Chaine couleur, la fidélité des couleurs

Cet article est le 3e opus d'une série d'articles sur la chaine couleur, il suit deux précédentes publications :

• Les ondes et la lumière.
• La vue et des couleurs.

4ème partie

la restitution fidèle des couleurs

Système de gestion des couleurs

Sauf à utiliser du matériel de laboratoire très sophistiqué et onéreux, les captures ou la restitution d’images que nous pouvons faire avec les appareils standards disponibles sur le marché sont imparfaites. Par exemple, on photographie un gris moyen (128, 128, 128) mais le capteur «perçoit» et stocke un gris de valeur (128, 138, 126). À son tour, le moniteur (dont ses réglages usine sont pllutôt prévus pour la bureautique que pour le traitement photo aggrave la situation et (128, 138, 126) devient une couleur affichée qui serait mesurée (126, 138, 153) par une sonde colorimétrique. Pour corriger la dérive, on pourrait créer un fichier contenant une table de correction de valeurs entre cet apn et ce moniteur pour ainsi conserver la fidélité des couleurs (c’est d’ailleurs ce qui se pratique sur les matériels offset haut de gamme). L’inconvénient est qu’à chaque fois que l’on ajoute ou que l’on change un composant de la chaîne, il faudrait recréer des fichiers de correction. Transposé à l’échelle de l’offre pléthorique des apn, moniteurs et imprimantes sur le marché, ce serait proprement ingérable.

Pour cette raison, l’«International Color Consorsium» (ICC) a été fondé (entre autre) par : Adobe, Agfa-Gevaert, Apple, Kodak, Microsoft, SGI, Sun pour normaliser l’écart des caractéristiques colorimétriques d'un matériel donné (moniteur, scanner, APN) non pas envers un autre mais en comparaison avec un référentiel indépendant réputé sans défaut qui est le passage obligé lors du transfert de l'image d'un périphérique à un autre, le CMS :

L’image "circule" accompagnée d’un fichier ICC source ou destination et permet ainsi de conserver une acquisition et/ou une restitution fidèle des couleurs. Au coeur du système le «Color Management Système» joue le rôle de chef d’orchestre. Tous les OS modernes embarquent leur propre CMS mais des CMS indépendants sont également disponibles comme «Argyll» qui, combiné au GUI «DisplayCAL», forme un binôme logiciel libre, gratuit, multi-OS avec de nombreuses possibilités supplémentaires comparé aux CMS de base.

Un fichier de profil ICC est constitué de  3 parties :

•  De multiples entêtes au format fixe, par exemple:
  • "CMM" qui détaille le "moteur" de conversion (Apple, Kodak, Adobe, etc.)
  • "Profile" qui identifie l'une des 7x sources (mntr, scnr, prtr, link, spac, abst, nmcl)
  • Espace colorimétrique (RGB, CMYK) et PCS (XYZ ou Lab)
• Un nombre variable de Tags <Public Obligatoire> / <Public Optionnel> ou <Privé> qui décrivent le contexte et le modèle de périphérique
• Des informations complémentaires pour chaque Tag

  Deux versions cohabitent : v2 et v4 (peu usitée). Sur le site de l’ICC une page permet de vérifier quel profil ICC quelle version est gérée par son OS.

Contraste de l'image

Les appareils captent les données lumineuses linéairement (en raison de limitations dans la conception du matériel) alors que les formats JPEG, TIFF et PNG encodent leur données selon une courbe logarithmique, ce qui signifie qu'ils attribuent plus de valeurs dans les ombres et moins dans les hautes lumières, cela correspond mieux à la sensibilité de l’œil dont la courbe de réponse n'est pas linéaire : il est moins sensible aux variations dans les hautes lumières pour ne pas être aveuglé. Les images encodées avec ce facteur γ (gamma) stockent les valeurs tonales plus efficacement car plus de valeurs sont attribuées au zones sombres. Le fichier RAW n'enregistre que les valeurs de luminaison captées au déclenchement, le γ sera appliqué à postériori dans le logiciel de traitement. Sur l'équipement d'acquisition (APN, caméra), une correction inverse du facteur gamma est appliquée (1/γ). Lois de la physique montre qu'une luminosité émise en sortie n'est pas proportionnelle à la tension électrique appliquée en entrée. Par exemple pour un voltage de 50% la luminosité résultante n'est que de 18% (la correction de gamma joue surtout sur la perception des gris, étant donné que le blanc et le noir ne varient pas).

Si la courbe gamma est de forme hyperbolique sur les moniteurs CRT, elle se complexifie aux extrémités sur les écrans plats. De ce fait un étalonnage précis avec une sonde colorimétrique est requis pour obtenir un rendu fidèle.

Dynamique de l'image

La dynamique d’une image se mesure en Indice de Luminaison (IL) ou «f-stop». Pour des raisons historique, l’IL indique l’augmentation du diamètre de l’ouverture du diaphragme pour que la quantité de lumière admise double :

• Pour une ouverture de 1 de diamètre, la suface du «trou» est πxR²=3.14
• Doubler la lumière = doubler la surface ouverte = 6.28 donc R=√(6.28/π)= √2= 1.4
• Les pas d'ouverture progressent de √2 : 1.4x√2= 2.8x√2= 4x√2= 5.6, etc.

 L'APN utilise un posemètre intégré pour régler l'exposition sur la base d'un gris moyen de 18%. Ce pourcentage correspond à la moyenne géométrique des maximum (neige=95%) et minimum (suie=3.5%) de la reflexion de la lumière observée dans l'environnement : √(0.95x0.035)=0.18. C'est aussi cette valeur qui est utilisée par les chartes de gris avec le γ "historique" des tubes cathodiques à 2.5, le gris moyen perçu de 50%= 0.18^1/2.5.

A l'instant où la photo est prise, l’APN déclenche plusieurs processus :

• La lumière entrante est mesurée et stockée par le capteur et les informations EXIF concernant les profils d’exposition et de couleur ICC de l'APN sont ajoutées.
• L’ensemble est stocké dans un fichier brut (RAW) et un développement jpeg est réalisé sur la base des profils du boîtier. Le fichier obtenu est affiché sur l’écran de l’APN et (pour la plupart des constructeurs) stocké dans le fichier RAW.
• Si le format configuré est «RAW» le fichier est écrit sur la carte flash sinon c'est le jpeg qui est stocké à la place et le RAW est effacé.

Conversion d'espaces colorimétriques

Lors d'une conversion d’espace de couleur, il est nécessaire d'indiquer comment doivent être traitées les couleurs hors gamut. Différent rendus sont possibles :

• Perceptuel : c'est le "chausse-pied", les écarts entre les graduations sont conservés par compression ou expansion du gamut. C'est le rendu classique d'un grand gamut vers un petit (RGB->CMJN)
• Colorimétrie relative : le point blanc du media actuel est ajusté sur celui de l'illuminant de référence et la carte de couleur est translatée de manière équivalente
• Saturation : Même principe que pour le rendu perceptuel mais avec un accent sur les couleurs vives. Idéal pour conserver un côté "flashy" (au détriment de la fidélité)
• Colorimétrie absolue : Les couleurs hors-gamut ne sont pas prise en compte. Ce mode est prévu pour simuler un épreuve offset sur une imprimante jet d'encre par exemple.

5ème partie

informations complémentaires

Dématriçage du RAW et profil d'exposition

Les algorithmes de dématriçage des fabriquants ne sont pas publics, pas plus que les profils d’exposition. Certains RAW font l’objet de reverse engineering (ex: CR2 pour Magic Lantern).  Un jpeg similaire à celui du boitier ne peut donc être obtenu que par imitation et non par reproduction directe. Néanmoins les constructeurs «s’inspirent» des algorithmes de dématriçage publics donc in fine les résultats sont similaires.

Le format DNG

C’est un format créé par Adobe^® et utilisé nativement par certains boîtiers comme Pentax, Ricoh ou Leica et se veux une tentative de standardisation du RAW, il est basée sur le format TIFF. Ses spécifications sont ouvertes mais non libres. L'utilisation est gratuite (mais peu répandue). Le Digital Negative est également utilisé pour générer des profils couleurs DCP qui possèdent sur ICC l'avantage d’intégrer deux illuminants ("StdA" et "Dxx").

Il est possible de convertir un fichier RAW au format DNG en utilisant l'utilitaire ad hoc (mais pas l’inverse), il est également possible d'intégrer l'intégralité du fichier RAW dans le DNG qui devient alors une sorte de conteneur (gare à la taille !).

Le format des fichiers images

Chaque couleur primaire est codée par une combinaison de 8 bits (un octet) pour stocker 256 nuances possibles. La combinaison des trois primaires (24 bits) permet de restituer 16'777'216 nuances au total, soit environ le double de l'oeil humain le plus exercé. Le format RAW autorise une «profondeur» plus importante, jusqu’à 16 bits mais ce n'est pas un format image.

Les LUT

La «Lookup Table» est une matrice de conversion de valeurs d’entrée vers des valeurs de sortie. Elle évite le calcul (telles nos tables de multiplication apprises à l'école). Le LUT 1D s’applique plutôt au Gamma (.lut). Le LUT 3D agit sur la teinte, la saturation et le contraste (.cube). La LUT est utilisée de deux manières

• Créative pour appliquer des effets spéciaux ou des modifications colorimétriques en temps réel (vidéo).
• Technique pour procéder à des des changement d’espace colorimétrique par exemple.

La balance des blancs (avancée)

Certains APN permettent d’équilibrer la WB «sur le terrain» :

• Photographier une charte de gris neutre ou un objet standard blanc
• Caler la WB personnalisée en sélectionnant le cliché depuis le menu ad hoc
• Sur le panneau LCD, choisir le pictogramme désignant la fonction.

Sur un modèle Canon par exemple, il est possible de corriger la WB en décalant le point blanc vers l'Ambre, le Vert, le Magenta ou le Bleu. Utile pour du shooting jpeg en présence de sources lumineuses multiples ayant des températures différentes. On peut également «bracketer» la WB avec une correction colorimétrique pour «assurer le coup». Ces menus sont utiles lors de shooting qui requierent un souci de fidélité colorimétrique extrême ne pouvant être évalué à postériori comme par exemple le shooting de pièces de collection historiques (tableaux, timbres, vêtements, enluminures, etc).

Cette article sur la gestion informatique de la fidélité des couleurs clot cette troisième publication. Le prochain article mettra le focus sur des tutoriels de calibrage avec des outils gratuits et multi-OS.

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