Chaîne couleur, ondes et lumière

Cette publication est la première d'une série dont l'objectif est de fournir de façon exhaustive des éléments théoriques et pratiques sur la couleur et la gestion de la chaîne couleur sur un micro ordinateur dans le but d’améliorer la maîtrise du photographe expert ou professionnel sur cet aspect fondamental de la photographie.

Article après article, les points suivants seront abordés :

• Une présentation synthétique de la théorie sur les ondes, sur le spectre électromagnétique et sur la perception de la lumière et des couleurs.
• Une description des composantes et des constituants qui permettent de former une chaîne de gestion de la couleur sur un micro ordinateur.
• Des tutoriels sur le calibrage, l’étalonnage et la publication de fichiers photos couleurs.

Cette première partie couvre la partie théorique sur les ondes et sur le fonctionnement de l'oeil.

1ère partie

théorie sur les ondes

Qu’est-ce que la couleur ?

C’est Isaac Newton qui publie une première théorie des couleurs en 1672. En faisant passer un faisceau de lumière du jour au travers de prismes il met en évidence qu’ elle est composée de 7 couleurs dont 5 qualifiées de monochromatiques. D’autres grands noms de la science comme W. von Goethe, M.-E. Chevreul, J. C. Maxwell (pour ne citer qu’eux) ont ensuite contribué à l’histoire des couleurs.

En fait, la couleur tout comme le son n’existent pas en tant que tels, c’est notre vue et notre ouïe qui perçoivent des «signaux» et les transforment en impulsions électriques pour les transmettre au cerveau qui se charge alors d’en faire une représentation «intellectuelle» : le bruit et les couleurs. Toutes les couleurs que nos yeux perçoivent sont donc l’interprétation d’une partie du spectre électromagnétique : les ondes.

Qu’est-ce qu’une onde ?

Il s’agit d’une perturbation qui se propage sans toutefois transporter de matière, c’est de l’énergie. Il existe deux types de propagation d’une onde :

• La propagation perpendiculaire à l’émetteur (un caillou jeté dans l’eau se déplace de haut en bas et génère une onde concentrique se déplaçant horizontalement à la surface de l’eau).
• La propagation longitudinale, à l’instar des ondes sonores émises par un haut-parleur.

On classe les ondes en deux familles :

• Les ondes mécaniques qui ont besoin d’un milieu pour se propager, par exemple le son utilise l’air (à l’exception des tuyères du TIE de l’Empire Galactique qui font du bruit même dans le vide intersidéral).
• Il y a aussi les ondes électromagnétiques qui se propagent avec ou sans milieu matériel) comme les ondes radio, les rayons X ou… La lumière !

Une onde se propage par un mouvement ondulatoire périodique, elle se définit par sa vitesse, sa longueur et sa fréquence à l’aide des plusieurs grandeurs :

• A (mètre) – L’amplitude qui est la distance maximum que l’onde atteint depuis le point d’origine, sa «taille» en quelque sorte.
• f (Hertz) – la fréquence, c’est à dire le nombre de fois qu’elle se produit pendant une durée définie.
• T (seconde) – la période, c’est le temps écoulé entre le moment ou l’onde commence et celui ou elle finit. Autrement dit, le temps pris pour reproduire le phénomène pareil à lui même.
• c (3x108 ms) – la célérité est la vitesse de propagation de l’onde qui est variable suivant le milieu qu’elle traverse (air, eau, gaz, solide, etc.). Pour les ondes électromagnétiques on utilise une vitesse constante : celle de la lumière.
• λ (mètre) – la longueur lambda d’une l’onde, c’est la mesure spatiale entre le moment ou l’onde commence et celui ou elle finit. Autrement dit, la distance entre deux productions du phénomène pareil à lui même.

  

Quelques formules simples pour aider à comprendre :

• Durant une seconde, plus l’onde se répète, plus courte est sa période : si elle se répète 10 fois par seconde alors sa période est de 1/10e de seconde, du coup : T = 1 / f
• En marchant à 5km/h, en 1h on fait… 5km ! Une longueur peut être la résultante calculée d’une vitesse dans le temps ; il en va de même pour une onde donc : λ = c * T
• Par remplacement : λ = c * 1 / f c’est à dire λ = c / f. Comme c est constante, la longueur de l’onde est uniquement fonction de la fréquence, simple non ?

Et la couleur dans tout cela ? Et bien le cerveau nous restitue toujours une couleur identique pour un même λ perçu par l’œil. Évidemment cela tient du domaine de la théorie puisque tout comme les emm*, les ondes arrivent rarement seules mais plutôt en rafale se combinant les unes aux autres. Ce site web (en anglais) offre une représentation graphique d’une onde et la possibilité de faire varier dynamiquement sa longueur et sa fréquence.

Le spectre électromagnétique

Les ondes peuvent avoir n’importe quelle longueur de (presque) zéro à l’infini. Un découpage par plage de longueur avec un nommage a été réalisé depuis 1 femto mètre (10-15m) jusqu’à 1 kilomètre (103m).

La perception visuelle humaine ne peut capter qu’une toute petite plage située entre 350 et 750nm environ, elle est appelé le spectre lumineux. L’onde lumineuse peut être simple autrement dit monochromatique, (on parle alors d’une couleur pure). Elle peut également être la résultante de plusieurs ondes qui se combinent, à l’instar de la lumière du jour comme Isaac Newton a pu le mettre en évidence à l’aide d’un prisme. Cette propriété est utilisée en informatique pour transporter plusieurs réseaux de données sur une unique fibre quand les coûts pour installer des fibres optiques supplémentaires est supérieur au prix du matériel de multiplexage optique (une liaison transatlantique par exemple).

2ème partie

la perception des ondes

Comment captons-nous le spectre lumineux ?

La première étape dans la perception des couleurs se situe au niveau de l’œil.

Derrière la cornée qui sert de lentille, se trouve un organe – la rétine – qui est composée d’environ 125 millions de photo-récepteurs dont à peu près 95 % sont des «bâtonnets» et 5% des «cônes».

• Les bâtonnets (en gris) mesurent l'amplitude des ondes, c'est à dire le caractère clair ou sombre des couleurs, ils sont localisés en périphérie de la rétine.
• Les cônes, situés dans la macula au centre de la rétine, sont des récepteurs qui captent trois plages de longueurs d'ondes (λ) que nous interprétons ensuite par une couleur : Le Rouge, le Vert et le Bleu.

L’œil humain est donc trichromatique. Beaucoup de mammifères ont une vision dichromatique ; rien à voir avec le noir et blanc qui se rapporte plutôt à la perception de l’intensité lumineuse mesurée par les bâtonnets, par exemple un chien perçoit du vert et du bleu. Certains oiseaux ont une vision quadri-chromatique, il captent donc des ondes qui nous sont inaccessibles comme les ultra-violets.

Dernière étape dans la perception des ondes : les photo-récepteurs convertissent les informations captées en impulsions électriques et les transmettent au cerveau par le nerf optique.

Des informations très complètes sur la vision humaine peuvent être consultées sur le site web de wikipedia.

Perception de la lumière et intéraction avec la matière

Un objet n’a pas de couleur propre et l’œil capte différemment la lumière qu’il réfléchit selon la manière dont il est éclairé et selon ses propriétés intrinsèques (brillant, mat, liquide, solide, opaque, etc.). Un objet «entièrement» noir absorbe donc tous les λ du spectre visible.

Plaçons nous dans la situation, d’un solide qui serait perçu comme ayant une couleur bleu 100 % pur quand on le regarde à la lumière du jour :

Cet objet aurait donc la caractéristique d’absorber les λ visibles sauf celui que le cerveau interprète par du bleu, l’œil ne capterait alors qu’une unique onde monochromatique par les cônes «S». Cette situation est théorique, les couleurs de la vie de tous les jours n’étant jamais parfaitement pures.

L'interaction est plus complexe dans la réalité car un solide ne fait pas que réfléchir la lumière, il peut aussi la diffuser ou l'absorber ou simplement la transmettre telle quelle. En général les quatre phénomènes (transmission, réflexion, diffusion, absorption) coexistent avec une importance différente selon la longueur d’onde du rayonnement incident : c’est cela qui est à l’origine de l’aspect, y compris de la couleur, des objets.

On aussi peut se poser la question de savoir si nous percevons tous la même couleur quand on regarde le même objet ? Et bien non car par exemple, la densité des cônes «M» par rapport aux cônes «L» varient fortement d’un individu à l’autre ; mais comme in fine la couleur est une interprétation cérébrale, l’important est que tous les observateurs s’accordent sur le fait que ce qu’ils voient «est semblable».

Autre point intéressant, nous percevons une couleur à l’identique quelque soit la plage spectrale de la source d’éclairage car le cerveau «corrige» automatiquement l’interprétation de la teinte (ex : un objet perçu blanc à la lumière du jour reste perçu blanc à la lueur d’une bougie).

La sensibilité spectrale de l’œil humain

Comme exposé précédemment, la rétine se compose de deux familles de photo-récepteurs :

• Les bâtonnets, largement majoritaires, mesurent l'amplitude des ondes, c'est à dire le caractère clair ou sombre des couleurs.
• Les cônes sont des récepteurs qui identifient une plage de longueurs d’onde, ils se répartissent en 3 types :
  • Les cônes «S» pour «Short» captent les ondes de 380nm à 450nm que nous percevons comme étant du bleu.
  • Les cônes «M» pour «Medium» captent les ondes de 450nm à 680nm que nous percevons comme étant du vert.
  • Les cônes «L» pour «Long» captent les ondes de 480nm à 4700nm que nous percevons comme étant du rouge.

Les cônes répondent à l’excitation selon une courbe. Une onde de 440 nm n’excite que les cônes «S» donnant une perception de bleu et une onde de 600nm excite les cônes «M» et «L» donnant une perception de rouge . La meilleure réponse que peut donner l’œil se situe autour de 550nm.

Ainsi s'achève cette partie théorique sur le thème des ondes et de la perception de la couleur. Le prochain article porte sur la représentation et les modèles des couleurs.

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