2.2
Physiologie du système visuel humain
Tous ces effets sont produits par notre système visuel qui, à partir de la couleur, va créer une inter- prétation de cette dernière. Premièrement cette couleur est avant toute chose une onde électromagnétique comprise entre 380 et 780 nanomètres. Cette onde est ensuite captée par l’œil puis transmise au cerveau. Toute cette chaîne physiologique est appelée système visuel humain (SVH). Parmi les cinq sens c’est celui de la vision qui est le plus développé et une grande partie de notre cerveau lui est dédiée. Pour être plus précis quatre-vingt-dix pour cent des neurones du cerveau humain sont dédiés à ce sens.[82] Ce qui explique son importance chez l’être humain mais aussi la complexité de son fonctionnement, faisant de l’analyse et de la modélisation de celui-ci une tâche ardue.
Avant toutes choses, il est bon de rappeler la distinction entre les deux notions liées à la couleur : La pre- mière que nous appeleront valeur physique de la couleur qui correspond à sa valeur brute. Cette valeur, sous forme d’onde électromagnétique est mesurée à l’aide de capteur comme un spectrocolorimètre qui va la convertir dans différents espaces couleur. La deuxième que nous appeleront sensation de la couleur correspond au résultat de l’interprétation de cette couleur physique par le SVH. Ainsi une même couleur physique sera perçue différemment en fonction de son environnement comme dans beaucoup d’exemple du chapitre précédent.
C’est pourquoi beaucoup de scientifiques ont tenté de modéliser notre système visuel afin de pouvoir obtenir la sensation colorée. La physiologie de l’être humain étant vraiment complexe, de nombreux modèles, certains simples et d’autres plus complexes, ont vu le jour. Ces modèles tentent de reproduire toute la chaîne de traitement de l’information partant de la valeur physique de la couleur, captée par l’œil, passant par la rétine et enfin interprétée par le cerveau. C’est cette chaîne physiologique qui sera brievement décrite dans les prochaines sections.
2.2.1 l’œil
L’œil est le capteur du système visuel humain. C’est lui qui va convertir le signal lumineux en signal électrique. L’œil est constitué de différentes parties qui permettent de contrôler la quantité de lumière reçue sur la rétine, la focalisation des objets et la position du regard. Ces fonctions sont respectivement réalisées par la pupille, le cristallin et les saccades occulaires. Avant d’atteindre la rétine, la lumière traverse divers composants optiques :
– La cornée qui correspond à la surface externe de l’œil, – Le cristallin,
– La pupille, dont la couleur noire s’explique par la présence au fond de l’œil de cellules pigmentées qui absorbent la lumière,
– L’iris qui contrôle la contraction du diamètre de la pupille, s’adaptant automatiquement aux condi- tions d’éclairage.
La figure 2.3 est une représentation schématique de l’œil humain.
La cornée est le tout premier et nécessaire outil de la vision. C’est la partie antérieure transparente du globe oculaire, en forme de calotte sphérique et légèrement saillante. Elle couvre environ un cinquième de la surface de l’œil et est responsable de la majeur partie de la réfraction de la lumière dans l’œil. Les problèmes de vision tels que la myopie, l’hypermétropie ou l’astigmatisme peuvent être attribués à la forme de cette dernière.
La lumière pénètre ensuite le cristallin qui baigne entre l’humeur acqueuse et l’humeur vitrée de l’œil. Pour obtenir une image nette au centre de la rétine, il dévie les rayons lumineux à l’aide de muscles qui le maintiennent.
L’iris est une membrane circulaire qui peut se contracter ou se dilater. Ce réflexe physiologique permet d’adapter la vision à la luminosité ambiante. C’est cet organe qui va controler l’adaptation lumineuse. Ainsi, si la luminosité ambiante est forte, l’iris se contracte, tel un diaphragme, ce qui diminue l’intensité lumineuse qui vient frapper le centre de la rétine, et vice versa.
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FIG. 2.3 – Représentation schématique de l’œil
2.2.2 la rétine
La rétine est l’élément essentiel dont dépendent les propriétés de l’œil, car elle contient à la fois les cellules sensibles à la lumière et celles qui transmettent l’information au cortex visuel. Sur une surface totale d’environ 11 nm2nous trouvons environ 150 millions de cellules nerveuses formant une structure complexe. La rétine est formée de trois couches de cellules. La figure 2.4 illustre les différentes cellules qui la composent.
La première couche dite couche de photorécepteurs assure la transformation du signal lumineux en un signal électrique. Elle est constituée de 137 millions de cellules : les bâtonnets et les cônes. Ont peut la considérer comme un disque composé de cellules avec en son centre la fovéa : la zone de la rétine où la vision des détails est la plus précise. En effet, la fovéa est essentiellement composée de cônes très proches les un des autres.
Les bâtonnets ont une forme cylindrique et on peut en dénombrer environ 100 à 120 millions. Ces cellules réceptrices fonctionnent principalement dans le domaine scotopique (<= 0.034cd/m2) et sont sensibles aux formes. Les bâtonnets ne traitent pas l’information couleur et sont surtout situés en périphérie de la fovéa.
Les cônes, au nombre de 6.5 millions, fonctionnent dans le domaine photopique (>= 3.4cd/m2) et traitent l’information de la couleur. Ils se situent au voisinage de la fovéa avec une densité de l’ordre de 120 unités par degré. Trois sortent de cônes existent : L, M et S, formés de photopigments. Chaque type de cônes est caractérisé par son pic et sa gamme de sensibilité. Chaque pigment absorbe un spectre de lumière différent. Le tableau 2.1 montre les différentes sensibilités des cônes.
Le domaine mésopique, situé entre les deux précédents est peu exploré. Cette vision se situe lors du passage d’une vision à l’autre lors du crépuscule par exemple où les objets nous paraîssent un peu bleu- tés. C’est la frontière entre les deux visions, lorsque les bâtonnets commencent à s’activer et les cônes à baisser leur activité.
Après la couche de photorécepteurs, vient la couche granuleuse interne qui comporte trois types de cel- lules. Les cellules bipolaires, qui assurent la transmission de l’information entre les deux autres couches de la rétine, les cellules horizontales qui ajustent le message nerveux en modulant l’information visuelle par la prise en compte des couleurs environnantes et les cellules amacrines qui ajustent le message ner- veux en modulant l’information visuelle par la prise en compte des contours, de la luminosité et du mélange de couleurs des objets.
Enfin, la couche de cellules ganglionnaires constitue le nerf optique : elle est formée d’environ un million de neurones et relie la couche inférieure au cerveau.
2.2. Physiologie du système visuel humain 25
FIG. 2.4 – Les différentes cellules composant la rétine CônePhotopigment Pic de sensibilité Gamme de sensibilité
S cyanomable 430 nm 400 - 500 nm M chlorolabe 535 nm 460 - 680 nm L erytholabe 565 nm 480 - 700 nm
TAB. 2.1 – Composition pigmentaire et sensibilité des cônes
2.2.3 le cerveau visuel
Le comportement du cerveau visuel reste encore mal connu. Des travaux réalisés sur les primates ont permis quelques grandes avancées sans que ces résultats puissent être systématiquement transférable au fonctionnement du SVH. Ces recherches ont toutefois permis de mettre en évidence trois résultats : La rétinopie, l’organisation en couches et l’organisation en colonnes.
– La rétinotropie exprime le fait que la surface fovéale de la rétine, se projette sur près de la moitié de la surface corticale. L’autre partie du champ visuel de la rétine occupe la moitié restante, ce qui explique que les capacités visuelles y sont dégradées.
– Le cortex visuel est organisé en 6 couches qui sont plus ou moins spécialisées dans des aspects de traitement de l’information. Elles sont généralement notées de I à VI. La couche IV qui est subdivisée en sous couches reçoit l’information en provenance du corps genouillé latéral. L’aire IV oriente l’information reçue vers les autres aires en fonction de leurs spécifications.
– La mise en évidence d’une organisation en colonnes résulte des travaux de Huber et al. [10]. Ils ont montré que l’organisation en couche précédemment décrite est combinée à un traitement vertical. Ainsi chaque colonne du cortex visuel traite une caractéristique de l’information : lumi- nance, contraste, couleur, mouvement, forme, etc. Ces auteurs, ont tout particulièrement étudié l’influence de l’orientation spatiale et il apparaitrait que le cortex réagit très finement en fonction de l’orientation du stimulus : un écart de 10 degrés entraîne des variations significatives.
Pour la reconnaissance des couleurs par le cortex visuel, diverses théories existent. Pour certains auteurs comme Livingstone [57] il existe des blobs dans l’aire visuelle qui répondent à la stimulation chromatique alors que les interblobs répondent à des stimulations achromatiques. Pour T’SO et al. [11] il existe deux types de blobs liés à la réponses des cônes : un type sensible aux réponses antagonistes rouge/vert et un autre type sensible aux réponses antagonistes bleu/jaune. Les zones interblobs répondent quant à elles
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à une simulation achromatique blanc/noir. Pour de Valois [63], il existe deux types de blobs : un type sensible aux courtes longueurs d’ondes, l’autre aux longues.
2.2.4 les dyschromatopsies
Le physicien anglais John Dalton a décrit il y a deux siècles l’anomalie de la vision des couleurs dont il était atteint, ouvrant la voie à une ère passionnante de découvertes portant sur la physiologie de la perception colorée. Cette ère est loin d’être éteinte.
L’un des aspects les plus actuels de l’étude des dyschromatopsies concerne les avancées formidables dans le domaine de la génétique moléculaire qu’elles ont récemment suscitées et dont l’intérêt rejaillit sur l’ensemble de la génétique moderne.
De même, c’est en bonne partie l’étude de la perception cérébrale de la couleur qui a permis, il y a quelques années, de parfaire nos connaissances dans le domaine si complexe de la neurophysiologie et de la cartographie cérébrale.
Le daltonien ne dispose pas des trois canaux normaux pour former les couleurs.
– soit l’un des canaux est absent, alors le daltonien est « dichromate », il ne forme les couleurs qu’à l’aide de 2 canaux :
– si le rouge manque, le sujet est appelé protanope – si le vert manque, il est deutéranope (le plus fréquent) – si le bleu manque (extrêmement rare), il est tritanope.
– soit l’un des canaux est présent mais déficient, le daltonien est alors « trichromate anormal » : – si le rouge est déficient, il est appelé protanomal,
– si c’est le vert, il est deutéranomal, – si c’est le bleu, il est tritanomal.
Plus l’anomalie est importante, plus la gêne du porteur est grande. Chez le trichromate anormal, les erreurs sont peu visibles dans la vie courante. Par contre, chez le dichromate, il existe d’importantes confusions colorées qui le rendent totalement inapte à toute tâche professionnelle ayant une forte impli- cation colorée.
Il est habituel de dire que les daltoniens confondent le vert avec le rouge, en réalité, leur perception du monde coloré est très éloignée de celle du trichromate normal en ce sens que leur environnement ne comporte que deux couleurs dominantes (habituellement le bleu et le jaune), mais avec un grand nombre de nuances. La figure 2.5 montre une représentation de ce que verrait un observateur protanope et un observateur deutéranope.