Perception humaine de la Couleur - … bleu indigo, obtenu après fermentation de la plante dans l’eau, puis oxydation à l’air du jus de macération. L’absorption des colorants.

1

Perception humaine de la Couleur• Introduction• Le stimulus physique

– Les sources lumineuses– Les sources indirectes ou secondaires– Rayonnement perçu

• Le stimulus physiologique– Le système optique de l’œil– La rétine– Les cellules rétiniennes

• L’interprétation par le cerveau• Colorimétrie• Systèmes de couleur

2

Introduction

Spectre visible (en nm)

Le domaine de la vision humaine

3

Les Sources LumineusesProduction de rayonnement électromagnétique à partir d’une transformation

d’énergie.

Les sources continuesRayonnement d’origine thermiqueÉmission lumineuse des solides chauffésFluorescence à spectre large (ZnS:Mn)

Les sources discontinuesÉmission thermique des gazRaies d’émission finesÉmission par des plasmas (lampes à décharge)

Les sources mixtesCombinaison de l’émission d’un solide et d’un gazNéons

4

Les Sources à Spectre Continu

• Tout corps émet à toute température (sauf à 0K) un rayonnement électromagnétique à spectre continu :

le rayonnement thermique.

• C’est l’étude théorique de ce rayonnement qui nécessita l’introduction par Max Planck de la théorie des quanta en 1901 faisant ainsi naître la mécanique quantique.

• La luminance énergétique de la surface ne dépend que de la température et de la longueur d’onde pour un matériau donné.

• Le maximum de luminance énergétique est obtenue pour un corps idéal (totalement absorbant) appelé corps noir ou radiateur de Planck.

• Tout corps réel a une émission inférieure à celle du corps noir. Son émission est égale à celle du corps noir multipliée par le facteur d’absorption de ce corps à la même longueur d’onde. C’est la loi de Kirchhoff

Max Planck (1858-1947)

Nobel 1918

Gustav,Kirchhoff(1824-1887)

5

Loi de PlanckPosition du maximum : Loi de Wien λmax .T = 2900 µm.K

Luminance spectrale du corps noir en fonction de la températureOn parle de température de couleur d’une source pour indiquer la répartition spectrale de son émission par rapport à l’émission du corps noir.

Wien, Wilhelm(1864-1928)

6

La Lumière Solaire• Spectre équivalent à celui du corps noir à 6500 K.

Rayonnement extraterrestre

Rayonnement moyen reçu sur terre en Europe en milieu de journée

O3

O2

H2 O

CO2

Puissance globale de l’ordre de 1000 W/m2 dont 45% dans le visible.Éclairement moyen au sol : 100 000 lux

7

Les Sources à Incandescence

Lampes à incandescence : 2850 KelvinsTungstène Halogène : 3200 Kelvins

Spectre lumineux beaucoup plus énergétique dans le jaune rouge.Modification des couleurs perçues : Assombrissement des bleus, rougissement des pourpres

Spectre continu d’une lampe halogène

8

Température de Couleur

9

Les Sources à Spectre Discontinu• Essentiellement les lampes à décharge.• Émission de raies lumineuses caractéristiques du gaz employé.• Utilisées dans l’éclairage : lampe au Sodium (doublet à 589nm)

Spectre d’émission d’un lampe au mercure

Perception des couleurs : totalement fausséeAvec les lampes au Sodium vision quasiment monochromatique

10

Les Sources à Spectre Mixte• Essentiellement les néons : combinaison de l’émission d’un gaz

ionisé par décharge électrique et de la fluorescence du revêtement excité par les rayonnements UV de la décharge.

Spectre d’émission d’un néon

Modification des couleurs perçues plus subtiles.Effet marqué sur la couleur de la peau (et de certains maquillages !)

11

Influence de la source sur la perception des couleurs

Bougie Tungstène

Lumière du Jour Plein Soleil

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Les Sources Secondaires : La Matière• Objets éclairés par une source lumineuse

Perception par l’observateur du rayonnement transmis, diffusé, diffracté, réfléchi, … dans sa direction.

• Deux types de paramètres• Un paramètre intrinsèque :

– Indice du matériau : Mesure macroscopique de l’interaction entre les photons du rayonnement électromagnétique et les électrons (phonons) du matériau.

• Des paramètres extrinsèques :– Mise en forme du matériau– État de surface– Diffusion par les hétérogénéités– Effets géométriques

kinn ⋅−=~

13

Les matériauxLes effets intrinsèques provenant de l’interaction entre les photons du rayonnement incident et les électrons de la matière sont responsables de :

La réflexionLa transmission l’absorption

Ocres Cathédrale de ChartresRutile coloré par des impuretés

14

Indice Optique des MatériauxL’indice optique complexe des matériaux est une grandeur sans dimension qui caractérise (au niveau macroscopique) la modification subie par un rayonnement électromagnétique en pénétrant dans un matériau.

• En incidence normaleAir no =1

Milieu Indice = n+ik

I0

IR

IT

22

22

00 )1(

)1(knkn

IIR R

+++−

==

dT ekn

nIIT α−

++== 22

00 )1(

4

λπα k4

= Coefficient d ’absorption

Dans le cas d ’un milieu transparent (c.a.d. k = 0)

2

2

0 )1()1(

+−

=nnR

20 )1(4+

=n

nT 100 =+TR

15

Indice Optique des Matériaux• L’indice optique intervient non seulement dans les phénomènes de

réflexion et de transmission spéculaire mais dans tous les autres phénomènes mettant en cause l’interaction lumineuse.

• Un matériau est d’autant plus réfléchissant qu’il est absorbant.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Or

Cuivre

Aluminium

Argent

Wavelength (nm)

Ref

lect

ion

(%)

Facteur de réflexion de quelques métaux

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Indice Optique des Matériaux• On classe les matériaux trois grands types :• Les métaux.

– En général très absorbants. – Indice optique variant peu dans le domaine du visible. – Couleur allant du blanc au gris avec quelques exceptions notables (Or,

Cuivre).

• Les semi-conducteurs– Absorption plus faible que celle des métaux.– Présence d’un bord d’absorption (au dessus duquel ils sont transparents).

• Les diélectriques ou isolants– Pas d’absorption notable dans le visible. (sauf dans le bleu).– Faible absorption qui conduit à une couleur «de volume».– Couleur souvent due aux impuretés ou à des absorptions localisées.

17

Types de Matériaux

18

Diamants

les matériaux 19

Condition d’interférence :

2 D sin i = k λ

où k est un entier

Selon l’angle d’incidence ou d’observation, une longueur d’onde λ

est privilégiée. On observe un phénomène d’iridescence.

I

tD

i

Phénomènes d ’INTERFERENCES

les matériaux 20

Les ailes des papillons morphos

Iridescences dans la nature

les matériaux 21

La plume

Le nacre du coquillage

Iridescences dans la nature

les matériaux

Le cinabre (HgS) Les ocres (Fex Oy )

L’absorption des pigmentsL’absorption des pigments

(Ca,Na)8 ,(Al,Si)12 ,O24 ,(S,SO4 ,Cl)

L’absorption des pigments

Le Lapis-lazuli

Sa couleur bleue est due à l ’ion S3-

Ces ions absorbent des photons d’énergie E≈

2,1 eV qui correspondent à une lumière absorbée de longueur d’onde λ

= hc/E≈

0,59 µm, qui

correspond au jaune. Cette absorption dans le jaune donne au pigment la couleur complémentaire, c’est-à-dire le bleu violet.

2,1 eV

Ion S3-

L’absorption des pigments

les matériaux 24

L’absorption des colorants

La garance, sa racine contient de l’alizarine : O

O OHOH

L’absorption des colorants

les matériaux 25

L’indigofera, sa sève fournit le bleu indigo, obtenu après fermentation de la plante dans l’eau, puis oxydation à l’air du jus de macération.

L’absorption des colorants

les matériaux 26

λ

absorbée couleur absorbée couleur visible

605-750 nm rouge vert-bleu

490-500 nm vert-bleu rouge

435-480 nm bleu-violet jaune

L’absorption, transmission et réflexion

27

Paramètres Extrinsèques

Les rugosités de surface, les inhomogénéités de volume, la distribution de taille des particules dans le cas d’une poudre, les effets géométriques sont des effets extrinsèques qui vont modifier le rayonnement perçu par l’observateur.

Blés en Normandie

Arc en ciel au Colorado

28

Paramètres Extrinsèques• La rugosité de surface.

– Responsable du rapport spéculaire/diffus ou mat/brillant.– Effets complexes dépendant de la taille et de la distribution des rugosités.– Influence de l’indice optique et de l’absorption.– La distribution de taille des rugosités est responsable de la plupart des effets

visuels de matière (mat, satiné).• Les inhomogénéités de volume.

– Inhomogénéité de composition.– Influence très importante de la taille.– Responsable de la diffusion de volume.

• La diffusion.– Prépondérante quand les objets deviennent de la taille de la longueur

d’onde.– Dépend en λ-4 de la longueur d’onde.– 16 fois plus efficace dans le bleu que dans le rouge.– Responsable du bleu du ciel.

29

Les phénomènes de diffusion2 cas :

Si a est le diamètre de la particule diffusante,

a < λ

: diffusion de Rayleigh

• L’intensité de la lumière diffusée dépend de la longueur d’onde de la lumière incidente.

• Elle dépend peu de l’angle d’incidence et de l’angle d’observation.

a > λ

: diffusion de Mie

• La lumière diffusée dépend de la longueur d’onde, mais aussi de l’angle d’observation

30

Diffusion de Rayleigh : Diffusion du ciel

Les molécules de l’atmosphère (O2 ou N2 ) renvoient dans toutes les directions la partie préférentiellement bleue de la lumière solaire. En effet, a ≈

0,1 nm, λbleu ≈

400 nm< λrouge ≈

800 nm donc a << λ.

De plus, l’intensité diffusée varie en 1 / λ4 donc Idiff ,bleu >> Idiff ,rouge

31

Diffusion de Mie: Diffusion par les pigments

Diffusion simple Diffusion multiple

La lumière diffusée dépend de la longueur d’onde, mais aussi de l’angle d’observation.

1 µm < a < 10 µm 0,4 µm < λ < 0,8 µm a > λ

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RAYONNEMENT PERCURAYONNEMENT PERCU

33

Rayonnement Perçu

• C’est la combinaison de l’émission spectrale de la source et de la réponse spectrale de l’objet qui définit le rayonnement qui parvient à notre œil.

• Le stimulus physique S(λ)=E(λ)*R(λ)E étant l’émission spectrale de la sourceR le pourcentage du rayonnement renvoyé par l’objet dans la direction de l’observateur quelque soit le mécanisme

Deux stimulus identiques devraient provoquer la même perception colorée.

+

34

- le système optique de l’œil

- image sur la rétine

- les cellules rétiniennes : cônes et bâtonnets

- l’interprétation du cerveau

Phase physique : source lumineuse + objet → signal lumineux

Phase physiologique : signal lumineux → influx nerveux

Phase cognitive : reconnaissance et analyse par le cerveau : la couleur

L’OEIL

35

Le système optique de l’œil

Puissance d’environ 60 dioptries• 40 dioptries pour la cornée• De 20 à 28 dioptries pour le cristallin selon l’accommodation•Acuité visuelle 1,5mm à 10 m environ 1’ d’angleAberrations chromatiques dues aux variations d’indice.

36

Le système optique de l’œil

L’œil est incapable de mettre au point en même temps pour le bleu et pour le rouge

37

Défauts du système optique de l’œilDéfauts géométriques de l’œil

Myope Hypermétrope

Presbyte Astigmate

38

Le système optique de l’œil• Défauts géométriques de l’œil

– Myopie– Hypermétropie– Presbytie– Astigmatisme

• Pas d’effets directs sur la vision des couleurs mais à travers la diminution de l’acuité visuelle : – diminution des contrastes – modification des couleurs pour les petites zones de champ visuel

• Cataracte– Perte de transparence du cristallin– Diffusion de la lumière essentiellement dans le bleu

39

La rétine• Couvre 200° d’angle solide• Surface de l’ordre de 900 mm²• Épaisseur de 130µm à 400 µm.• Fovéa : zone elliptique 2mm de large par 1 mm

de hauteur• Zone centrale : fovéola 200 à 300 µm de

diamètre• Deux types de photo-détecteurs : cônes et

bâtonnets

40

Organisation de la rétine

Schéma d’un photorécepteur

Coupe schématique de la rétine

41

Les photo-détecteursBâtonnets Cônes

Vision scotopique

Vision photopique

Faible intensité

Couleur

120 millions 6 à 7 millionsZone extra-

fovéaleZone fovéale

Longueur d’onde (nm)

42

Influence de la luminance

L’adaptation à la luminosité n’est pas instantanée. Elle est effectuée d’une part de façon mécanique (iris) d’autre part par adaptation de la réponse des photo-récepteurs.Réponse non linéaire (logarithmique) sur une très grande échelle (1010) En instantané réponse sur un rapport de 50 à 100 de luminanceConstante de temps d’adaptation ~ 3-5 mn cônes, 30 mn bâtonnets

43

Réponse chromatique des cônesPigmentsBâtonnets : rhodopsine Cônes : iodopsine (codage génétique différent selon le pigment)

Pigments vert et rouges génétiquement très proches.

Apparition récente (<40millions d’années). Seuls les humains et les primates de l’ancien monde sont trichromates.

Recouvrement important des réponses vert/rouge.

Jeremy Nathans, La génétique des couleurs, Pour la Science, avril 2000, p 81

44

Discrimination spectrale

cônes de la rérine 45

L ’espèce humaine (comme les singes de l’ancien monde) est trichromate.

Anomalies de la vision colorée :

- Achromatie : vision en noir et blanc seulement. Anomalie génétique rarissime, existe dans les îles Pingelap (Pacifique). Peut être due à un accident cérébral.

- Trichromates protanormaux ou deutéranormaux : modification de la longueur d’onde du maximum d’absorption des cônes rouges ou verts

- Daltonisme

Anomalies de la vision colorée

46

Réponse chromatique anormale

Jeremy Nathans, La génétique des couleurs, Pour la Science, avril 2000, p 81

47

Le Daltonisme

John Dalton 1766-1844

48

Couleurs vues par un daltonien

49

Le Daltonisme

Lignes de confusion convergeant en un centre de confusion situé hors du diagramme.Le long d’une ligne, le daltonien voit la même couleur

Le Daltonisme

51

Les Cellules Rétiniennes

120 millions de photorécepteurs

1200 000 neurones

Réduire et optimiser la quantité d’information à traiter

52

Les Cellules Horizontales

Regroupement des bâtonnets

Cellule horizontale : elle reçoit l’information des photorécepteurs éclairés situés au-dessus d’elle, mais inhibe ceux qui les entourent

⇒

augmentation du contraste entre les zones sombres et les zones claires.

53

Influence de la luminance

Bandes de Mach : renforcement des contrastes par inhibition latérale

L’impression de luminance dépend de la zone environnante

54

Cellules Horizontales• Créent une inhibition latérale permettant un rehaussement du contraste

Aux intersections, on voit apparaître une zone grise, sauf en vision axiale

55

Cellules Horizontales

56

Les Cellules Rétiniennes

Cellule bipolaire : lumière ⇒ signal positif noir ⇒ signal négatif le signal devient binaire

Cellules amacrines : connectent entre elles plusieurs cellules bipolaires, elles effectuent des « moyennes » de luminance ou de couleur.

57

Cellules Amacrines• Modification des couleurs perçues selon l’environnement.

58

Cellules amacrines

Tous les carrés rouges sont du même rouge

59

Balance des couleurs

60

Influence de la fréquence spatiale

Ce sont les mêmes teintes rouge et bleu !

61

Fréquence spatiale

62

Canaux chromatiques

• Un canal achromatique (vert+rouge) qui transmet une information de luminance

• Un canal bleu-jaune qui fournit une réponse antagoniste opposant le bleu et le jaune

• Un canal vert-rouge qui fournit une réponse antagoniste opposant le vert et le rouge

63

Traitement rétinien de l’information • Les cellules rétiniennes effectuent un considérable travail de

codage et pré-traitement de l’information détectée par les photo- récepteurs.

• Il y a 125 millions de photo-détecteurs (5 millions de cônes et 120 millions de bâtonnets) alors qu’il n’y a que 1,2 million de fibres par nerf optique.

64

Traitement cérébral Les fibres du nerf optique se croisent au chiasma optique pour se séparer

selon la partie de l’espace visuel concerné (droite - gauche) et rejoindre les deux hémisphères du cortex visuel

Chiasma optique

2 hémisphères du cortex visuel

65

Le Cortex Visuel

David Hubel(1926- )

Nobel de Médecine 1981

Chaque zone du cortex est spécialisée : couleurs, reconnaissance des formes, des visages, du mouvement, …avec de fortes interconnexions entre les zones

66

Interprétation par le cerveau

67

Interprétation par le cerveau

Les cercles du centre ont le même diamètre

Les diagonales sont toutes parallèles, les segments sont horizontaux ou verticaux

68

Interprétation par le cerveau

Les lignes sont toutes horizontales et les parties noires sont toutes des carrés

69

Interprétation par le cerveau

Le triangle blanc n’existe pas

Les cercles sont concentriques

70

Interprétation par le cerveau

71

Interprétation par le cerveau

72

Interprétation par le cerveau

Énoncer la couleur du mot et non le mot de la couleur

73

Interprétation par le cerveau

74

Influence de la Culture

75

Illusions d’optique

Pictures of Hor supplied by Nik Williams Copyright © 1996 Nik Williams and the Swansea Museum.

76

Mouvements apparents

77

78

Comment mesurer une couleur ?Perception de la couleur par un observateur

• Quantité de lumière reçue par l ’œil Source Lumineuse

Stimulus physique Nature de l ’objet R(lambda)

• L ’œil récepteur de lumière Cônes, bâtonnets

Stimulus physiologique Défauts de l ’œil Luminosité

• Le cerveau : interprétation

Interprétation psychologique

Intérêt de la mesure colorimétrique• Nécessité industrielle• Langage identique• Normalisation par la CIE• Nombreuses normes disponibles• Définition des illuminants standards• Méthodes de mesures de couleur normalisées

79

Comment chiffrer une couleur ?

Système colorimétrique

Spectre d’une source modèle : l’illuminant

Spectre de réflectance de l’objet

Spectre de réponse d’un œil standard

Couleur = source lumineuse x objet x œil

80

Systèmes de Mesure

principes de colorimétrie 81

2 rayonnements sont équivalents (ou métamères) lorsqu’ ils produisent des sensations identiques sur un observateur « normal ».

C1 ≡

C2 mais C1 (λ) ≠

C2 (λ)

Exemple de 2 rayonnements métamères donnant une sensation jaune :

C1 (λ)

λ(nm)573

C2 (λ)

λ(nm)520 650jaune vert rouge

Les couleurs métamères

principe de colorimétrie 82

Maxwell : Montre qu’avec 3 sources bleu, vert et rouge on peur reproduire toutes les couleurs

Grassmann : première loi de colorimétrie ou postulat de trivariance visuelle

N’importe quelle couleur C peut être créée par le mélange de 3 couleurs primaires P1 , P2 , P3 .

C = A1 P1 + A2 P2 + A3 P3

Même sensation

Trivariance visuelle

Hermann Grassmann (1809-1877)

James Clerck Maxwell (1831-1979)

83

Synthèse additive des couleurs

C = A1 P1 + A2 P2 + A3 P3

Addition des flux lumineux

Choix de R, V, B : couleurs primaires

Jaune, Magenta, Cyan : couleurs secondaires

Couleurs complémentaires : 2 couleurs qui peuvent donner du blanc (jaune + bleu, magenta + vert, cyan + rouge)

Exemple: l’écran vidéo, le pointillisme

synthèse des couleurs 84

Port-en-Bessin, l’avant port, marée haute - Georges Seurat - synthèse additive ou fusion optique

synthèse des couleurs 85

Synthèse soustractive des couleurs

Observation par réflexion :

Observation par transmission :

Exemple : diapositives

Pigments jaunes (absorbant le bleu)

Lumière incidente blanche Lumière

réfléchie jaune

Exemple : mélange de pigments

Lumière incidente blanche

Filtre jaune, absorbant le

bleu

Lumière transmise jaune

synthèse des couleurs 86

Couleurs primaires : Jaune, Magenta, Cyan

Couleurs secondaires : Rouge, Vert, Bleu

Couleurs complémentaires : 2 couleurs qui peuvent donner du noir (jaune + bleu, magenta + vert, cyan + rouge)

Synthèse soustractive des couleurs

systèmes 87

Les espaces vectoriels de couleur à 3 dimensions

Les 3 couleurs primaires forment la base de l’espace, pour un système colorimétrique (P1 , P2 , P3 , blanc) donné.

Principe : une couleur C (et tous ses métamères) est représentée par un vecteur OC

Les 3 composantes du vecteur OC sont les composantes trichromatiques T1 , T2 , T3 de la couleur C.

P1 P2

P3O

C

T1

T2

T3)()(

blancLCLT

1

11 =

où L1 = luminance de la primaire P1

88

Espace colorimétrique

systèmes 89

Système colorimétrique

Spectre d’une source théorique : l’illuminant

Spectre de réflectance de l’objet

Spectre de réponse d’un œil standard

Couleur = source lumineuse x objet x œil

3 courbes de réponse spectrales de l’observateur standard aux 3 primaires, définies :

par la CIE 1931 (sous 2°)

ou la CIE 1964 (sous 10°)

Choix des 3

primaires

Illuminants définis par la CIE :

A : éclairage intérieur à incandescence

B : lumière directe du soleil

D65 : lumière du jour moyenne

systèmes 90

Système RVB défini par la CIE 1931

3 primaires : R,V, B définies par les composantes trichromatiques spectrales :

C(λ)

λ

Couleur C

+

Composantes trichromatiques de C :

∫= λλλ dCrR )()(

∫= λλλ dCvV )()(

∫= λλλ dCbB )()(

⇒

systèmes 91

DIAGRAMME XYZSystème XYZ ou xy Y

( ) ( )( ) ( )( ) ( ) λλλ

λλλ

λλλ

dzEZ

dyEY

dxEX

∫∫∫

=

=

=

ZYXZz

ZYXYy

++=

++=

++=

ZYXXx

546 nm

700 nm

436 nm

Système RGBDe la CIE (1931)

Système NTSCNormes FCC

Système SECAMNormes UER

Diagramme L*,a*,b*

L* = clarté

a* = axe vert - rouge

b* = axe bleu - jaune

C = chroma ou saturation=

h = angle de teinte = arctan b*/a*

)**( 22 ba +

94

b*

a*vert rouge

jaune

bleu

x

hO

M

x Nx P

M et N ont la même teinte, mais N est plus saturé que M

M et P ont la même saturation, mais n’ont pas la même teinte

L’écart de couleur est défini par ΔE = √(Δ

L*2+Δa*2+ Δ

b*2)

Il est en moyenne imperceptible à l’œil si ΔE < 2.

Diagramme L*,a*,b*

95

Système L*,u*,v*

96

Système de Munsell (artiste - peintre)Approche visuelle

Albert H. Munsell (début du 20ème siècle) : classement systématique dans un réseau cylindrique selon la teinte (hue), la luminosité (value) et la saturation (chroma).

Atlas de Munsell

Coupes d’iso-teinte de l’atlas

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Impression des couleursProblèmes de reproduction des couleurs

Le système RVB (synthèse additive) utilisé sur les écrans

Le système CMJN (synthèse soustractive, superposition d’encres Cyan, Magenta, Jaune et Noir) utilisé en imprimerie

⇒ Certaines couleurs sont non affichables ou non imprimables

98

Conclusion