La restitution des images sur ordinateur

Restitution des images : de l'oeil à l'écran (II)

L'affichage d'un point image élémentaire ou pixel d'un écran est le résultat du mélange des couleurs primaires (R, G, B) émises par trois phosphores, bleu, vert et rouge sous l'effet d'un signal vidéo modulé contenant deux types d'information : la luminance et la chromacité.

Mais combien de couleurs et quelle intensité lumineuse faut-il afficher sur un écran pour reproduire la vision naturelle ? Certains auteurs avancent qu'un oeil excercé comme celui d'un peintre ou d'un photographe serait capable de distinguer 8 millions de couleurs. On cite même le nombre de 16.7 millions de couleurs par référence à l'espace chromatique géré par les cartes graphiques (24 bits/pixels).

Dans un test de couleurs où des filtres différemment colorés sont mélangés sur une table lumineuse, chacun de nous peut facilement trier un bon milliers de couleurs et on estime qu'avec un peu d'habitude on peut trier une gamme contenant entre 5 et 10000 tonalités différentes. Cela représente plus de 100 fois le nombre d'angströms qu'il y a dans le spectre visible ! Cette comparaison n'est pas significative en soi mais nous permet de mieux saisir toute l'étendue du spectre visuel, ou plus exactement de sa sensibilité.

Nous percevons effectivement des millions de couleurs car nous distinguons également leur degré de saturation et leur niveau de luminance (leur intensité lumineuse) qui ajoutent tout un nuancier à la gamme de couleurs pures.

L'oeil ne perçoit pas les couleurs comme les ont définies (calculées) les mathématiciens. En effet, la tolérance de l'oeil humain s'applique à la gamme de gris mais pas entre des couleurs saturées de même luminance.

Perception des couleurs : tout dans la nuance

Dans certains articles de vulgarisation, on peut notamment lire que l'oeil moyen perçoit environ 200 niveaux de gris et autant de nuances des couleurs primaires. Cette assertion est toute théorique et assez imprécise.

En réalité, il serait plus exact de dire que pour un état d'adaptation donné, l'oeil humain est capable de distinguer une gamme dynamique qui s'étend grosso-modo entre une petite centaine et quelques milliers de nuances. Traduits en niveaux de gris, on obtient des valeurs supérieures à 256, qui correspond en "équivalent bits de niveaux de gris" à des valeurs qui oscillent entre 8 et 10 bits/couleur (24 à 30 bits/pixel).

C'est pour cette raison et différentes considérations techniques (conversion des espaces colorimétriques, augmentation du contraste des écrans, possibilités de zoom, etc) que les fabricants proposent des écrans gérant 8 bits/couleur en standard mais également des modèles haut de gamme pour la PAO et l'imagerie offrant 10 ou 12 bits/couleurs, parfois même davantage (16 bits/couleur soit 48 bits/pixel chez BrightSide, etc).

Par coïncidence, la courbe de réponse de l'oeil est pratiquement l'inverse de la courbe du gamma des écrans cathodiques. Cela se manifeste concrètement par le fait qu'un changement linéaire du signal d'entrée d'un écran sera perçu comme un changement linéaire de luminance, mais n'affectera pas les couleurs de même saturation. Cet effet touchera donc uniquement les changements de brillance. On en reparlera dans le prochain chapitre.

La manière dont nous percevons les changements de couleurs (tonalité et saturation) est en revanche nettement plus complexe et, dans un écran, les canaux RGB individuels ne contribuent pas également à la représentation du sujet.

Les variations de courbe de réponse des écrans varient en fonction de leur technologie, ce qui affecte le nombre de bits par couleur nécessaire pour restituer une "bonne" image à l'écran (cf plus loin).

Ainsi, certains écrans tel le LaCie 321 présenté à gauche affiche un contraste de 500:1 et assure une correction des couleurs sur 10 bits. Malgré un niveau de contraste modéré, il présente des performances supérieures à des modèles concurrents présentant un contraste deux fois supérieur et travaillant avec 12 bits/couleur ! Cela s'explique par la technologie utilisée qui fait toute la différence.

Mais vous me direz que si nous ne percevons qu'environ 256 nuances dans chaque couleur primaire, comment dès lors peut-on en voir des millions ? N'oublions pas qu'un écran travaille avec les trois couleurs primaires combinées, c'est-à-dire 256 x 256 x 256 nuances. Cela nous donne bien la gamme de ~16.7 millions de couleurs évoquée précédemment. Mais une fois encore, c'est une valeur théorique de référence, des spécifications que tout oeil ou carte graphique (plutôt ancienne) n'est pas toujours capable de gérer.

Les espaces colorimétriques de référence

L'espace CIE RGB (1931)

Nous savons tous qu'il est difficile de déterminer la couleur d'un objet de manière objective. Encore plus de les qualifier d'un nom. Que représente par exemple la couleur "sable" pour un habitant des Maldives (blanc) et d'une île volcanique (noir) ? Première difficulté : s'accorder sur des étalons de couleurs. Vient ensuite leur représentation sous différents éclairages et sur différents supports. Ensemble, ces trois facteurs conditionnent l'aspect visuel d'une couleur. Comment normaliser ce nuancier ?

Afin de pouvoir définir une couleur de manière objective, sans référence à l'éclairage et indépendamment des périphériques utilisés, en 1931 la Commission Internationale de l'Éclairage (CIE) a déterminé des critères physiques et psychométriques décrits précédemment pour définir l'oeil d'un "observateur moyen standard". Ces travaux furent basés sur différentes études réalisées notamment par le professeur Albert H.Munsell (1905), David Wright (1928), John Guild et D.L. MacAdam (1931). Ce catalogue donna naissance au modèle ou espace colorimétrique CIE RGB.

L'objectif de l'espace CIE est multiple et ambitieux :

- créer un espace de couleurs afin de représenter toute lumière ou couleur

- tenir compte de la réponse logarithmique de l'oeil et linéariser la perception des couleurs (luminance et chromacité)

- pouvoir représenter ces données dans un espace tridimensionnel positif

- obtenir une représentation des tonalités équilibrée (si un point quelconque X=Y=Z, il doit présenter une tonalité grise).

- la composante Y doit définir l'énergie lumineuse maximale de la lumière (sa luminance)

- tenir compte de la tolérance de l'oeil (concept d'ellipse de MacAdam où deux couleurs proches sont indifférenciables)

- deux profils XYZ différents doivent correspondre à deux couleurs visuelles différentes (pas de métamérisme)

- Enfin, on doit convertir les paramètres de l'espace XYZ en toute autre espace colorimétrique.

De manière plus explicite, l'espace CIE est un modèle mathématique basé sur la combinaison des couleurs primaires qui tient compte de la luminance et dans lequel les couleurs sont distribuées dans un espace tridimensionnel. C'est en fait une palette théorique représentant la totalité des couleurs existantes, ou presque. On appelle ce type de représentation un gamut de couleurs.

Si les couleurs ne portent plus de nom en théorie, comment définit-on les coordonnées d'une couleur dans un tel modèle ? Tout point de l'espace CIE obéit à des règles qui opèrent sur des quantités relatives. Par exemple, un point (x, y, z) obéit aux équations suivantes : x = X/(X+Y+Z), y = Y/(X+Y+Z) et z = Z/(X+Y+Z), la somme x+y+z = 1. La paire (x,y) définit la couleur, sa luminance z valant (1-x-y). Cette convention n'est bien sûr valable que pour l'espace CIE et chaque espace définit ses propres règles de calcul.

Ainsi qu'on le constate, cet espace est un outil de calcul et comme tout modèle il présente des limites et des inconvénients.

Premier inconvénient, le codage des couleurs ne permet pas d’avoir une précision infinie et donc un nuancier aussi précis que celui existant dans la nature. Concrètement la précision va dépendre de la métrique du modèle (des distances entre couleurs) et de l'architecture des microprocesseurs (8 ou 24 bits/pixel, format fixe ou en virgule flottante, simple ou double précision, etc).

Son deuxième inconvénient est de ne pas être uniforme. L'espace CIE est déformé. Cela signifie que les variations de tonalité ne sont pas linéaires; un petit écart dans l'espace chromatique peut donner lieu à une grande variation de nuance visuelle. C'est notamment le cas si vous comparez les distances qui séparent des tonalités saturées comme le vert, le bleu ou le rouge.

Troisième inconvénient, rien ne garantit qu'une transformation dans un autre système de coordonnées (espace) ne produira pas de valeurs négatives. Dans ce cas, le système ne pourra jamais reproduire cette couleur avec précision car elle tombera en dehors de l'espace de destination. Ainsi, le rouge d'un poivron peut très bien se transformer en sa couleur complémentaire dans un autre espace de couleurs !

Ce modèle a donc été perfectionné et décliné en plus de 20 versions parmi lesquelles les espaces CIE XYZ, CIE xyY, LUV, RGB, TSL, L*a*b, etc.

Ces modèles sont tous basés sur les couleurs primaires, soit RGB soit CMY ou encore CMYK notamment. Certains offrent une palette de couleurs très réduite (l'espace RAL par exemple utilisé en peinture ne dispose que d'environ 1900 couleurs), les plus complets représentant plusieurs millions de couleurs. Voyons les caractéristiques des principaux d'entre eux.

L'espace CIE XYZ

Honneur au pionnier. Cet acronyme barbare fait simplement référence aux systèmes d'axes utilisés dans la représentation. L'espace colorimétrique CIE XYZ caractérise une couleur en fonction de deux composantes X et Z perpendiculaires représentant la chromacité (tonalité et saturation) et d'une composante Y perpendiculaire aux autres axes qui représente la luminance (clarté), l'ensemble définissant une couleur.

Ainsi dans l'espace CIE XYZ, en tenant compte des normes D65 et CIE Rec.709, la couleur bleue a pour coordonnées standards :  X=0.150, Y=0.060, Z=0.790.

Les variations d'amplitudes dans l'espace XYZ sont proportionnelles à l’énergie dégagée par la couleur (sa longueur d'onde) mais elles sont affectées d'un biais lié au profil spectral déterminé à partir des valeurs psychométriques de la vision humaine.

Concrètement, en fonction de l'éclairage, nous savons qu'une couleur peut être perçue sous deux tonalités différentes, c'est ce qu'on appelle le métamérisme. Dans l'espace CIE XYZ, ces deux profils spectraux ont les mêmes coordonnées ! Il n'est donc pas conforme à la réalité malgré le respect des normes.

L'espace CIE xyY

Pour corriger le modèle CIE XYZ, la même année les chercheurs ont développé l'espace CIE xyY. Il corrige le problème de métamérisme et ne travaille plus qu'en deux dimensions. La composante Y représente toujours la luminance mais une couleur est cette fois définie par le couple de coordonnées (x, y) qui représente sa chromacité. On évite de cette manière d'associer une luminance à la couleur. L'exemple le plus frappant est l'orange : à mesure qu'on réduit sa luminance, il se transforme en brun...

Ce modèle offre l'avantage de pouvoir définir aisément les couleurs dites pures, saturées qui se trouvent en périphérie du diagramme.

La ligne fermant le diagramme, reliant les composantes bleues à 420 nm et rouge à 680 nm est naturellement appelée la ligne ou "droite des pourpres". Elle concerne des couleurs dites "non spectrales", comme il existe des couleurs complémentaires centrées diamétralement autour du "point blanc".

A côté de ces modèles standards, certains périphériques comme les écrans ou les imprimantes ont choisi de travailler avec d'autres espaces colorimétriques... standards, bien que la plupart supportent plusieurs espaces, concurrence oblige.

L'espace RGB

L'une des méthodes les plus simples pour constituer un espace de couleurs est de se baser sur les couleurs primaires RGB, la synthèse additive bien connue des peintres et des photographes. D'un point de vue théorique, il suffit de combiner une fraction de chaque composante XYZ des couleurs pures, la luminance maximale étant définie par le point blanc.

Inconvénient, ainsi que le montre le diagramme présenté à gauche, l'espace colorimétrique ainsi formé est nettement plus réduit et s'inscrit dans les couleurs peu saturées du gamut de l'espace théorique : il forme un triangle délimité par les sommets des trois couleurs primaires. On perd donc en saturation dans toutes les couleurs.

Plus ennuyeux encore, si la conversion des coordonnées XYZ en RGB ou inversement se réalise par une simple matrice dite tristimulus, même en respectant les normes D65 et Rec.709, on obtient des matrices de nombres dont les coefficients sont négatifs. Concrètement cela se traduit par des nuances qui tombent nécessairement en dehors de l'espace RGB. En d'autres termes elles ne sont pas directement visibles à l'écran ni reproductible sur papier car leurs valeurs sont soit négatives soit supérieures à l'unité, il s'agit des couleurs hors gamut. On peut établir une correspondnance pour ces couleurs mais elles seront légèrement différentes des tons originaux.

Se greffe sur ces problèmes de conversion le fait qu'il n'y a pas de couleurs primaires standards (elle ne sont définies que par leur longueur d'onde et pas de point blanc standard). Bref, le modèle RGB est passablement variable en fonction des utilisateurs et très imprécis.

Il peut toutefois convenir pour certaines images qui n'ont besoin que d'un ensemble réduit de couleurs, notamment pour des publications dans des quotidiens ou sur Internet.

Les espaces CMY et CMYK

De la même manière que de l'espace RGB, la synthèse soustractive des couleurs CMY est basée sur la combinaison des trois couleurs primaires dites froides et opère de la même manière, si ce n'est que le résultat est inversé.

Mais contrairement à l'espace RGB, les opérations sont plus complexes dans l'espace CMY car sous certaines conditions les couleurs obtenues dépendent de combinaisons des couleurs primaires !

En théorie, la conversion d'un espace RGB en CMY s'opère très simplement : C=1-R, M=1-G; Y=1-B. Mais en pratique on constate que les images manquent de contraste.

En fait, l'espace CMY rend difficilement compte de la balance des blancs, d'où la nécessité d'ajouter une composante de luminance pour donner toute la saturation aux couleurs, ce qui a conduit à la création de l'espace CMYK et des imprimantes quatre couleurs. Malgré ces difficultés, certaines imprimantes dites RGB sont en fait des CMYK déguisées.

L'espace L*a*b (CIELab)

Le modèle CIE xyY est resté en l'état jusqu'en 1976, date à laquelle il fut modifié et donna naissance à l'espace L*a*b qui depuis est devenu la référence absolue.

En résumé, l'espace L*a*b (ou encore CIELab ou plus simplement LAB) représente l'espace de chromaticité le plus étendu. Il est fondé à la fois sur des paramètres physiques (les longueurs d'ondes, etc) et des études psychométriques du phénomène de la vision qui ne touchent plus réellement à la réalité objective. Cet espace est le plus proche de la sensibilité de l'oeil humain.

Son avantage est d'avoir une distribution uniforme des couleurs : un petit écart théorique correspond à une petite nuance visuelle.

Son inconvénient est de représenter les variations de luminance de manière cinq fois plus apparentes que les variations de couleurs. Ce problème de tolérance fut résolu grâce à l'utilisation de la formule de tolérance DE2000.

A consulter chez Bruce Lindbloom:

Calculette CIE et Equations de conversions colorimétriques

A gauche, l'espace CIE de 1976. A comparer avec l'espace xyY de 1931. A droite, rien n'est plus facile que de choisir une couleur dans un espace colorimétrique, par exemple sous Photoshop. Ses palettes de couleurs supportent 4 gamuts par défaut. On reconnaît les valeurs numériques du modèle physique TSL (H,S,B), des espaces RGB, L*a*b et CMYK. L'espace actif est L*a*b dans lequel la couleur choisie est un bleu-cyan aux coordonnées (80,-5,100), sa correspondance étant automatiquement calculée dans les autres espaces à titre indicatif. Toutefois cela ne garantit pas que cette couleur sera reproductible sur l'imprimante. Il faut pour cela étalonner et caractériser l'écran ainsi que l'imprimante et activer certains modes de visualisation. c'est l'objet de la gestion des couleurs.