, dans notre exemple 255, 112, 44 - peut donc correspondre plusieurs sensations colorées différentes pour une personne douée d'une vue "normale" si on l'envoie vers plusieurs écrans, par exemple. Il est fondamental en gestion des couleurs d'avoir toujours cette notion à l'esprit et donc dans ce qui va suivre.
Un signal RVB ne représente pas "réellement" une couleur - même s'il est basé sur le modèle de l'oeil humain - mais une donnée numérique (une définition de couleur) qui, envoyée vers un appareil donné est traduite par une couleur donnée (une couleur Lab) et qui dépend des composants qui ont servi à le fabriquer. Le modèle RVB est donc pratique dans son fonctionnement car calqué sur le fonctionnement de l'oeil mais il n'est en rien absolu contrairement au Lab.
A contrario, si je veux afficher une même couleur sur plusieurs écrans, je devrai donc leur envoyer un signal RVB différent ! Si je veux afficher un gris neutre moyen ( normalement 100, 100, 100 ) sur des écrans différents, je vais donc devoir leur envoyer des signaux RVB différents donc plutôt x, y, z pour un, x', y', z' pour un autre plutôt que x, x, x. Comme il est pratiquement impossible de savoir quelle valeur il faut envoyer à un écran donné pour qu'il affiche la "bonne couleur" il faut le calibrer avec une sonde et créer, pour chaque écran, un petit fichier contenant cette précieuse information : un profil ICC. Le profil ICC est donc à la base de la gestion des couleurs. |
Comment alors se représenter une seule couleur perçue par un œil standard pour un couple numérique si, pour un écran donné, je dois lui envoyer un signal RVB xyz et non xxx pour qu'il affiche pourtant une couleur neutre ? Il revient encore une fois à la CIE le mérite de répondre à cette question. C'est ce que nous allons voir avec les espaces et Modèles colorimétriques, sur une page suivante. Mais avant cela, je souhaite apporter encore une précision de taille puisqu'il s'agit de la notion de gamma de l'oeil ou d'un écran - Le gamma de l'oeil, d'un écran 
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