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La vision des couleurs

La couleur des objets (II)

L'aspect coloré d'un objet ou d'une lumière est défini par trois paramètres physiques :

- la teinte : ou tonalité en psychométrie, c'est la longueur d'onde de la couleur pure la plus proche (bleu, vert, rouge, ...)

- la pureté : ou saturation en psychométrie, c'est l'excitation ou sensation colorée (pâle, claire, saturée, ...)

- la luminance : ou clarté en psychométrie, c'est la luminosité ou quantité d'énergie réfléchie par la couleur (gamme de gris).

L'ensemble de ces paramètres définissent la chromaticité.

La couleur que présente un objet est déterminée par les longueurs d'ondes de la lumière que ses atomes absorbent ou réfléchissent. Seules les longueurs d'ondes atteignant l'oeil sont vues comme des couleurs. Si le rayonnement ne parvient pas à l'oeil, l'objet paraît noir. Une plante verte par exemple absorbe les rayonnements rouge, orange, bleu et violet et réfléchit toutes les longueurs d'onde vertes. Ces caractéristiques définissent ce qu'on appelle la réflectivité ou distribution spectrale de l'objet.

Ainsi que nous l'avons expliqué dans l'article sur la vision, la rétine contient des cellules photosensibles et notamment des cônes dont les pigments colorés réagissent spécifiquement à certaines longueurs d'ondes avec un pic de sensibilité dans chacune des couleurs primaires bleue, verte et rouge. Ce phénomène détermine la sensibilité spectrale de l'oeil.

Enfin, la couleur contenue dans une source lumineuse est décrite en terme de température de couleur du corps noir. Il s'agit de la température à laquelle il faut porter le corps noir pour produire un spectre de couleurs similaire à celui de la source lumineuse. Cette température est exprimée en Kelvin.

Document T.Lombry

A l'image d'une flamme de plus en plus chaude, plus la température d'une source lumineuse est élevée plus son spectre d'énergie (son intensité ou sa puissance) ainsi que sa couleur vont se déplacer vers les courtes longueurs d'ondes : la source qui était rouge devient jaune puis blanche ou bleutée. Ce phénomène s'applique notamment aux étoiles et caractérise la réponse du corps noir à l'élévation de la température. 

L'espace colorimétrique L*a*b basé sur le diagramme CIE XYZ. Uniforme, il sert de référence théorique.

Ces caractéristiques chromatiques représentent la distribution de la puissance spectrale de la lumière. Nous verrons toutefois dans un instant que cette couleur intrinsèque, celle du corps noir, est parfois altérée par des effets physiques et physiologiques donnant lieu à des températures de couleur sans rapport avec la température effective de l'objet et nous avons vu en introduction ce qu'il en était de la température de couleur du ciel bleu.Notez également les effets optiques sur le périmètre du tableau présenté ci-dessus liés au contraste des couleurs. Les lignes supérieure et inférieure du cadre paraissent bombées (convexe ou concave) selon que la couleur est chaude ou froide.

Enfin, la couleur des objets vus par réflexion lumineuse d'une autre source d'illumination (la surface de l'eau, une photographie, etc) s'explique par la synthèse soustractive des couleurs (Jaune + Magenta + Cyan = Noir). Cette technique est par exemple utilisée dans les imprimantes.

Nous verrons qu'on peut toutefois produire des couleurs sans utiliser la lumière à proprement dit. Ainsi un écran d'ordinateur utilise une source d'illumination constituée uniquement de composantes RGB (pixels) dont l'intensité lumineuse est modulée par un courant électrique.

Au vu de cette nomenclature, vous vous direz peut-être que "ça va", trois facteurs seulement influencent la couleur. Mais hélas, cette revue n'est pas complète ! La couleur perçue par l'oeil varie plus qu'on l'imagine. Elle dépend également de la nature de la source de lumière : une surface colorée ne se comporte pas comme un volume (l'exemple des filtres colorés) ni comme une source lumineuse.

C'est pour tenter de cerner toutes ces "apparences" et définir clairement ce qu'est une couleur que plusieurs instances ont été fondées dont le Comité de Colorimétrie de l'OSA (1963) et la célèbre CIE. Cet institut a édicté des normes en 1931 qui ont été révisées par la suite et qui servent aujourd'hui de références. Nous les passerons en revue lorsque nous aborderons la gestion des couleurs sur ordinateur, tout un programme.

Les couleurs pigmentaires et structurelles

Toutes les couleurs ne se forment pas de la même manière. La plupart des couleurs que nous observons dans la nature sont dites pigmentaires : elles sont liées à la présence de pigments colorés dans l'objet.

Gros-plan sur l'aile d'un papillon Morpho dont les couleurs structurelles réfléchissantes et iridescentes se manifestent par diffraction. Document S.Kramer.

C'est ce qui explique la couleur des pommes ou de l'iris des yeux par exemple; des éléments colorés propres au corps concerné absorbent ou réfléchissent la lumière, quelle que soit son incidence ou presque. Ainsi, que vous observiez une personne "droit dans les yeux" ou qu'elle soit légèrement de profil, son iris aura toujours la même couleur.

Il existe toutefois dans la nature des objets qui ne fonctionnent pas ainsi : c'est notamment le cas des plumes de certains perroquets, des ailes de papillon ou des coléoptères et des cristaux liquides.

En effet, ces corps présentent des couleurs dites structurelles ou physiques : ce sont des couleurs qui interagissent en fonction de l'incidence de la lumière, d'où les irisations ou les reflets qu'ils présentent en fonction de leur position par rapport à la lumière.

A voir : Zoom into a Blue Morpho Butterfly

What Gives the Morpho Butterfly Its Magnificent Blue?

Observée au microscope, une aile de papillon est couverte de petites "tuiles". Chacune contient un ensemble d'ailettes. Si la plupart des papillons ont des couleurs pigmentées certains comme les magnifiques Morpho bleus ont des couleurs structurelles; les tuiles ont une forme pyramidale ou de sapin qui difractent la lumière, la décomposant et créant des couleurs par interférence, c'est le phénomène de diffraction qui est propre aux ondes électromagnétiques. Ainsi, la couleur des ailes du papillon Morpho dépend de sa position par rapport au Soleil, passant du turquoise au bleu foncé. Le même effet explique l'irisation des CD-ROM et des peintures dites métallisées.

Découvrant ce magnifique phénomène donnant des tonalités irisées très subtiles, les chercheurs en cosmétique ont utilisé cette technique pour créer... des maquillages ! Ainsi certains rouges à lèvres et phards à paupières sont constitués de mica et d'une ou plusieurs couches d'enrobage (une par couleur, par exemple de l'oxyde de titane et de silice) jouant le rôle de couleur d'interférence. Une fois étalée, la couleur du maquillage varie en fonction des mouvements de la tête de la personne dans la lumière...

Les effets de la vision

Si la vision des couleurs dépend de la distribution spectrale de l'objet, de sa nature, de la sensibilité et de la réponse spectrale de nos yeux, nous ne gérons pas la manière dont notre cerveau et nos yeux détectent les luminosités et les couleurs. Et ceci à plusieurs conséquences pratiques auxquelles nous ne faisons généralement pas attention, sauf dans certains métiers.

1. L'effet Purkinje

La rétine de l'oeil humain présente un pic de sensibilité vers 550 nm, dans la partie jaune-verdâtre du spectre. C'est la vision photopique. Au crépuscule et durant la nuit, cette sensibilité se déplace vers les courtes longueurs d'ondes, vers 505 nm, dans la partie verte-bleutée du spectre, c'est la vision scotopique. Ce phénomène porte le nom d’effet Purkinje et altère notre vision, d'autant plus que les bâtonnets de la rétine sont très peu sensibles aux couleurs. Associé à une faible sensibilité des bâtonnets envers la couleur, ce phénomène explique notre difficulté à percevoir les couleurs dans des conditions de faible éclairement et le changement de tonalité des objets peu lumineux.

2. L'effet Bezold-Brucke

De nuit, on constate également que les étoiles dont la magnitude visuelle est inférieure à +0.5 sont trop pâles pour apparaître dans leurs vraies couleurs à l'oeil nu.

De nuit, on constate également que les étoiles dont la magnitude visuelle est inférieure à +0.5 sont trop pâles pour apparaître dans leurs vraies couleurs à l'oeil nu.

Anatomie de l'oeil sur fond digital. Document Med-Arts/Lombry.

L'un des deux effets Bezold-Brucke se manifeste ici : dans des conditions de faible éclairement et de nuit, en raison de la sensibilité rétinienne particulière, on constate que les couleurs jaunes-vertes et rouges-oranges paraissent plus jaunes qu'elles ne sont en réalité. Les couleurs rouges, jaune, vertes et bleues ciels gardent la même teinte ou tonalité mais la pureté des couleurs jaunes-vertes tend vers le jaune tandis que les couleurs vertes-bleutés paraissent plus bleues. Cette altération des couleurs est bien sûr subjective mais altère la couleur des détails peu colorés.

Concrètement, si un astronome porte son regard vers les étoiles, il pourra en conclure que certaines étoiles sont plus rouges ou plus bleues que d'autres alors qu'en réalité elles présentent peut-être le même indice de couleur. Même chose pour Mars, il verra des nuages "jaunes" ou des détails "verts" ou "bleus" alors qu'en réalité ils sont beaucoup plus clairs et peut-être 50 nm plus colorés dans un sens ou dans l'autre. Seule la photographie couleur et les compositages RGB (et non pas LRGB) pourront rétablir la réalité des choses.

C'est très marqué sur une planète rouge comme Mars dont les petits détails colorés paraissent gris ou bleus-verts aux observateurs alors que cette tonalité n'existe généralement pas sur la planète (il n'y a pas de vert et le bleu est généralement lié à la diffusion de la lumière blanche sur la glace).

Dans ce contexte et sachant que la couleur réelle de Mars est généralement un mélange d'orange plus ou moins terne (grisé) et de brun, il est intéressant d'analyser les comptes-rendus rapportant l'observation de nuages de poussières qualifiés de "jaunes".

 Notons que l'indice de couleur de Mars est de 1.37, ce qui correspond à la classe spectrale K8. Elle n'est donc pas rouge mais orangée. Quant à Jupiter son indice de couleur est de 0.80, équivalent à une classe spectrale G8. Il est donc jaune faiblement orangé ou si l'on veut d'une couleur beige claire. On y reviendra.

Toutes les faibles luminances comprises entre 0.5 et 50 cd/m², et au-dessus de l'effet Purkinje, sont marquée par ce phénomène, c'est l'effet Bezold-Brucke. S'ajoute à ce phénomène l'effet de contraste simultané dit des couleurs complémentaires (voir plus loin).

Inversement, les surfaces présentant une forte luminance tendent à perdre leur saturation. A mesure que le diamètre de la source augmente, sa saturation s'accroît, surtout dans le violet, le bleu et le vert.

Doggins et son équipe ont défini en 1987 la vision tritanomale lorsque les couleurs violettes et jaunes-vertes deviennent grises et que les autres couleurs paraissent plus rouges-oranges ou vertes-bleutées.

Les couleurs sont parfois trompeuses.

Dernier chapitre

Aspects sensitif et subjectif des couleurs

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