Le système RVB
Des cours de physique, nous savons qu’une couleur correspond à la superposition de plusieurs lumières monochromatiques. Ainsi, une couleur peut être analysée à travers son spectre, indiquant l’intensité de chaque longueur d’onde.
Pourtant, pour décrire une couleur sur un écran d’ordinateur, on utilise seulement trois valeurs RVB (rouge, vert, bleu) qui apparemment permettent de décrire une palette de plusieurs millions de couleurs.
Comment est on passé d’une analyse spectrale complexe à un simple triplet de valeurs qui semble suffisant pour décrire la même réalité ? Ce chapitre a pour but d’expliquer ce mystère et ses subtilités. Il peut être sauté par les élèves en retard sur le projet.
Couleur et spectre
Historique
En 1666, Newton fait ses premières expériences sur la diffusion de la lumière. En faisant traverser un fin rayon de soleil à travers un prisme, le rayon se décompose en une suite de rayons correspondant aux couleurs monochromatiques.
On ne peut rediviser une couleur monochromatique en la faisant retraverser un prisme. Ainsi, un rayon laser (couleur monochromatique) lorsqu’il traverse un prisme n’est pas décomposé comme la lumière blanche issue du soleil.
Définition
On définit la lumière comme une grandeur physique décrite par l’intensité de chaque couleur monochromatique qui la compose. Chaque couleur monochromatique est identifiée par sa longueur d’onde. L’œil humain perçoit de la longueur d’onde 380nm (violet) à 750nm (rouge). Au-delà de cette plage, l’œil n’est plus sensible à ces lumières, on parle ici des infra-rouges et des ultra-violets. Voici un exemple d’analyse du spectre d’une étoile bleue :
Ce spectre décrit entièrement la couleur émise par cette étoile, on peut le voir comme une emprunte digitale unique. On remarque que cette étoile est perçue comme bleue car les couleurs monochromatiques présentes dans les bleus sont plus intenses que celles émises dans les rouges. Ainsi, une lumière bleue n’est pas une lumière sans couleur rouge, mais une lumière qui émet relativement moins dans les rouges/jaunes/verts que dans la gamme des bleus.
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Un arc en ciel reproduit exactement le même effet que le prisme de Newton, il s’agit bien d’un phénomène de décomposition de la lumière en composantes monochromatiques. Il y a beaucoup de couleurs dans l’arc en ciel, certaines sont absentes, lesquelles et pourquoi ?
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Sont présentes dans l’arc-en-ciel, comme en sortie du prisme, les couleurs monochromatiques. Ainsi, les additions de ces couleurs ne se trouvent pas dans l’arc en ciel. Basiquement, le blanc composition de toutes les couleurs monochromatiques est absent. Mais on peut aussi citer le rose, superposition de la gamme des rouges et des bleues.
RVB & pixels
Les écrans LCD, téléphone, tablette, moniteurs sont composées d’une multitude de cellules appelées pixels. Chaque cellule est composée de 3 lampes monochromatiques. Trop fines, il nous est impossible de les voir sans utiliser de dispositif grossissant. Une micro-lentille placée à l’avant de ces trois lampes recombinent leurs couleurs pour construire la couleur affichée à l’écran :
Ainsi pour décrire la couleur associée à chaque pixel, on fournit un triplet de valeurs R,V,B (rouge,vert,bleu) correspondant à l’intensité lumineuse de chaque lampe. Généralement codée sur 8 bits, chaque valeur est représentée par un entier allant de 0 à 255 (0xFF en hexadécimal). Ainsi, on code une couleur en utilisant un triplet d’entiers ou une concaténation des trois valeurs hexadécimales :
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Connaissez-vous d’autres systèmes de représentation des couleurs en infographie ?
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Il existe d’autres référentiels utilisant trois composantes. On peut voir cela comme un changement de repère non linéaire du référentiel RVB vers un autre. On peut citer par exemple :
TSV (HSV) : Teinte Saturation Valeur
L’œil
Comment peut-on modéliser une couleur comportant de multiples couleurs monochromatiques en utilisant seulement un triplet de valeurs ? Cela peut sembler irréel. Il faut comprendre ici que la couleur que nous percevons est en fait une sensation qui résulte de l’interaction de la lumière visible avec les cellules de notre œil et notre oeil est un capteur limitée incapable de faire une analyse spectrale complète. Ainsi, examinons comment l’œil transforme une lumière en information nerveuse.
Cônes et bâtonnets
L’œil est un capteur composé de cônes (~7 millions) spécialisés dans la perception de la couleur et de bâtonnets (~100 millions) spécialisés dans la perception de l’intensité de la lumière. Il existe trois types de cônes, chacun spécialisé dans une gamme de couleur :
Les bleus avec une sensibilité maximale autours de 420nm
Les verts avec une sensibilité maximale autours de 534nm
Les rouges avec une sensibilité maximale autours de 564nm
Ainsi, chaque cône agit comme un filtre qui convertit une plage de rayons monochromatiques en signal électrique transmis au cerveau.
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Pourquoi la nuit tous les chats sont gris ?
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La nuit, la lumière est trop faible pour produire une excitation nerveuse des cônes, ces capteurs restent donc inactivés. Les bâtonnets eux, 100 fois plus sensibles, sont encore actifs au prix d’une vision en teinte de gris.
Pourquoi dit-on que les photos couleurs ont tendance à être perçues moins nettes qu’une photo en N&B ?
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Il n’y a pas photo ! Etant 10 fois plus nombreux, les bâtonnets fournissent une image en 100 Mégapixels ! Avec seulement 7 Mégapixels, les cônes fournissent une qualité d’image d’un APN des années 2010. Aujourd’hui l’APN le plus avancé arrive à 80MPix.
Pourquoi les étoiles ont des couleurs et pas la voie lactée ?
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Les étoiles les plus brillantes peuvent être vues colorées car suffisamment brillantes pour exciter les cônes. Cependant, la voie lactée, une sorte de nuage diffus formé par les étoiles les plus éloignées de notre galaxie n’est pas assez brillante, elle ne peut activer que les bâtonnets ce qui lui donne sa teinte grisâtre.
L’œil est-il un capteur standardisé : même caractéristique pour tous les individus ?
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Oui mais non. Dans les grandes lignes, d’une personne à l’autre, on retrouve le même fonctionnement basé sur les cônes et les bâtonnets. Cependant, par exemple, certains daltoniens ne possèdent que deux cônes sur les trois existants. Mais plus couramment, on peut considérer que chaque personne a une sensibilité différente sur certaines gammes de couleurs. La même personne peut avoir des yeux de sensibilité différente, l’un plus sensible dans les verts, l’autre dans les bleus. La couleur est une affaire de perception et de sensibilité, ce n’est pas une mesure physique ! L’œil reste un capteur non étalonné faisant varier la perception du monde réel d’une personne à l’autre.
Leurrer le cerveau
Le cerveau ne connaît jamais le spectre complet d’une lumière. Il déduit une couleur à partir des informations nerveuses qu’il reçoit depuis les cônes RVB. Par exemple, si le cerveau reçoit une lumière monochromatique produisant une excitation nerveuse sur les cônes RVB de la forme [5% 85% 92%], il en déduit que la longueur d’onde reçue se trouve au entre de 534nm et 564nm soit environ 549nm.
Ainsi pour reproduire la même sensation de couleur, il suffit de reproduire une excitation nerveuse identique. Pour cela, les trois lampes R,V,B présentes dans chaque pixel, sont construites pour produire des couleurs monochromatiques à des longueurs d’onde précises. En utilisant ce mécanisme, il suffit alors de régler l’intensité des trois lampes R,V,B pour reproduire une excitation nerveuse similaire à la couleur que l’on veut reproduire. Ce système permet de leurrer le cerveau en utilisant seulement trois couleurs monochromatiques.
Par exemple, pour reproduire la couleur blanche, on utilise les composantes RVB (255,255,255) ce qui allume les trois lampes du pixel. Si l’on fait passer cette couleur blanche dans un prisme, seulement trois raies monochromatiques vont apparaître en sortie, chaque raie correspondant à une lampes R,V et B. Au final, que ce soit la lumière blanche du soleil qui contient toutes les raies monochromatiques visibles, ou le fond blanc de votre téléphone qui ne contient que trois couleurs monochromatiques, vous percevez la même couleur mais leur spectre respectif est différent.
