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Colorimétrie

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Colorimétrie. La vision humaine. Eléments de colorimétrie La colorimétrie est la discipline qui étudie les couleurs en tenant compte de la vision humaine “ moyenne ”. La vision humaine. La lumière peut être définie comme étant la partie visible du rayonnement d’énergie électromagnétique

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Presentation Transcript
la vision humaine
La vision humaine

Eléments de colorimétrie

La colorimétrie est la discipline qui étudie les couleurs en tenant compte de la vision humaine “ moyenne ”

la vision humaine3
La vision humaine

La lumière peut être définie comme étant la partie visible du rayonnement d’énergie électromagnétique

Elle peut être réfléchie par un objet. C’est le principe de la perception de la plupart des objets.

la vision humaine4
La vision humaine

La couleur est l’impression colorée que l’oeil reçoit d’un objet:

Elle dépend de quatre paramètres:

- la nature de la lumière,

- la nature de l’objet,

  • l’oeil qui la reçoit,
  • Le cerveau pour l’interprétation
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La vision humaine

analyse par la longueur d’onde:

La lumière peut être déterminée par analyse en fréquence (en optique, on parle plutôt de longueur d’ondes)

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La vision humaine

analyse par la longueur d’onde:

380 à 435 nm violet

435 à 465 nm indigo

465 à 482 nm bleu

482 à 487 nm bleu verdâtre

87 à 492 nm cyan ou turquoise

492 à 530 nm vert bleuté

530 à 560 nm vert

560 à 575 nm vert jaunâtre

575 à 580 nm jaune verdâtre

580 à 587 nm jaune

587 à 596 nm jaune orangé

596 à 620 nm rouge orangé

620 à 765 nm rouge

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La vision humaine

analyse par la longueur d’onde:

Avec la relation bien connue:

et c  3. 108 m/s,

la gamme de fréquences perçue par l’oeil humain s’étend donc approximativement de

4. 1014 Hz à 8 1014 Hz

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La vision humaine

Décomposition de la lumière blanche.

Les lumières peuvent être décomposées en leurs composantes élémentaires (spectrales) à l’aide de prismes (mise en oeuvre du phénomène de dispersion) ou de réseaux (utilisation d’interférences), éléments de base des spectroscopes et analyseurs de spectre optiques.

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La vision humaine

Dans certains cas, on obtient des spectres de raies analogues à ceux des signaux électriques que nous avons l’habitude de fréquenter. Une lumière dont le spectre ne comporte qu’une seule raie est dite monochromatique

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La vision humaine

La lumière blanche possède un spectre continu. La lumière blanche théorique est définie comme étant la somme d’une même quantité de toutes les composantes colorées visibles ( bruit blanc)

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La vision humaine

L’oeil peut discerner 150 nuances de couleurs de la décomposition spectrale d’un rayon solaire.

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La vision humaine

Décomposition de la lumière blanche

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La vision humaine

Courbe de sensibilité spectrale de l ’œil humain

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La vision humaine

Définition du paramètre 

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La vision humaine

Remarque importante

Des spectres différents peuvent reproduire une même impression colorée (exemple: une peau d’orange et une lampe à vapeur de Sodium). C’est le métamérisme.

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La vision humaine

Cette propriété montre que l’on n’est pas obligé de disposer de toutes les composantes monochromatiques visibles pour reconstituer une lumière blanche. (le nombre minimum est de 2 composantes pour reproduire la lumière blanche dans une condition bien précise).

Exemple:

BLANC = K1 VIOLET + K2 ORANGE + K3 ROUGE

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La vision humaine

Exemple de métamérisme

el ments de colorim trie
Eléments de colorimétrie:

Expériences d’égalisation des couleurs:

Les expériences d’égalisation des couleurs visent à déterminer le domaine de validité de la relation:

C = R(rouge) + V(vert) + B(bleu),

et de trouver les valeurs des coefficients R, V, B pour toutes les lumières de couleur C examinées.

Ces expériences sont à la base de la détermination des lois de la colorimétrie.

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Eléments de colorimétrie:

Première expérience d’égalisation des couleurs:

Avec trois projecteurs de couleurs R V B, on égalise une couleur donnée.

Cette expérience montre que 90 % des couleurs peuvent être ainsi égalisées, en additionnant trois lumières de couleurs rouge, vert, bleu..

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Eléments de colorimétrie:

Résultats de la première expérience d’égalisation des couleurs :

90% des couleurs peuvent être « égalisées » au moyen de ce dispositif

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Eléments de colorimétrie:

Deuxième expérience d’égalisation des couleurs:

Pour les 10 % de couleurs non obtenues dans la première expérience, on égalise en ajoutant un projecteur R, V ou B à la couleur C. Le coefficient de la couleur du projecteur situé à droite est alors compté négativement.

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Eléments de colorimétrie:

Résultat: pour toutes les couleurs, on trouve une solution, soit selon le premier modèle, soit selon le second modèle

La totalité des couleurs deviennent alors réalisables, mais dans l’expression

C = R(R) + V(V) + B(B),

il peut y avoir des coefficients négatifs.

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Eléments de colorimétrie:

Résultat des expériences d ’égalisation des couleurs

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Eléments de colorimétrie:

Synthèse additive et synthèse soustractive.

D’une manière identique, on peut égaliser une lumière en partant d’un projecteur blanc dans le faisceau duquel on intercale des filtres colorés.

Les trois couleurs primaires de la synthèse négative sont Cyan, vert et Magenta. Ce type de synthèse est celui de l’imprimerie et de la photo sur papier.

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Eléments de colorimétrie:

Autres expériences:

- La loi d’addition.

La somme de deux couleurs C1 et C2 peut être égalisée par la somme des lumières (R, V, B) qui égalisent C1 et C2.

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Eléments de colorimétrie:

Autres expériences:

- La loi de proportionnalité

Si on fait varier d’une certaine proportion l’intensité de la lumière C, la lumière résultante peut être égalisée en faisant varier dans le même proportion l’intensité de chacun des projecteurs (R, V, B).

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Eléments de colorimétrie:

Autres expériences:

=> Lois de Grassmann:

Chaque couleur est une combinaison linéaire de R, V, B

La luminance est égale à la somme des luminances

Multiplier les luminances par K ne change pas la couleur.

ça sent l ’espace vectoriel à plein nez !!! (NdlR)

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Eléments de colorimétrie:

Base de la représentation géométrique des couleurs:

Il est possible de définir un espace à trois dimensions au moyen des trois axes chromatiques OR, OV, OB de fixer comme vecteurs unitaires les stimulus de référence (R), (V), (B).

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Eléments de colorimétrie:

Base de la représentation géométrique des couleurs:

On définit ainsi un espace chromatique. En télévision, on a choisi (R), (V), (B), tels que le blanc

W = 1 (R) + 1 (V) + 1 (B).

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Eléments de colorimétrie:

Espaces de couleurs:

La représentation d’une couleur au moyen d’un espace de couleurs est bien plus avantageuse en ce qui concerne sa concision que la description fréquentielle. Les expériences ont montré qu’il suffit de trois variables indépendantes pour décrire presque toutes les couleurs existantes.

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Eléments de colorimétrie:

Espaces de couleurs:

Les principaux espaces de couleurs tridimensionnels sont les suivants :

- Espace RVB de la CIE (Commission Internationale de l’Eclairage)

- Espace XYZ de la CIE

- Espace UVW dit UCS de la CIE

- Espace RNGNBN du récepteur de télévision américain standardisé par le NTSC

- Espace YIQ de transmission du NTSC

- Espace RVB de l’UER,

- Espace DSH

- Espace de Munsel,

- Espace L*a*b*

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Eléments de colorimétrie:

LE SYSTEME R V B DE LA CIE

Primaires:

R = 7 000 nm

V= 5 64,1 nm

B= 435,8 nm

Blanc de référence: Blanc E (noté aussi W)

caractéristique: égale énergie

Luminance des primaires:

LR0 = 1,000 LV0 = 4,591 LB0 = 0,060

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Eléments de colorimétrie:

LE SYSTEME R V B DE LA CIE

SYSTEME RVB:

R = LR/LR0 V = LV/LV0 B = LB/LB0

Système réduit:

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Eléments de colorimétrie:

LE SYSTEME R V B DE LA F.C.C.

Primaires:

R = 610 nm

V= 535 nm

B= 470 nm

Blanc de référence: Blanc C

Luminance des primaires:

LR0 = 0, 30 LV0 = 0, 59 LB0 = 0, 11

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Eléments de colorimétrie:

LE SYSTEME R V B DE LA F.C.C.

SYSTEME RVB ASSOCIE:

R = LR/LR0 V = LV/LV0 B = LB/LB0

Système réduit:

UTILISATION:

- SYSTEME NTSC

- SYSTEME PAL (NORMESAMERICAINES)

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Eléments de colorimétrie:

LE SYSTEME R V B DE L’UER

Primaires:

R = 600 nm

V= 546 nm

B= 446 nm

Blanc de référence: Blanc D65

Luminance des primaires:

LR0 = 0, 22 LV0 = 0, 71 LB0 = 0, 07

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Eléments de colorimétrie:

LE SYSTEME R V B DE L’UER

SYSTEME RVB ASSOCIE:

R = LR/LR0 V = LV/LV0 B = LB/LB0

Système réduit:

UTILISATION:

- SYSTEME SECAM

- SYSTEME PAL (NORMES EUROPEENNES)

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Eléments de colorimétrie:

CONSTATATIONS RESULTANT DE L’USAGE DES SYSTEMES R, V, B:

- L’adoption d’un système à trois composantes ne permet pas de représentation graphique commode (trois dimensions).

- Avec les primaires RVB, certaines couleurs (réelles) ont des coefficients négatifs.

- Par conséquent, le système RVB ne permet pas de réaliser physiquement toutes les couleurs réelles en synthèse additive.

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Eléments de colorimétrie:

Représentation en 3D d ’un système RVB

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Eléments de colorimétrie:

Le système international X-Y-Z

(introduit par la CIE en 1931)

Principes du Système XYZ:

On définit 3 couleurs non forcément réalisables physiquement, avec lesquelles il est possible de synthétiser toutes les couleurs réelles. Tous les coefficients sont donc positifs. Ces primaires sont théoriques (car on ne sait pas les générer physiquement), mais elles permettent une représentation internationale normalisée. On les nomme PX, PY, PZ.

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Eléments de colorimétrie:

Le système international X-Y-Z

- Les luminances de référence LX0, LY0, LZ0 permettent d’obtenir le blanc de référence W, d’égales énergies (identique au blanc E de la CIE).

- Le système RVB associé à ces primaires est nommé XYZ.

- Les coefficients XYZ d’une couleur Q sont donc obtenus à partir des luminances théoriques LX, LY, LZ nécessaires, soit:

X= LX/LX0 Y = LY/LY0 Z = LZ/LZ0

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Eléments de colorimétrie:

Système XYZ:

on introduit les valeurs réduites:

(1)

(2)

(3)

(4)

Grâce à (4), toute couleur est définie dans un espace à 2 dimensions par un couple (x,y).

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Eléments de colorimétrie:

Fonctions d’égalisation dans l ’espace XYZ

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Eléments de colorimétrie:

Dans l’espace (x,y,z), les lumières monochromatiques décrivent une courbe gauche.

La projection de cette courbe sur le plan (x,y) donne le diagramme chromatique.

Diagramme chromatique de la CIE (Diagramme de Kelly)

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Eléments de colorimétrie

Vision « artistique » du diagramme chromatique de la CIE

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Eléments de colorimétrie:

Diagramme chromatique de la CIE (diagramme de Kelly)

Ce diagramme a les propriétés suivantes:

1.- L’ensemble des couleurs visibles est l’ensemble des points contenus dans la surface entourée par la courbe précédente.

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Eléments de colorimétrie:

Diagramme chromatique de la CIE

2.- Mélange additif de 2 couleurs dans le diagramme xy

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Eléments de colorimétrie:

Diagramme chromatique de la CIE

2.- (suite) Mélange additif de 3 couleurs dans le diagramme xy

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Eléments de colorimétrie:

Diagramme chromatique de la CIE

2.- (fin) Si on considère un système RVB quelconque, on peu représenter les primaires par trois points dans le plan (x, y). L’ensemble des couleurs réalisables par synthèse additive au moyen de ces trois primaires est l’ensemble des points contenus dans le triangle formé par les trois primaires.

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Eléments de colorimétrie:

Diagramme chromatique de la CIE

Triangle des couleurs synthétisables avec un système R, G, B

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Eléments de colorimétrie:

Diagramme chromatique de la CIE

Vue des systèmes RVB courants dans le diagramme chromatique

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Eléments de colorimétrie:

Remarques:

- Les primaires des systèmes RVB ne sont pas situées exactement sur la courbe monochromatique, car elles ne sont pas monochromatiques elles-mêmes. La longueur d’onde indiquée est le centre du spectre.

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Eléments de colorimétrie:

Remarques:

- Les primaires X Y Z englobent toutes les couleurs visibles, car elles permettent de représenter toutes les couleurs (théoriquement, car elles n’existent pas physiquement).

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Eléments de colorimétrie:

Remarques:

- Si on prend trois primaires physiques (c’est à dire comprises dans la surface définie par les couleurs monochromatiques), il est impossible d’obtenir un triangle englobant la surface précédente. Il est donc toujours impossible de reproduire la totalité des couleurs physiques avec trois primaires. Il faut donc choisir des primaires permettant de reproduire un maximum de nuances.

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Eléments de colorimétrie:

Sensibilité de l’oeil à des différences de teinte

(d’après [6])

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Eléments de colorimétrie:

sensibilité de l’oeil à des différences de teinte:

On a tracé dans le diagramme chromatique de la CIE les zones de perception de teinte identique. Ces zones sont dites “ Ellipses de Mac Adam ”.

On aperçoit que la sensibilité aux différences de teintes n’est pas uniforme dans tout de domaine, et qu’en plus, il existe des axes privilégiés de sensibilité de la vision.

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Eléments de colorimétrie:

Les ellipses de McAdam

déterminent les

zones

d’équisensibilité

de l’œil dans le

plan (x,y) de la CIE

Leurs propriétés sont

mises à profit dans

le système NTSC

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Eléments de colorimétrie:

PASSAGE D’UN SYSTEME A L’AUTRE

Une couleur Q définie par (R, V, B) a des coordonnées (X, Y, Z):

ce qui s’exprime sous forme matricielle

soit:

A : matrice de passage RVB/XYZ.

A dépend du système RVB considéré.

A est obtenue en mettant dans chaque colonne les coordonnées XYZ de chaque primaire du système RVB considéré.

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Eléments de colorimétrie:

Espace des couleurs UVW ou UCS (Uniform Chromaticity Scale)

Origine: CIE, 1960

But: tenter de synthétiser un espace des couleurs dans lequel les zones perçues comme une couleur identique sont moins excentriques que dans le système XYZ. (transformer les ellipses de Mac Adam en cercles de rayons constants)

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Eléments de colorimétrie:

Espace des couleurs UVW ou UCS

Equations de passage:

Système réduit:

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Eléments de colorimétrie:

Limitation du système UVW:

le déplacement ds =<du,dv>, de norme |ds| constante, dont la perception est uniforme, s’effectue dans le plan de chrominance et non dans l’espace complet, ce qui implique qu’il ne prend pas en compte la dimension de luminosité des stimuli. Le système L*u*v* de 1976 remédie à cet état de fait.

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Eléments de colorimétrie:

Espace des couleurs L*u*v*

Origine: CIE, 1976

But: tenter de faire correspondre un déplacement ds = (dL*, du*, dv*) de norme |ds| constante avec une variation perceptible de chrominance et de luminance égale.

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Eléments de colorimétrie:

Equations de passage: non linéaires.

pour

partout ailleurs

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Eléments de colorimétrie:

où Xn, Yn, Zn sont les composantes d’un blanc de référence (D65 ou A par exemple), dans le système X,Y,Z. La distance entre deux couleurs est donnée par la norme du vecteur défini par les deux points correspondants:

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Eléments de colorimétrie:

Dans le plan <u*,v*>, les ellipses de Mac Adam se transforment en objets « plus circulaires » (selon [6])

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Eléments de colorimétrie:

Espace DSH (Density, Saturation, Hue)

intérêt : interprétation intuitive (1 variable de luminance, 2 variables de chrominance)

si G<B

si G>B

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Eléments de colorimétrie:

Représentation en 3D de l’espace DSH

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Eléments de colorimétrie:

Coupe de l ’espace DSH dans le plan Saturation-teinte

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Eléments de colorimétrie:

Coupe de l ’espace DSH dans le plan Saturation-Intensité

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Eléments de colorimétrie:

Espace des couleurs de Munsell

représentation dans un cylindre droit dont les degrés de liberté angle, rayon et hauteur sont quantifiés en 100, 10 et 10 graduations (soit 10 000 nuances au total).

Ce système est normalisé par la CIE et est fréquemment utilisé pour la calibration des téléviseurs.

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Eléments de colorimétrie:

Système de représentation des couleurs de Munsell (d ’après [1])

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Eléments de colorimétrie:

Correspondance entre les teintes définies dans l’espace de Munsell et le système XY de la CIE

(d ’après [1])

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Eléments de colorimétrie:

Quantification du système de Munsell : Espace L*a*b*

je vous fais grâce des équations … provisoirement

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Eléments de colorimétrie:

Conclusions:

On peut reconstituer la plupart des lumières à partir de trois primaires dont le choix est relativement libre.

Il est possible de passer d’un système de trois primaires à un autre système de trois primaires par des opérations de matriçage, c’est à dire des combinaisons linéaires.

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Eléments de colorimétrie:

Conclusions:

Diverses représentations de la couleur existent. Nous avons vu celles qui présentent un intérêt du strict point de vue de la représentation des couleurs et de leur normalisation, pas uniquement au service de la télévision, mais également de l’imprimerie, des arts graphiques et des industries des encres, peintures, colorants et de l’éclairage.