Fig. 4.1 : Synthèse de couleurs
4 PROPRIÉTÉS DE LA VISION VIS-A-VIS DES COULEURS
Les systèmes de traitement d'informations couleur exploitent 3 primaires pour réaliser la synthèse de couleurs. La figure suivante présente 2 approches suivant le type de synthèse employé
Fig. 4.1 : Synthèse de couleurs
La télévision et la photographie et l'informatique exploitent la synthèse additive (base RVB) ; la peinture et l'impression exploitent la synthèse soustractive (base CMJ).
La base de synthèse doit pouvoir être normalisée de manière à ne pas apporter de distorsion de couleur lors d'un traitement ; pour cela, il faut définir les longueurs d'onde et la pondération des primaires employées.
La couleur de référence d'une base est le BLANC, on le référence par rapport à la radiance d'un corps noir porté à une certaine température ; celle ci a l'expression suivante :
Radiance du corps noir : 
On obtient : 
et 
(loi de Wien)
La figure suivante présente le spectre de quelques "Blancs de référence".
Parmi les "Blancs de référence" rencontrés dans la nature et dans des systèmes, on trouve :
Blanc A : Tungstène porté à 2848 °K
Blanc B : Jour à midi en été (température de couleur de 4800 °K)
Blanc C : Ciel nuageux (température de couleur de 6700 °K)
Blanc D65 : Norme UER (température de couleur de 6500 °K)
Blanc E : Égale énergie (spectre uniforme)
Blanc N : Télévision N&B (température de couleur de 13000 °K)
Les cônes donnent une vision trichromatique (RVB), comme le montre la figure suivante, avec un maximum de sensibilité aux alentours de 550 nm (couleur verte).
Fig. 4.3 : Sensibilité spectrale des cônes
Si on utilise une base RVB pure, on ne peut pas obtenir toutes les longueurs d ’onde du domaine visible par la somme des 3 primaires, à moins d’utiliser des coefficients négatifs.
Fig. 4.4 : Synthèse de couleurs RVB par des couleurs pures
Pour remédier à cela, la Commission Internationale de l'Eclairage (C.I.E.) a défini 3 primaires X, Y et Z dont la réponse spectrale est donnée par la figure suivante.
Fig. 4.5 : Réponse spectrale des primaires XYZ de la CIE (1931)
On peut ainsi reconstituer toutes les couleurs dans l'espace XYZ ; les couleurs visibles occupent dans cet espace, un cône de section en forme de "fer à cheval". On s'intéresse à un plan coupant ce cône de coordonnées X + Y + Z = 1, on peut alors représenter sur un diagramme bidimensionnel (xy) l'espace occupé par les couleurs visibles.
Le pourtour de ce diagramme est constitué des couleurs "pures" (monofréquentielles), et on retrouve les triplets de primaires RVB et CMJ.
A l'aide de ce diagramme, on peut déterminer graphiquement le résultat du mélange (par synthèse additive) entre 2 couleurs, celui-ci se situe sur la ligne reliant les 2 couleurs de départ.
La figure suivante présente, avec plus de détails le contenu du diagramme xy.
Fig. 4.7 : Construction du diagramme xy de la CIE (1931)
L ’œil possède une vision trichrome mais le cerveau interprète l’image reçue sous forme composante (Luminance - Chrominance) ; la chrominance correspond au complément d ’information à fournir pour passer d ’une image monochrome (issue de la luminance) à une image couleur
Il devient alors intéressant de passer d ’un espace à 3 dimensions (RVB) à un espace à 2 dimensions (Y-C).
La luminance est majoritairement obtenue à partir du VERT ; la chrominance est obtenue par différence entre la luminance et les composantes ROUGE et BLEU :
Y = 0,30R' + 0,59V' + 0,11B'
CB = a(B' – Y)
CR = b(R' - Y)
Dans des images naturelles, il y a une très forte corrélation entre les primaires R, V et B ; de ce fait, la Chrominance véhicule beaucoup moins d ’information utile.
Les couleurs réelles n’occupent qu’une portion de la dynamique totale de l’espace Y-C ; la figure suivante présente le cube occupé par les couleurs visibles.
4.2 Comportement de l'œil réel par rapport au système de la CIE
Le système trichromatique linéaire de la CIE résulte de la recherche d'un compromis entre la simplicité mathématique et la complexité réelle de la vision. Il est donc normal qu'il existe des écarts sensibles, rendus détectables par le fait même de l'existence d'un système de référence ; quelques écarts sont caractéristiques.
La reconnaissance des couleurs, de la manière qui est considérée comme habituelle par la grande majorité des spectateurs, a conduit à la représentation simplifiée des propriétés colorimétriques de l'œil moyen et à la colorimétrie classique.
Par rapport à cette représentation normalisée, on peut étudier les divers comportements de l'œil qui se classent en 2 catégories.
- Les écarts naturels qui ne constituent pas des anomalies de la vision mais des comportements particuliers propres à tous les yeux et qui s'écartent des résultats de la théorie linéaire ; par exemple :
1) il y a un écart entre la luminance objective d'une source et la clarté psychométrique, qui l'impression de luminosité donnée par l'œil ; à luminance objective constante, la clarté subjective varie un peu avec la couleur.
Le diagramme XYZ de la CIE étant en fait déduit de mesures faites sur des couleurs spectrales ou très saturées, les écarts sont plus importants pour des couleurs peu saturées et blanches, lesquelles apparaissent plus lumineuses qu'elles ne devraient l'être objectivement ; cet écart est particulièrement important pour les blancs bleutés.
2) La reconnaissance des couleurs dépend, pour certaines, de la luminance ; ainsi, la teinte chocolat n'est pas objective car, à forte luminance, cette couleur est un rouge normal.
- Les écarts particuliers correspondent à des anomalies très importantes par rapport à la colorimétrie. Certains sont naturels et valables pour tous les yeux ; c'est ainsi que la rétine perd progressivement la reconnaissance de certaines couleurs en vision latérales d'excentricité croissante.
Le vert et le rouge s'estompent les premiers à partir d'une excentricité de 20° environ ; le bleu et le jaune s'estompent à partir de 40° environ. En vision très latérale, la reconnaissance des teintes est très imprécise et l'image est reconnue par sa luminance, sensiblement en noir et blanc.
4.3 Acuité visuelle en chrominance
La réponse spatiale de l'œil sur mire de luminance sinusoïdale ou sur mire de Foucault a conduit à la réponse d'ouverture représentée par la figure 3.5 qui sera reprise en synthèse de l'analyse de la vision des structures récurrentes fines.
La reconnaissance des teintes conduit à une analyse similaire, dans laquelle l'optotype est une mire de traits à 2 couleurs C1 et C2 , alternées et de même luminance. L'acuité visuelle aux couleurs consiste à reconnaître la différence entre ces 2 couleurs, dans des conditions d'expérience qui mettent en jeu :
- la paire de couleurs C1 C2,
- la luminance de ces bandes,
- la fréquence spatiale ou l'acuité visuelle correspondant à la vision de cette fréquence spatiale.
Quelques résultats expérimentaux sont significatifs.
4.3.2 Mire à évolution chromatique sinusoïdale autour du blanc
Dans cet essai, la variation de teinte est sinusoïdale dans le plan xy le long d'un segment de droite, centré sur le blanc (W) ayant pour limites les points C1 et C2. Le segment correspond à une certaine dominante (figure 4.9).
Fig. 4.9 : Essai de détermination des seuils chromatiques
L'essai consiste, pour une fréquence spatiale donnée, d'apprécier la limite de longueur maximale du segment C1 C2 en dessous de laquelle les 2 teintes ne sont plus discernables.
Le maximum de sensibilité, c'est à dire le minimum de longueur du segment C1 C2, s'avère voisin de fV = 0,6 à 0,8 Cy/° (Cycles/degré) ; cette valeur est à comparer au maximum de sensibilité pour la luminance qui se situe environ à 3 Cy/°.
On a constaté une diminution de la sensibilité pour les fréquences visuelles plus faibles, de même que pour la luminance. La reconnaissance de la différence de teinte est meilleure lorsque les échantillons de teintes sont placés près les uns des autres.
Aux fréquences élevées, la sensibilité diminue ; tout se passe comme si l'ellipse augmentait de dimensions. Cette ellipse conserve un minimum (petit axe) orienté pourpre-rouge-vert (l = 495 nm) et un maximum orienté jaune-bleu (l = 567 à 465 nm). La différence de sensibilité entre ces 2 directions est de l'ordre de 10 dB.
La sensibilité moyenne varie rapidement avec fV et diminue de 20 à 30 dB pour fV = 10 Cy/° pour une luminance moyenne (~ 25 cd/m2) ; on constate que cet effet est plus rapide que pour la luminance.
L'effet de confusion des teintes pour les très petites plages se manifeste donc progressivement et, dans le diagramme xy à l'intérieur des ellipses de confusion, les teintes s'identifient à la teinte centrale. La fréquence de coupure peut s'assimiler à l'augmentation de la surface de confusion jusqu'à couvrir tout le diagramme, annulant toute reconnaissance de teintes différentes et ne conservant que la notion de luminance.
La sensibilité au contraste de teinte varie, également avec la luminance moyenne ; elle décroît lorsque la luminance diminue.
Les images réelles associent généralement aux transitions une variation de luminance et une variation de teinte ; l'appréciation de dégradation de la transition peut provenir :
- soit d'un flou de luminance,
- soit d'une zone visible de transition des teintes (flou de teinte).
La comparaison des sensibilités à la luminance et à la teinte montre un décalage très important (dans un rapport 3 à 4) en fréquence.
En terme de durée d'établissement du signal, lors d'une transition, la même impression de finesse serait obtenue avec une durée plus grande pour la teinte que pour la luminance ; ce rapport dépend du couple de teintes en cause.
Lorsque la transition de luminance est associée à la transition de chrominance, un effet de masque se produit ; la finesse due au contraste de luminance masque l'effet de la teinte et, pour un contraste de luminance donné, la durée d'établissement de la variation de teinte peut être plus grande que celle correspondant à un contraste de luminance nul ; la figure 4.10 donne une interprétation moyenne de résultats d'essais. Pour un contraste de luminance CL donné à la transition, la durée d'établissement de la teinte dT au moment où cette durée devient le critère reconnu de la dégradation de la transition.
Fig. 4.10 : Effet de masquage de la transition de teinte par le contraste de luminance
4.4 Fusion des lumières périodiques, PAPILLOTEMENT
Lorsque l'éclairement de la rétine est variable dans le temps d'une manière lente, la sensation suit ces variations et l'observateur constate la variation.
Lorsque la fréquence des variations périodiques de l'éclairement croît, l'œil commence par ne plus apprécier la loi exacte de la variation du fait de ses réactions d'inertie, mais l'observateur ressent la variation de la lumière par l'impression de papillotement.
Lorsque la fréquence augmente encore, le papillotement disparaît et l'impression lumineuse devient une impression continue. La fréquence pour laquelle disparaît le papillotement est la fréquence critique : fC.
Au-delà de la fréquence critique, l'impression lumineuse est équivalente à celle d'un éclairement constant dont la valeur serait la valeur moyenne de l'éclairement variable réel (loi de Talbot).
L'étude de la fréquence critique montre que cette fréquence dépend de plusieurs facteurs :
1°) La loi de variation de l'éclairement périodique
Deux cas particuliers sont intéressant pour la technique des images :
- la variation sensiblement trapézoïdale des obturateurs des projecteurs de cinéma, avec passage au noir pendant ~ 30 % de la période,
- la variation semi-exponentielle caractéristique de l'extinction des luminophores des tubes de télévision.
2°) La luminance
L'action de la luminance est importante car la fréquence critique augmente de manière logarithmique avec la luminance. Les mesures effectuées sur des images de cinéma ont conduit à la relation dite loi de Ferry-Porter :
fC = 30,2 + 12,6.log10Y ( Y en cd/m2)
Les mesures faites en télévision montrent que la fréquence critique augmente lorsque la constante de temps de décroissance de la lumière du luminophore diminue. Les durées normales de décroissance des luminophores des récepteurs de télévision en noir et blanc sont de l'ordre de 3 à 5 ms. La figure 4.11 donne la limite approximative du papillotement pour le cinéma et la télévision ; on notera que les fréquences de trame de 50 Hz en Europe et 60 Hz aux Etats-Unis correspondent à des luminances limites sensiblement différentes, à l'avantage du 60 Hz.
Fig. 4.11 : Fréquence critique de papillotement
3°) Dimension de la surface
La fréquence critique fC augmente lorsque la dimension de la surface de test, à lumière variable, augmente ; à luminance égale, les plages de faibles dimensions cessent de papilloter pour des fréquences plus faibles que les plages de grandes dimensions. Par exemple, une plage vue sous un angle de 5°, dont la luminance moyenne est de 1000 cd/m2 a une fréquence critique de l'ordre de 45 Hz alors que cette fréquence est de l'ordre de 50 à 60 Hz pour des images vues sous un angle assez grand et de luminance uniforme.
Cette particularité constitue un avantage pour la télévision lorsque les images réelles sont constituées de plages de forte luminance de relativement petites. La fréquence critique correspond sensiblement à la luminance moyenne de l'image et non à sa luminance crête.
4°) Excentricité de la vision
Le papillotement en vision latérale suit des lois complexes : aux luminances élevées, l'excentricité tend à diminuer la fréquence critique, par contre, aux luminances faibles, c'est le contraire, la fréquence critique augmente et telle image qui ne papillote pas en vision centrale, papillote en vision latérale, ce que l'on constate souvent en télévision.
4.5 Papillotement localisé de luminance
Dans une image globalement stable, une petite surface test peut être soumise à une variation de luminance périodique.
Une situation type de structure visuelle est constituée par l'image d'une mire électronique à structure spatiale sinusoïdale qui peut être soumise à une modulation temporelle sinusoïdale de sa luminance ; la figure 4.5 montre la composition de cette mire avec ses paramètres
- la luminance moyenne L0
- le contraste de modulation C = DL/L0
- la fréquence spatiale visuelle fV (en Cy/°)
- la fréquence de modulation de luminance fm (en Hz)
Cette mire, utilisée sans modulation de luminance, permet de déterminer le contraste liminal C de reconnaissance de la structure en fonction de fV.
Pour une structure fixe, correspondant à fV, la modulation de luminance provoque un papillotement dont la visibilité associe les valeurs C et fm ; pour C donné, le papillotement disparaît si fm > f0 (f0 : fréquence limite de fusion).
Cette disparition du papillotement est une réaction rétinienne de réponse nulle équivalente à une réponse amplitude-fréquence. Elle correspond dans le temps à l'effet d'annulation de la réponse spatiale à la variation de luminance et ce test est aussi utilisable pour apprécier les seuils de détection des écarts de luminance.
La figure 4.12 montre le résultat obtenu pour les luminances moyennes de la télévision ; le couple C - fm est fonction de la fréquence spatiale visuelle.
On constate que la réponse correspond à un filtrage passe-bas à variation rapide de la réponse au voisinage de la fréquence de coupure.
Fig. 4.12 : Relation Contraste - fréquence de modulation
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