La restitution des images sur ordinateur

La restitution des images sur ordinateur
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.
Grâce au cerveau, l'oeil est capable de
distinguer au moins 16 millions de
couleurs, ce qui correspond pour ainsi
dire aux performances d'une carte
vidéo de 24 bits. Les écrans des
infographistes doivent restituer cette
information dans ses moindres
nuances. Ce n'est pas toujours le cas.
Document Med-Arts/Lombry.
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
http://www.astrosurf.com/luxorion/rapport-restitution-images-ordinateur2.htm (1 sur 6) [01/09/2008 15:08:45]
La restitution des images sur ordinateur
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
La reproduction fidèle d'une image dans
couleurs sur 10 bits. Malgré un niveau de contraste
ses nuances les plus subtiles requiert une
modéré, il présente des performances supérieures à des
technologie avancée que l'on ne trouve
modèles concurrents présentant un contraste deux fois
malheureusement que sur des cartes
supérieur et travaillant avec 12 bits/couleur ! Cela
graphiques et des écrans haut de gamme,
tel ce LaCie 321 (1700 €) qui n'offre
s'explique par la technologie utilisée qui fait toute la
pourtant qu'un contraste de 500:1. Ses
différence.
performances tiennent à sa technologie.
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
http://www.astrosurf.com/luxorion/rapport-restitution-images-ordinateur2.htm (2 sur 6) [01/09/2008 15:08:45]
La restitution des images sur ordinateur
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
http://www.astrosurf.com/luxorion/rapport-restitution-images-ordinateur2.htm (3 sur 6) [01/09/2008 15:08:45]
La restitution des images sur ordinateur
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.
Diagramme de chromaticité xyY
de l'oeil établi par la CIE. C'est le
point blanc à x=y=1/3 qui
détermine l'intensité des
phosphores RGB pour afficher le
blanc pur à l'écran.
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.
Distribution des espaces RGB et
CMYK comparé à celui de l'oeil
(le gamut en arrière-plan).
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
http://www.astrosurf.com/luxorion/rapport-restitution-images-ordinateur2.htm (4 sur 6) [01/09/2008 15:08:45]
La restitution des images sur ordinateur
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.
Grâce à ce référencement précis des couleurs, dorénavant l'industrie graphique et finalement tous les
infographistes ne parlent plus de couleurs en termes imagés mais les définissent par rapport à leurs coordonnées
dans l'un ou l'autre espace colorimétrique, généralement L*a*b, Adobe RGB (1998), sRGB ou encore dans
l'espace TSL ou CMYK. Tout le monde utilise ainsi les mêmes références, rendant les conversions entre
gamuts plus aisées.
Concrètement, l'utilisateur est aidé par toutes une série de logiciels graphiques qui affichent les gamuts de
couleurs ainsi que des catalogues de couleurs sur papier, métal, tissu, etc. Quand il faut convertir un espace de
couleurs dans un autre, il suffit de le sélectionner dans l'application et au besoin d'appliquer le profil
d'ajustement (profil ICC) adapté au périphérique. A partir d'un espace L*a*b par exemple, en quelques clics de
souris on peut facilement le convertir dans la gamme de couleurs supportées par une imprimante et préserver
ainsi la qualité des couleurs que nous avions à l'écran.
Problèmes en suspens
Tous ces espaces colorimétriques ont leur utilité et ainsi que nous l'avons brièvement expliqué, au
bout de 46 ans de recherches, l'espace L*a*b est devenu de facto le standard, "l'observateur moyen
idéal". Mais en pratique, l'univers de la couleur est loin d'être idéal.
Il existe par exemple un catalogue Pantone, un espace colorimétrique initialement inventé pour les
besoins de l'industrie cosmétique en 1963. Il est devenu un standard mais certaines de ses nuances
tombent en dehors des gamuts RGB et CMY. C'est ainsi que si vous souhaitez reproduire les couleurs
officielles d'un drapeau par exemple ou le logo d'une entreprise, vous n'arriverez jamais à les
reproduire exactement en utilisant les espaces précités. Vous devez impérativement indiquer dans les
paramètres de votre système d'impression que vous voulez convertir votre espace de couleurs de
travail dans l'espace Pantone.
Par ailleurs, indirectement car lié à la standardisation, il n'existe pas de définition "scientifique" des
couleurs primaires RGB. La CIE a simplement défini leur longueur d'onde en 1931 : la couleur bleue
correspond à une longueur d'onde de 435.8 nm, le vert à 546.1 nm et le rouge à 700 nm. Mais ainsi
que nous l'avons expliqué, cela ne suffit pas pour caractériser une couleur. Elle peut encore varier,
par exemple en fonction de l'intensité de la lumière du jour ou de l'écran utilisé (d'où l'intérêt de la
calibration). Plusieurs normes ont été édictées afin d'uniformiser les règles entre pays ou industries
http://www.astrosurf.com/luxorion/rapport-restitution-images-ordinateur2.htm (5 sur 6) [01/09/2008 15:08:45]
La restitution des images sur ordinateur
dont la plus connue est la norme ou recommendation CIE 709 (Rec. 709). Mais elle ne peut
empêcher les erreurs existant au sein des espaces colorimétriques.
Enfin, accessoirement la CIE a défini un "point blanc" standard, mais il a été plusieurs fois corrigé.
Aujourd'hui il existe une poignée de température de couleur "standards", des luminants comme on
les appelle, parmi lesquels D50 (lumière du jour de 5000 K) et D65 (lumière du jour de 6500 K) sont
les plus courants. Mais les Etats-Unis voient les choses différemment de l'Europe qui elle-même les
voit différemment du Japon... Bon courage pour harmoniser les couleurs ! Comme ce n'est pas
possible, il reste à ajuster les couleurs en fonction de ces standards.
Et donc chaque infographiste, chaque imprimeur, chaque photographe adepte du numérique doit
consacrer quelque temps à corriger ses photos où les convertir dans d'autres espaces de couleurs en
fonction de la destination du document. Vous pouvez bien sûr ignorer ces corrections qu'un
observateur ordinaire ne verra sans doute pas, mais l'oeil critique d'un professionnel verra la perte
de détails dans les faibles lumières par exemple, les zones surexposées, les dominantes, etc, et ne
pourra accepter ce tirage s'il fait consciencieusement son travail.
Nous en dirons plus sur ces espaces colorimétriques et leur usage lorsque nous aborderons la
question de la reproduction des couleurs et leur fidélité dans l'article consacré à la gestion des
couleurs sur ordinateur.
Prochain chapitre
Encodage des couleurs
Page 1 - 2 - 3 - 4 - 5 Back to:
HOME
http://www.astrosurf.com/luxorion/rapport-restitution-images-ordinateur2.htm (6 sur 6) [01/09/2008 15:08:45]
Copyright & FAQ