Intégration des effets spatiaux et spatiotemporels dans la prédiction de l'apparence colorée

THÈSE

pour l’obtention du Grade de

D

’U

P

(Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées)

École Doctorale : Sciences Pour l’Ingénieur et Aéronautique Secteur de Recherche : Traitement du Signal et des Images

Présentée par :

Olivier T

ULET

Intégration des effets spatiaux et spatiotemporels

dans la prédiction de l’apparence colorée

Directeurs de Thèse :

Christine F

-M

Mohamed C

L

Pour une demande de soutenance le 6 Juillet 2009 devant la Commission d’Examen composée de :

S. Westland Professeur, Department of Colour Chemistry, University of Leeds . . . Rapporteur P. Bonton Professeur, Laboratoire LASMEA, Université Blaise Pascal . . . Rapporteur J. Stauder Ingénieur de recherche, Thomson R&D . . . Examinateur V. Jolivet Maître de conférences, XLIM-DMI, Université de Limoges . . . Examinateur M.C. Larabi Maître de conférences, Université de Poitiers, SIC . . . Co-directeur de Thèse C. Fernandez-Maloigne, Professeur, Université de Poitiers, SIC . . . Directeur de Thèse

R

ÉSUMÉ

Cette thèse cherche à étudier le comportement spatio-temporel couleur du système visuel humain. Les modulations, qu’elles soient spatiales, temporelles ou spatio-temporelles des stimuli modifient notre perception des couleurs et de nombreux travaux cherchent à mesurer cette influence. C’est en vue d’une prise en compte de ces phénomènes par un modèle d’apparence couleur (CAM, de l’anglais Color Appea-rance Model) que ces travaux ont été réalisés. Pour répondre à ce besoin différents tests psychophysiques ont été menés. Le premier de ces tests a permis de mesurer l’influence des modulations spatiales sur la perception des couleurs dans un environnement standard. Les résultats de ce test ont été modélisés puis intégrés dans le modèle d’apparence couleur normalisé par la CIE : Le CIECAM02. Ce nouveau modèle, capable de prendre en compte des modulations spatiales, permet de corriger l’apparence de stimuli mo-dulés spatialement à l’instar des CAMs existant.

Une extension de ce modèle aux images a ensuite été réalisée. Cette extension se sert des propriétés fré-quentielles de l’image afin d’en rehausser le contraste couleur et/ou d’appliquer une correction basée sur la constance de couleur. Différents tests ont été réalisés sur ce modèle et sont présentés dans ces travaux. Enfin, une mesure de l’influence des modulations spatio-temporelles a été effectuée à l’aide d’un test psychophysique. Les résultats de ce dernier permettent de mesurer l’influence de ces modulations sur notre perception des couleurs d’un stimulus dynamique. Le modèle issu de ces expériences a été inté-gré dans le CIECAM02 donnant naissance au ST-CIECAM02. Modèle qui peut désormais prendre en compte et corriger l’apparence couleur de stimuli vidéos.

Parmi les perspectives de ce travail, nous pouvons citer une prise en compte de l’influence de l’orientation de ces modulations ainsi qu’une extension du ST-CIECAM à la correction de l’apparence de séquences vidéos.

Mots Clés :

Modèle d’apparence couleur, modulation spatiale et spatio-temporelle, tests psychophysiques, percep-tion, modèle de rendu.

0.1

Abstract

This PhD thesis aims to study the spatial and temporal behaviour of the human visual system colour perception. Modulations, whether spatial, temporal or spatio-temporal of stimuli alter our perception of colour and a lot of works try to measure this influence. It is to take account of these phenomena by a colour appearance model (CAM) that this work was carried out. To meet this need various psychophy-sical tests were conducted. The first of these tests was to measure the influence of spatial variations on the perception of colours in a standard environment. The results of this test were modelled and then in-tegrated into the CAM normalized by CIE : The CIECAM02. This new model, able to take into account the spatial modulations, can correct the appearance of spatially modulated stimuli like existing CAMs in addition to the spatial effect.

An extension of this model to images was then performed. This extension makes use of the frequency III

properties of the image in order to enhance the colour contrast and / or apply a correction based on the colour constancy.

Different tests were made on this model and are presented in this work.

Finally, a measure of the influence of spatio-temporal modulations was performed using a psychophy-sical test. The results of the latter allow to measure the influence of these modulations on our colour perception of a dynamic stimulus. The model emerged from these experiences has been incorporated in CIECAM02 leading to ST-CIECAM02. This model can now take into account and correct the colour appearance of video stimuli.

Among the future work, we can include a consideration of the influence of the orientation and an ex-tension of ST-CIECAM to correct the appearance of video sequences.

S

OMMAIRE

0.1 Abstract . . . III

1 La couleur et son apparence 1

1.1 La couleur . . . 1

1.1.1 Couleur et lumière . . . 2

1.1.2 Couleur et matière . . . 3

1.1.3 Un peu d’histoire . . . 4

1.2 Décrire la couleur . . . 5

1.2.1 Luminosité, Clarté et Luminance . . . 5

1.2.2 Chroma et Saturation . . . 5

1.2.3 Teinte . . . 6

1.2.4 Quelques rapports . . . 6

1.3 Les espaces couleurs . . . 7

1.3.1 RGB . . . 7

1.3.2 XYZ . . . 8

1.3.3 Espaces perceptuels uniformes . . . 9

1.3.4 JCh . . . 11

1.3.5 Autres espaces . . . 11

1.4 Apparence . . . 11

1.4.1 Quelques phénomènes liés à l’apparence . . . 12

1.5 Référence des figures . . . 20

2 Système visuel humain et contraste 21 2.1 La vision . . . 21

2.1.1 Condition d’observation . . . 21

2.1.2 Le champ visuel . . . 22

2.2 Physiologie du système visuel humain . . . 23

2.2.1 l’œil . . . 23

2.2.2 la rétine . . . 24

2.2.3 le cerveau visuel . . . 25

2.2.4 les dyschromatopsies . . . 26

2.3 Les fréquences spatiales et le système visuel . . . 26

2.4 Contraste et sensibilité au contraste . . . 28

2.4.1 Le contraste clair-obscur . . . 28

2.4.2 Le contraste de couleur en soi . . . 29

2.4.3 Le contraste chaud-froid . . . 29

2.4.4 Le contraste des complémentaires . . . 30

2.4.5 Le contraste de qualité . . . 30

2.4.6 Le contraste de quantité . . . 30 V

2.4.7 Le contraste simultané . . . 31

2.5 Référence des figures . . . 31

3 Les modèles d’apparences couleurs 33 3.1 Un peu d’histoire . . . 34 3.2 CIELAB . . . 34 3.3 Le modèle de Hunt . . . 35 3.3.1 Inconvénients . . . 36 3.4 Nayatani . . . 36 3.4.1 Inconvénients . . . 36 3.5 Le CIECAM97 . . . 36 3.6 Le CIECAM02 . . . 37 3.6.1 Données d’entrée . . . 37

3.6.2 Transformation d’adaptation chromatique . . . 39

3.6.3 Attributs d’apparence . . . 40

3.6.4 CIECAM02/CIECAM97 . . . 43

3.6.5 Exemple . . . 43

3.7 Autres modèles . . . 45

3.8 Recapitulatif . . . 46

4 S-CIECAM02 :Extension spatiale du CIECAM02 47 4.1 Procédure . . . 47 4.2 Protocole expérimental . . . 48 4.2.1 Description du test . . . 48 4.2.2 Conditions d’expérimentation . . . 50 4.3 Résultats . . . 53 4.3.1 Premiers traitements . . . 54 4.3.2 Discussion . . . 59 4.3.3 Modélisation . . . 59 4.3.4 Intégration au CIECAM02 . . . 61 4.3.5 Pour conclure . . . 67 5 Amélioration du rendu 69 5.1 Approches existantes . . . 70 5.1.1 iCAM . . . 70

5.1.2 réhaussement de contraste couleur . . . 73

5.1.3 Modèles de constance de couleur (color constancy) . . . 73

5.2 Modèle proposé . . . 74

5.2.1 Passage dans le domaine XYZ . . . 74

5.2.2 Utilisation du modèle d’apparence couleur . . . 75

5.2.3 Module fréquentiel . . . 76 5.2.4 Inversibilité . . . 78 5.3 Expérimentations . . . 79 5.3.1 Modèle de rendu . . . 79 5.3.2 Changement d’éclairage . . . 81 5.3.3 Résultats . . . 82

5.3.4 Photo sous marines . . . 84

5.4 Pour conclure . . . 84 VI

6 ST-CIECAM02 :Extension spatio temporelle du CIECAM02 87

6.1 Existant . . . 87

6.1.1 Les fréquences temporelles . . . 87

6.1.2 Les fréquences spatio-temporelles . . . 88

6.2 Procédure . . . 89 6.3 Protocole expérimental . . . 89 6.3.1 Description du test . . . 89 6.4 Résultats . . . 92 6.4.1 Premiers traitements . . . 92 6.4.2 Résultats du test . . . 92 6.4.3 Discussion . . . 94 6.4.4 Modélisation . . . 95

6.4.5 Confrontation avec les résultats du S-CIECAM (fréquence nulle) . . . 96

6.4.6 Intégration au CIECAM02 . . . 97

6.4.7 Premiers résultats . . . 98

6.4.8 Changement d’environnement . . . 99

6.4.9 Pour conclure . . . 99

A Annexe 1 : Transformée d’adaptation chromatique 103 B Annexe 2 : Les 12 règles du modèle d’apparence couleur selon Hunt 105 C Annexe 3 : Résultats Rendu 107 D Annexe 4 : Résultats Clarté 125 D.1 Résultats Clarté expérience/modélisation . . . 125

E Annexe 5 : Résultats Chroma 131 E.1 Résultats Chroma expérience/modélisation . . . 131

F Annexe 6 : Résultats Teinte 137 F.1 Résultats Teinte expérience/modélisation . . . 137 G Annexe 7 : Transformée de Fourier 2D 143

Bibliographie 147

I

NTRODUCTION

Contexte et motivations

De nos jours, l’industrie de la couleur prend une part de plus en plus importante dans le monde in-dustriel. Que ce soit aussi bien sur des panneaux publicitaires, sur des médias télévisuels ou des couleurs d’emballage, l’apparence des produits fait partie du quotidien. Le nombre de supports différents est lui aussi très varié. C’est pour des raisons de passage d’un média à un autre que des outils ont été inventés afin de quantifier la couleur et son apparence ainsi que les effets qui lui sont liés.

Car oui, l’apparence de la couleur et la couleur en elle même sont deux valeurs dissociables et ce que l’on voit ne correspond pas toujours à la valeur physique de la longueur d’onde reçue par notre capteur : l’œil. En effet notre vision d’une couleur est influencée par tout l’environnement autour de cette der-nière. Ainsi les feux d’une voiture vont nous éblouir pendant la nuit sombre alors qu’on ne les apercevrai quasiment pas de plein jour. Notre cerveau va interpréter l’information couleur perçue en fonction de son environnement et va interpréter à sa manière la couleur qu’il reçoit. De cette façon chaque individu perçoit des couleurs différentes en fonction de son capteur, et de son interprétation. Des personnes vivant dans un lieu proche de l’équateur et étant habituées à plus de luminosité que des personnes vivant aux pôles, par exemple, n’auront pas la même interprétation de la couleur.

De nombreux modèles ont été créés, essayant d’imiter le comportement du système visuel humain, afin de définir notre sensation de la couleur en fonction de l’environnement dans laquelle on va la visua-liser. Ces modèles baptisés CAM pour modèle d’apparence couleur sont capables de prendre en compte un grand panel de phénomènes influençant notre vision des couleurs. Cependant, les fréquences qui in-fluencent notre vision de la couleur, malgré de nombreuses études cherchant à en mesurer l’étendue, ne sont prises en compte dans aucun de ces modèles.

Ce manuscrit décrit le travail entreprit dans l’optique de proposer des solutions spatiales et spatio-temporelles au problème de l’apparence colorée de stimuli complexes. L’orientation suivie est basée sur une série de tests psychophysiques permettant d’appréhender la perception couleur d’un observateur afin de l’approcher par un modèle mathématique assurant la reproductabilité de la correction perceptuelle. Basée sur une expérience psychophysique qui va permettre de mesurer l’influence des fréquences spa-tiales sur notre vision des couleurs, une correction va être réalisée et insérée dans un modèle d’apparence couleur : le CIECAM02. Ce modèle, baptisé ainsi à cause de sa validation par le Commité International de la lumiEre (CIE), donne de très bon résultat et est capable de corriger beaucoup de phénomène d’appa-rence colorée. Cependant, comme ses congénères, il n’est pas capable de corriger les effets d’appad’appa-rences créés par les modulations fréquentielles, que celle-ci soit spatiale, temporelle, ou spatio-temporelle. L’expérience, consiste en un ajustement de paramètres perceptuels (clarté, chroma et teinte) en face de différentes modulations spatiales. Elle répond bien évidemment à de nombreux critères expérimentaux tels que la calibration de l’écran, de la salle, la prise en compte de la vision des observateurs, etc. Les résultats obtenus seront modélisés, puis intégrés au modèle existant afin que ce dernier puisse tenir en compte des modulations spatiales. Le nouveau modèle créé sera capable de prendre en compte l’influence

de cette modulation spatiale sur notre vision et permettra la correction de stimuli.

Les résultats de ce modèle sont encourageants mais le défaut des modèles d’apparence couleur est qu’ils ne s’appliquent qu’à des stimuli simples. C’est pourquoi une extension de ce modèle aux images a été élaborée. Cette extension, basée sur une décomposition du spectre de Fourier, permet d’améliorer sensiblement le contraste coloré d’une image. Ce modèle peut aussi servir pour les problématiques de constance de couleur et permettre de connaître comment un observateur percevrait une image sous diffé-rentes conditions. Ce modèle va aussi nous permettre de rehausser le contraste d’images.

Enfin, de la même manière que les fréquences spatiales, l’effet induit par les fréquences spatio-temporelles n’est pas pris en compte. Les modulations spatiales suffisent pour décrire une image fixe mais dès que l’on travail sur un support vidéo il nous faut regarder des données temporelles. C’est ce que propose la dernière expérience décrite dans ce manuscrit. Basée sur un ajustement de critères per-ceptuels encore une fois, cette expérience psychophysique va mesurer l’influence des fréquences spatio-temporelles sur notre perception en vue d’une insertion au CIECAM02.

Organisation du mémoire

Ce mémoire s’organise en six parties.

Tout d’abord, il faut définir quelques notions importantes sur le monde de la couleur. C’est ce que se propose de rappeler notre premier chapitre en décrivant ce qu’est la lumière, en définissant la perception et les effets qui lui sont liés.

Le deuxième chapitre décrit comment à partir de l’onde lumineuse le cerveau va obtenir l’informa-tion couleur. Cette partie va aussi définir les différents contrastes couleur existant dans la littérature afin d’en déceller les spécificités de chacun d’entre eux.

Ce travail étant porté essentiellement sur l’apparence colorée, un chapitre entier (chapitre 3) sera dédié aux modèles d’apparence couleur. Ceci afin de déterminer les principaux critères de l’apparence colorée ainsi que les modèles existant dans la littérature.

C’est à partie du quatrième chapitre que sera exposé l’expérience envisagée pour mesurer l’influence des modulations spatiales sur notre vision. Cette partie décrira, entre autres, les conditions expérimen-tales, les résultats de l’expérience, leur intégration au CAM, ainsi que des résultats du tout nouveau modèle obtenu.

Le chapitre cinq est très lié au précédent puisqu’il décrit une extention du modèle aux images. Il est basé sur une décomposition du spectre de Fourier, et une interprétation du contenu permettant de recons-tituer les principales entrées du CAM.

Le chapitre six décrit l’expérience psychophysique réalisée afin de mesurer l’influence des fré-quences spatio-temporelles sur notre vision. Ici aussi des résultats sont modélisés et intégrés au CAM afin d’effectuer une correction spatio-temporelle de stimuli, laquelle s’avère concluante.

Enfin nous conclurons sur ce travail et sur l’aboutissement des différentes parties le constituant. Aussi, ce dernier chapitre est l’occasion d’évoquer les perspéctives possibles à ce travail à court et moyen termes.

CHAPITRE1

L

A COULEUR ET SON APPARENCE

La couleur est par excellence la partie de l’art qui détient le don magique. Alors que le sujet, la forme, la ligne s’adressent d’abord à la pensée, la couleur n’a aucun sens pour l’intelligence, mais elle a tous les pouvoirs sur la sensibilité.[Eugène Delacroix]

Sommaire 1.1 La couleur . . . 1 1.1.1 Couleur et lumière . . . 2 1.1.2 Couleur et matière . . . 3 1.1.3 Un peu d’histoire . . . 4 1.2 Décrire la couleur . . . 5

1.2.1 Luminosité, Clarté et Luminance . . . 5

1.2.2 Chroma et Saturation . . . 5

1.2.3 Teinte . . . 6

1.2.4 Quelques rapports . . . 6

1.3 Les espaces couleurs . . . 7

1.3.1 RGB . . . 7

1.3.2 XYZ . . . 8

1.3.3 Espaces perceptuels uniformes . . . 9

1.3.4 JCh . . . 11

1.3.5 Autres espaces . . . 11

1.4 Apparence . . . 11

1.4.1 Quelques phénomènes liés à l’apparence . . . 12

1.5 Référence des figures . . . 20

1.1

La couleur

La couleur est sœur de lumière et est présente depuis tout temps. Elle en a enflammé des cœurs d’ artistes, ébahit des spectateurs. . . Que serait notre monde sans couleur ? Surement un endroit gris triste et terne. Mais elle est là et chaque jour nous pouvons en jouir tout à souhait.

Qui n’a pas un jour déjà été rempli d’admiration devant une toile ou une photo magnifique. La couleur représente les objets, change la perception que l’on a des choses et fait partie de notre quotidien. Elle change non seulement l’apparence visuelle, mais est également reliée à des significations et des senti-ments. Par exemple, le vert est la couleur de la neutralité et de l’impartialité, le jaune est symbole de la

2 CHAP 1 - LA COULEUR ET SON APPARENCE

FIG. 1.1 – Le soleil

convivialité et de l’échange et le bleu est la couleur de la sérénité. Dans les entreprises, utilisée correcte-ment, la couleur permet d’améliorer l’ambiance de travail, de favoriser la productivité et d’optimiser la communication.

La couleur se joue aussi souvent de nous. En effet, de nombreuses illusions d’optiques colorées se servent de l’interprétation de notre cerveau afin de nous jeter de la poudre aux yeux et de nous faire voir des choses qui ne sont pas forcément la réalité. Mais d’où nous vient cette incroyable diversité des cou-leurs ? et pourquoi percevons nous différemment la couleur ? Quels sont ces effets visuels qui troublent ou influencent notre vision des couleurs. C’est ce que ce premier chapitre va décrire. . .

1.1.1 Couleur et lumière

La couleur et la lumière sont deux notions indissociables [60]. Par principe quand on se retrouve en absence de toute lumière, on est dans le noir absolu et l’on ne peut plus distinguer aucune couleur. C’est donc bien la lumière qui va d’abord transporter l’information couleur.

La principale source lumineuse de notre planète, c’est notre bon vieux soleil (figure 1.1). Composé de 74 % d’hydrogène, de 24 % d’hélium et d’une fraction d’éléments plus lourds. Notre astre, situé à peu près à 150 millions de kilomètres, produit des rayons lumineux qui mettent environ 8 minutes à nous parvenir. Cependant bien que notre étoile produise la plus grande partie de l’éclairage sur terre, ce n’est pas la seule source de lumière. A partir de là, il va falloir en distinguer deux sortes :

– Les sources primaires : Les sources primaires produisent de la lumière par elles-mêmes. Cette émission est possible car il y a transformation d’une énergie chimique (bougie), électrique (lampe, enseigne), biochimique (ver luisant) ou nucléaire (soleil, étoile) en énergie lumineuse.

Il existe deux sortes de sources primaires. Les unes rayonnent par incandescence et les autres par luminescence. Dans le premier cas, le rayonnement est émis parce que l’objet est chaud (étoile, lampe, bougie. . . ). Dans le deuxième cas, de la lumière dite froide est émise quand le rayonnement provient de transformations qui ont lieu à l’intérieur des atomes. Par exemple, les atomes du gaz néon transforment l’énergie électrique reçue en énergie lumineuse.

– Les sources secondaires : Les sources secondaires ou objets diffusants sont des objets dont la surface éclairée renvoie, dans toutes les directions, une partie de la lumière qu’elle reçoit (la lune en est un parfait exemple).

Cette lumière désigne les ondes électromagnétiques et est intimement liée à la notion de couleur. En effet, si cette onde est présentée à un prisme (cf. figure 1.2), le phénomène de réfraction va décomposer

1.1. La couleur 3

FIG. 1.2 – Prisme

FIG. 1.3 – Spectre visible

la lumière blanche selon les fréquences qui la composent (380 à 780 nm) et le spectre visible apparait alors. Il est représenté par la figure 1.3 et interprété en termes de couleurs. Il y a ainsi potentiellement une infinité de couleurs visibles mais notre système visuel ne peut en différencier qu’un nombre restreint. C’est ainsi qu’Isaac Newton a défini, dans l’arc en ciel, 7 couleurs, davantage parce que 7 était considéré comme un chiffre magique que par signification physique. Ces couleurs sont représentées sur le disque de Newton de la figure 1.4. En effet, en faisant tourner ce disque très vite sur lui même, les couleurs ne sont plus perçues distinctement et à la place c’est un blanc qui apparait.

1.1.2 Couleur et matière

Cette expérience du prisme montre que la couleur va dépendre de la nature même des objets qui sont traversés par la lumière. A la base, les objets n’ont pas de couleur intrinsèque. Ils reçoivent la totalité du spectre de la lumière qui les environne et vont éventuellement la transmettre. Le prisme lui va séparer le spectre visible à l’aide de la réfraction. Bien d’autres phénomènes rentrent en compte, et la couleur d’un objet va dépendre de sa matière, de sa capacité à réfléchir la lumière, de la partie du spectre qu’il absorbe et retransmet. Ce sont toutes ces interactions optiques ou chimiques qui donneront la couleur. Et encore. . . La couleur n’existe que si un observateur est là pour la voir. C’est donc le rayon lumineux renvoyé, vu par un système de vision biologique ou électronique, qui fera la couleur de l’objet. Ainsi la couleur perçue de l’herbe et des feuilles est verte car la chlorophylle qui les compose est capable

4 CHAP 1 - LA COULEUR ET SON APPARENCE

FIG. 1.5 – Spectre d’absorption de la chlorophylle a

d’absorber des rayons de nombreuses longueurs d’ondes, mais pas les rayons de fréquences proches du vert (cf. figure 1.5). Lorsque de la lumière blanche arrive sur une feuille ou un brin d’herbe, tous les rayons sont absorbés par la chlorophylle, exceptés ceux de longueur d’onde correspondant au vert. Ce sont ces rayons-là qui sont réfléchis et qui parviennent à notre œil, c’est pourquoi nous percevons uniquement la couleur verte.

Tous ces phénomènes sont à pondérer par l’environnement de l’objet, la position du système de capture de la scène et de son propre environnement.

1.1.3 Un peu d’histoire

Les hommes ont, à travers les âges, utilisé la couleur pour communiquer (cf. figure 1.1).

– La préhistoire a fait naître les premières peintures rupestres à prédominance rouge et noire. Le noir était constitué en majorité par du charbon de bois et des os tandis que le rouge provenait de l’oxyde de fer trouvé naturellement dans le sol.

– Les Egyptiens utilisaient beaucoup de couleurs pour peindre leurs tissus, leurs temples et leurs sarcophages. L’Egypte est en effet le pays de la couleur, bien que l’aspect extérieur actuel des temples, sous l’effet du soleil et des intempéries, ne gardent que peu de souvenirs de ce temps. Ce sont sans doute eux, il y à environ 4500 ans, qui ont inventé le premier colorant synthétique au monde en créant du bleu à l’aide d’un silicate double, de calcium et de cuivre. De la même manière, ils généraient un colorant vert en ajoutant de la malachite au mélange précédent, en diminuant le cuivre et en enrichissant le mélange en sodium.

– A partir de là, toute coloration devint possible et le Moyen Age a vu l’apparition de plus en plus de colorants, que ce soit à base de plantes ou de minerais afin de garnir les murs de grandes tapisseries relatant des exploits ou pour la création de vitraux pour les églises.

– Vient ensuite la Renaissance avec son siècle des lumières qui a vu l’apparition de peintres célèbres tels Leonard de Vinci ou Delacroix et beaucoup d’autres. . . C’est d’ailleurs à cette période qu’Isaac Newton a pu construire son célèbre disque chromatique (cf. figure 1.4). Ce dernier, composé des couleurs du spectre mises en cercle permit de prouver que la superposition de toutes les couleurs du spectre solaire reproduit la lumière blanche.

– Au dix-neuvième siècle, Henry Perkin (1838-1907), en tentant de synthétiser la quinine pour com-battre le paludisme qui touchait les troupes anglaises stationnées en Inde, mis au point un colorant. Il se rendit vite compte que ce dernier était de très bonne qualité pour les textiles et l’appela pourpre d’aniline, ou mauvéine. Ce fut la gloire et la richesse pour Perkin qui venait d’inventer le premier colorant synthétique utilisable par l’industrie. A partir de ce moment l’industrie tex-tile devint abordable pour tout le monde et la mode des vêtements colorés battit son plein à cette époque.

1.2. Décrire la couleur 5

– Au vingtième siècle, l’invention des frères Lumière, le cinéma, a permis de reproduire le monde et de construire des mondes imaginaires, d’abord en noir et blanc. Mais très vite, que ce soit pour le cinéma, les évolutions de la photographie, la télévision des années 50, les ingénieurs comme les artistes n’ont eu de cesse d’augmenter le réalisme des scènes en imaginant divers procédés pour y reproduire la couleur. Et aujourd’hui, à l’heure du cinéma numérique, la couleur fait partie intégrante du message diffusée à travers une œuvre.

TAB. 1.1 – L’histoire en couleur

1.2

Décrire la couleur

Afin de définir la couleur, de nombreuses notions et mesures ont été mises en place. Ce sont ces mesures que nous allons décrire dans les sections suivantes.

1.2.1 Luminosité, Clarté et Luminance

Souvent confondue ces trois notions ne sont pourtant pas tout à fait les mêmes. Voici, pour les dif-férencier, leurs définitions : La luminosité (brightness) correspond à l’aspect clair, foncé ou terne d’une couleur. Selon l’AFNOR, c’est l’attribut de sensation visuelle selon lequel une surface éclairée par une source lumineuse déterminée paraît émettre plus ou moins de lumière.

La clarté (lightness) se définit comme la sensation visuelle selon laquelle une surface semble émettre plus ou moins de lumière. La clarté est donc une position relative d’une teinte par rapport à l’échelle des gris et permet de qualifier une couleur de pâle à foncée, ou encore de claire à sombre.

Enfin la luminance est la grandeur photométrique de l’effet visuel créé par un flux lumineux et se mesure en candela par mètre carré (cd/m2). Il ne faut pas la confondre avec son homologue la luminance énergétique qui elle définit la puissance énergétique en Watt par unité de surface d’un rayonnement électromagnétique.

1.2.2 Chroma et Saturation

La chroma se définit comme étant la richesse d’une surface en tant que proportion de l’éclat d’une même surface illuminée de façon similaire et qui apparait comme étant blanche.

6 CHAP 1 - LA COULEUR ET SON APPARENCE

FIG. 1.6 – Roue chromatique

La saturation correspond à l’intensité d’une teinte. Cette notion est basée sur la pureté de la couleur ; une teinte hautement saturée délivre une couleur vive et intense tandis qu’une teinte moins saturée paraît plus fade et grise.

1.2.3 Teinte

La teinte est une notion difficile à définir. Elle correspond à une longueur d’onde dominante d’un stimulus. En effet, la teinte est un attribut de sensation visuelle selon laquelle une surface paraît comme proche d’une des couleurs de l’arc en ciel : rouge, jaune, vert, bleu ou la combinaison de deux d’entre-elles. C’est donc une couleur pure, c’est-à-dire sans adjonction de blanc ou de noir qui permettent d’ob-tenir ces nuances.

La teinte est souvent représentée sur une roue chromatique comme le montre la figure 1.6.

Un stimulus achromatique, antagoniste du stimulus chromatique, n’a pas de teinte et n’est donc constitué que de noir et de blanc (image en niveau de gris par exemple).

Ce que l’on appelle teinte est souvent défini par l’angle de teinte (h). Cette mesure part de l’axe rouge et est exprimée en degrés. Un angle de 0° correspond au rouge, 90° au jaune, 180° au vert et 270° au bleu.

1.2.4 Quelques rapports

Il existe bien sûr un lien entre toutes ces notions qui sont souvent dependantes l’une de l’autre. La figure 1.7 montre un exemple pour la chroma du violet. Il existe les relations suivantes :

Chroma = Colorf ullness Luminositéw

, (1.1)

Saturation = Colorf ullness

Luminosité , (1.2)

Clarté= Luminosité Luminositéw

, (1.3)

Luminositéwcorrespond à la luminosité du blanc de référence, tandis que Luminosité correspond à

la luminosité du stimulus observé. De ces formules découle : Saturation = Chroma

Clarté , (1.4)

ou encore :

Saturation = Colorf ullness Luminosité_w ∗

Luminositéw

Luminosité =

Colorf ullness

1.3. Les espaces couleurs 7

FIG. 1.7 – Représentation de la chromaticité et de la clarté du violet

1.3

Les espaces couleurs

1.3.1 RGB

Pour toute personne plus ou moins liée au traitement d’images, l’espace RGB reste de loin le plus utilisé et le plus simple à manipuler. De plus, dans les champs d’application de l’imagerie au sens large du terme, il est devenu normal, du moins par habitude, de manipuler la couleur sous trois composantes (avec des valeurs entières) codées sur 8 bits. Cet attachement à ce système de primaires RGB s’explique principalement par la dépendance aux matériels (cartes d’acquisitions, cartes vidéos, caméras, écrans,. . . ) qui effectuent leurs échanges d’information uniquement en utilisant les triplets (R,G,B).

Cependant, la définition de l’espace de représentation de la couleur qui dépend des primaires et du blanc de référence n’est pas unique. Comme le souligne Vandenbroucke [77], de nombreux systèmes RGBont été définis par différents organismes et sont utilisés dans d’autres domaines d’application que la colorimétrie. Parmi les systèmes RGB définis, nous pouvons distinguer celui dédié à la télévision américaine répondant à la norme NTSC (National Television Standards Committee) et utilisant les pri-maires fixées par la FCC (Federal Communications Commission) et ceux de la télévision européenne utilisant soit la norme PAL (Phase Alternation by Line) adoptée par l’UER (Union Européenne de Radio-télévision) soit la norme française SECAM (SEquentiel Couleur À Mémoire). En plus de ces normes qui n’utilisent pas le même blanc de référence, les moniteurs répondent à leur tour aux normes de leurs constructeurs sans oublier le système de primaires appelé visu couleur qui a été introduit par la CIE spécialement pour les moniteurs couleur CRT [65, 70].

Finalement, comme le remarque Lozano [50], le seul espace qu’il serait légitime de baptiser RGB1, serait sans doute l’espace RGB introduit par la CIE en 1931 [7]. Celui-ci est défini à partir de trois pri-maires monochromatiques de couleurs rouge, verte et bleue comme le montre la figure 1.8. Les longueurs d’ondes associées à chacune des primaires sont les suivantes :

– 700.0 nm pour le rouge, – 546.1 nm pour le vert, – 435.8 nm pour le bleu.

De plus, la puissance de chacune de ces primaires est ajustée de façon à obtenir trois triplets iden-tiques pour tout spectre d’égale énergie. Les expériences ayant permis d’obtenir les fonctions d’apparie-ment R(λ), G(λ) et B(λ) ont été réalisées avec un écart α d’environ 4 degrés (donc, pour des couleurs relativement proches). En 1964, la CIE a défini un autre espace RGB dont les fonctions d’appariement ont été obtenues avec un écart de 10 degrés (donc, pour des taches colorées plus éloignées).

1

8 CHAP 1 - LA COULEUR ET SON APPARENCE

FIG. 1.8 – Cube des couleurs RGB.

Finalement, il est à noter que l’espace RGB défini par la CIE présente quelques inconvénients comme l’existence d’une partie négative dans les spectres et par conséquent, l’impossibilité de reproduire un certain nombre de couleurs par superposition des trois spectres. Ceci peut poser des problèmes dès que l’on désire travailler en synthèse additive (en n’additionnant que des valeurs positives). Afin de pallier les inconvénients, la CIE a défini un espace de représentation de la couleur basé sur trois primaires non visibles X, Y et Z. Cet espace est traité dans la section suivante.

1.3.2 XYZ

Comme nous venons de le décrire, l’espace couleur CIE XYZ a été défini afin de corriger certains défauts de l’espace RGB. Cet espace résulte des travaux de Judd [41] et est constitué de trois primaires X, Y et Z, dites virtuelles. Ainsi, il présente les propriétés suivantes :

– les triplets décrivant chaque couleur en fonction de ses primaires ont tous des valeurs positives pour les spectres visibles (figure 1.9) ;

– la fonction Y (λ) représente approximativement la sensibilité de l’œil humain à la luminosité. Par conséquent, la composante Y est usuellement considérée comme la composante luminance du spectre incident ;

– tout spectre d’égale énergie est associé à un triplet dont toutes les composantes sont égales. Le passage de l’espace RGB à l’espace XYZ s’effectue simplement grâce à une transformation linéaire pouvant être interprétée comme un changement de base comme le donne l’équation 1.6 :

  X Y Z  = A ∗   R G B  , (1.6)

où A est une matrice 3 ∗ 3, dite de passage, ayant la forme suivante :   Xr Xg Xb Yr Yg Yb Zr Zg Zb  , (1.7)

sachant que les coefficients de la matrice A sont directement liés au blanc de référence choisi. Ainsi, les valeurs des primaires X, Y et Z sont conditionnées par ce blanc de référence en plus des primaires R, G et B. Par conséquent, comme le souligne Trémeau [70], plusieurs matrices de passage ont vu le jour suite aux travaux de différents auteurs. Ces différences sont certes minimes mais bel et bien existantes.

1.3. Les espaces couleurs 9

FIG. 1.9 – Les fonctions colorimétriques X(λ), Y (λ) et Z(λ).

Il semble évident à toute personne ayant travaillé sur la couleur que la manipulation des vecteurs de données 3D augmente les difficultés quant aux calculs et à la visualisation. Afin de résoudre ce problème, il est devenu courant d’utiliser une projection des vecteurs 3D sur un plan unitaire où la somme des composantes est égale à 1. Cette somme des trois composantes représente l’intensité de la couleur et non la proportion de chacune des primaires. Ainsi, nous obtenons un diagramme de chromaticité où les projections sont appelées : "coordonnées chromatiques". Les valeurs de ce diagramme de chromaticité sont obtenues à partir des primaires X, Y et Z grâce à l’équation suivante :

     x = _{X+Y +Z}X , y = _{X+Y +Z}Y , z = _{X+Y +Z}Z , (1.8)

où grâce au plan unitaire, nous avons x + y + z = 1. À partir de cela, l’idée de ne représenter l’ensemble des couleurs qu’en utilisant deux coordonnées surgit. Elle est justifiée par le fait de pouvoir déduire les valeurs de la troisième composante à tout moment en calculant la valeur manquante pour atteindre 1. La représentation la plus fréquente est celle du diagramme de chromaticité xy schématisé par la figure 1.11. Dans ce diagramme appelé "spectrum locus", toutes les couleurs sont contenues dans l’aire délimitée par le lieu du spectre et la droite des pourpres.

1.3.3 Espaces perceptuels uniformes

Dans cette section, la notion de perception de la couleur refait surface et paraît être un critère per-tinent pour différencier et classer les espaces de représentation de la couleur. Afin de pouvoir parler d’uniformité de perception dans un espace de représentation, il est indispensable de vérifier les deux critères suivants (sachant que la distance employée est la distance euclidienne) :

– la distance d(c1, c2) entre les deux couleurs c1et c2est correcte, si et seulement si, la valeur issue

de cette distance se rapproche de la différence perçue par l’œil humain,

– la distance d(ci, c1) = n ∗ d(ci, c2) est correcte, si et seulement si, l’œil humain perçoit la couleur

c1n fois plus éloignée de la couleur cique la couleur c2.

À partir de ces considérations, MacAdam [54] a montré la non-uniformité de l’espace XYZ car la distance entre deux couleurs du diagramme de chromaticité xy n’est pas perçue de la même façon que le système visuel humain (SVH). Ses travaux ont porté sur la mesure de l’adéquation entre les espaces de

10 CHAP 1 - LA COULEUR ET SON APPARENCE

FIG. 1.10 – Ellipses de Mac Adam tracées dans l’es-pace xy CIE 1931.

FIG. 1.11 – Diagramme de chromaticité xy.

couleur et la notion de distance. Les expériences ont consisté à mesurer expérimentalement l’ensemble des couleurs justes discernables ou ayant un écart juste perceptible2d’un ensemble de couleurs données. Enfin, ces travaux ont permis la mise en évidence de l’aspect elliptique des ensembles des couleurs justes discernables d’une couleur donnée. Ces ellipses sont de tailles et d’orientations variables comme le montre la figure 1.10.

Constatant que l’espace x,y n’est pas uniforme, un espace uniforme chromatique a été défini par la CIE [8]. Les coordonnées u’ et v’ de cet espace peuvent se calculer à partir des valeurs X,Y, Z ou à partir des coordonnées chromatiques x,y. Les équations 1.9 et 1.10 expriment le calcul de ces coordonnées :

u0 = 4X X + 15Y + 3Z = 4x −2x + 12y + 3, (1.9) v0 = 9Y X + 15Y + 3Z = 9y −2x + 12y + 3 (1.10) L’espace u’v’ est utilisé dans le but d’effectuer une discrimination entre couleurs. Les distances mesurées dans ce diagramme représentent les distances perceptuelles entre couleurs pour une même luminance. Les différences entre objets de couleurs de même chromaticité sont décrites par la fonction psychométrique et dans le cas de la même luminance par le diagramme u’v’. Les équations 1.11,1.12 et 1.13 expriment cet espace couleur uniforme.

L∗=    116 ∗_YY 0 1₃ − 16 si _YY 0 > 0.008856, 903.3 ∗ _YY 0 si Y Y0 ≤ 0.008856. (1.11) u∗ = 13L∗(u0− u0₀), (1.12) v∗ = 13L∗(v0− v0₀) (1.13) L’association de ces deux représentations a entrainé le développement de l’espace couleur CIELUV où L* représente la fonction psychométrique quand u0_wet v0_wreprésentent les coordonnées chromatiques du blanc de référence.

La CIE a aussi recommandé l’usage de l’espace couleur CIELAB à la suite de l’espace CIELUV pour corrigerles défauts d’uniformités de ce dernier. Les coordonnées de l’espace L*a*b* s’obtiennent à partir de l’équation 1.14. xw,yw, Zw représentent la valeur du blanc de référence.

2

1.4. Apparence 11 L∗ =    116 ∗  Y Y0 1₃ − 16 si _YY 0 > 0.008856, 903.3 ∗_YY 0 si Y Y0 ≤ 0.008856. (1.14) a∗ = 500  f X X0  − f Y Y0  , (1.15) b∗ = 200  f Y Y0  − f Z Z0  (1.16)

Les axes a* et b* de cet espace correspondent à un axe Rouge-Vert et à un axe Jaune-Bleu.

1.3.4 JCh

Pas vraiment considéré comme un espace couleur mais plus comme un espace perceptuel, l’espace de couleur J, C, h va permettre de décrire la sensation de couleur perçue d’un individu. J représente la clarté, C la chroma et h l’angle de teinte. Ces trois données perceptuelles sont décorrélées et permettent de décrire toutes couleurs en formant un espace qui représente bien la vision humaine. Avec ces trois critères, comme décrit dans le chapitre 1.2.4, de nombreuses autres valeurs comme la saturation ou la luminosité peuvent être obtenues. C’est surtout cet espace qui est utilisé par les modèles d’apparence couleur que nous décriront dans le chapitre 3.

1.3.5 Autres espaces

Il existe de nombreux autres espaces comme le montre la figure 1.12. En effet, au vu du nombre varié d’applications utilisant la couleur, de nombreux autres espaces ont été introduits. Le lecteur interessé par d’autres espaces couleur peut se référer à la thèse de Larabi [44] qui propose un état de l’art complet en la matière.

1.4

Apparence

Nous venons de définir le monde lumineux qui nous entoure. Cependant pour que notre cerveau reçoive et interprète les ondes en terme de couleur, un certain nombre de phénomènes complexes vont intervenir. Un appareil photo, un spectrocolorimètre, l’œil d’un animal ou d’un humain sont les capteurs recevant des longueurs d’onde de manière sélective. Pour transformer cette information physique en une information interprétable en terme de couleur, des phénomènes complexes entrent en jeu. C’est par ces phénomènes que le système visuel humain (SVH) passe de la sensation acquise par nos capteurs, les yeux, à la perception, l’interprétation sémantique des signaux transmis par nos nerfs optiques au cerveau. C’est ici qu’intervient la notion d’apparence.

Il faut alors se poser la question : Qu’est ce que l’apparence visuelle ? Si l’on prend une définition de dictionnaire, on trouve : "Manière dont quelque chose apparaît, se manifeste." Cette définition bien que vague nuance bien le fait qu’il existe une différence entre la chose et ce que l’on en perçoit. "Ne juge pas selon l’apparence", "l’habit ne fait pas le moine" de nombreuses expressions viennent nous mettre en garde sur cette notion d’apparence. Ainsi beaucoup de choses n’apparaissent pas telles qu’elles le sont réellement. En effet, la perception implique de nombreux phénomènes. Souvent illustrés au travers des illusions d’optiques, ces phénomènes sont très variés et jouent sur notre perception de la couleur. Ce sont plusieurs de ces phénomènes que nous allons décrire dans ce premier chapitre afin d’aider à la compréhension des développement proposés dans cette thèse.

12 CHAP 1 - LA COULEUR ET SON APPARENCE

FIG. 1.12 – Représentation des différents espaces couleur

1.4.1 Quelques phénomènes liés à l’apparence

Dans cette section, une description des principaux phénomènes connus liés à notre perception de la couleur va être réalisée. C’est pour comprendre pourquoi notre vision réagit de cette manière face à ces illusions d’optique que les chercheurs ont tentés de les classer, les définir et à en rechercher les causes. Avec l’avancée de la recherche notamment dans le domaine de la biologie et du cerveau humain, différents effets liés à notre vision des couleurs ont pu être répertorié.

1.4.1.1 Phénomènes cognitifs

A tous les effets induits par notre vision s’ajoute une interprétation cognitive. Cette dernière, effec-tuée par notre cerveau va influencer notre vision de la couleur. Le phénomène de mémoire des couleurs

1.4. Apparence 13

FIG. 1.13 – Banane. Le cerveau a tendance à interpréter la forme de la banane jaune

FIG. 1.14 – Chien ou tâches ?

illustre beaucoup cet aspect car il définit la vision des couleurs d’objets familiers comme le SVH s’y attend. La mémoire des couleurs est liée à des facteurs culturels, sociologiques, voire même le sexe des individus.

Lors d’une expérience, Gegenfurtner [34] et son équipe présentaient sur écran, à des volontaires, des images numériques de fruits colorisés aléatoirement sur un fond gris. Les observateurs devaient ajuster la couleur du fruit jusqu’à obtenir une couleur grise pour celui-ci.

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, les volontaires eurent des difficultés à réaliser cette tâche à priori simple. Pour une banane, par exemple, ils réglaient systématiquement le gris sur une nuance trop bleue, comme pour compenser une perception de jaune qui n’était pas réellement présente. Le bleu est en effet l’opposé du jaune sur la roue chromatique. Au niveau de réglage pour lequel la banane était vraiment achromatique, les sujets la percevaient encore un peu jaune.

Des études antérieures avaient également prouvé que notre esprit peut nous jouer des tours quand il s’agit de couleurs. Nous avons un souvenir plus intense d’une couleur que ce qu’elle est réellement, par exemple. Des volontaires invités à sélectionner la couleur de l’herbe parmi diverses cartes de couleur verte en choisissent souvent une qui est "plus verte" que l’herbe réelle, explique Gegenfurtner [34]. Une étude a même prouvé que nous distinguons une couleur différemment suivant qu’on l’observe sur notre gauche ou sur notre droite.

De manière analogue, la mémoire des formes fait aussi partie de notre perception et influe sur la couleur analysée. L’observateur aura tendance à voir un chien dans la figure 1.14 alors qu’elle n’est constituée que de tâches.

14 CHAP 1 - LA COULEUR ET SON APPARENCE

FIG. 1.15 – Exemple d’adaptation chromatique

1.4.1.2 Effet d’apparence liés à l’induction chromatique

Adaptation chromatique L’adaptation chromatique est la capacité du système visuel humain à ajus-ter de larges variations de couleur en préservant approximativement l’apparence couleur des objets. Le mécanisme d’adaptation peut être très court (quelques millisecondes) ou très long (semaine, mois ou année). En général, le mécanisme d’adaptation rend l’observateur moins sensible à un stimulus quand l’intensité physique de ce stimulus est forte. Dans le domaine de la vision trois types d’adaptations sont importantes :

1. Adaptation à la lumière : L’adaptation à la lumière correspond à notre capacité à diminuer notre sensibilité visuelle dans le cas de très forte luminance. Notre système va changer notre sensibilité afin d’être plus performant. Par exemple, il est plus facile de voir des millions d’étoiles une nuit claire, alors qu’en plein jour elles ne sont pas visibles bien qu’elles soient toujours là. L’adaptation à la lumière est elle très rapide, ce qui est à l’origine du phénomène d’éblouissement.

2. Adaptation à l’obscurité : L’adaptation à l’obscurité est similaire à l’adaptation dans la lumière. Plutôt que d’adapter le système aux fortes luminances, elle l’adapte aux très faibles luminances en augmentant notre sensibilité visuelle. L’adaptation à l’obscurité se déroule en 2 phases dont la première est d’environ trois minutes et la seconde d’une heure.

3. Adaptation chromatique : L’adaptation dans la lumière ou dans l’obscurité a un profond impact sur l’apparence de la couleur du stimulus. C’est pourquoi elles sont prises en compte dans beaucoup de modèle d’apparence couleur. L’adaptation chromatique, un troisième type d’adaptation, est très importante et devrait être prise en compte dans tous les modèles d’apparence couleur. Pour avoir un exemple d’adaptation chromatique, considérons une feuille blanche illuminée par la lumière du jour. Quand le papier est dans une pièce avec une lumière incandescente il apparait blanc malgré le fait que l’énergie reflétée par le papier a changé de la prédominance bleue à la prédominance jaune.

La figure 1.15 montre un exemple d’adaptation chromatique.

Constance de couleur Cet effet traduit la tendance de la perception des couleurs d’un objet à rester constante pour des changements d’illumination importants.

Contraste simultané (induction chromatique) L’arrière plan dans lequel est présenté le stimulus in-fluence l’apparence de ce dernier.

Le motif gris sur l’arrière plan noir apparaît plus lumineux tandis que celui sur fond blanc semble plus sombre. L’induction chromatique influence l’apparence de la couleur en fonction de son arrière plan comme le montre la figure 1.16. Le motif gris sur l’arrière plan noir apparaît plus lumineux tandis que celui sur fond blanc semble plus sombre.

Effet de Bartleson-Breneman Tandis que Stevens montre que le contraste perçu augmente avec le niveau d’intensité lumineuse, Bartleson et Breneman se sont intéressés au contraste perçu d’éléments de stimuli complexes et comment ces derniers varient en fonction du niveau de luminance de l’environne-ment.

1.4. Apparence 15

FIG. 1.16 – exemple d’induction chromatique

FIG. 1.17 – Effet de Bartleson-Breneman. Un fond induit un biais d’apparence liée à la clarté des tillons, les rendant plus clairs qu’ils ne le sont. De plus, le contraste apparent entre les différents échan-tillons diminue.

Leurs résultats expérimentaux ont montré que le contraste perçu d’une image augmente quand l’en-vironnement s’éclaire. Cet effet apparait sur la figure 1.17 et l’enl’en-vironnement foncé fait ressortir les surfaces sombre de l’image plus claire, sans toutefois avoir d’effet prononcé sur les surfaces claires. Ces résultats sont très importants pour une reproduction optimale de la couleur lors de l’impression photo par exemple.

Effet de Helmotz-Kohlrausch Cet effet traduit la dépendance de la clarté par rapport à la luminance et à la chromaticité. Les objets de couleur apparaissent plus clairs que les objets achromatiques ayant la même luminance. Les couleurs les plus saturées apparaissent les plus brillantes.

16 CHAP 1 - LA COULEUR ET SON APPARENCE

FIG. 1.18 – Effet de Helmholtz. tous les carrés possèdent la même chroma et la même clarté. Un contraste simultané de tonalité induit un biais coloré.

FIG. 1.19 – Effet de contraste simultané

Crispening Cet effet traduit une augmentation de la perception des différences de couleurs selon le fond. La figure 1.19 illustre bien cet effet en montrant deux rectangles gris de couleurs différentes mais relativement proches. Ces deux rectangles ont été disposés sur trois arrière-plans différents et il est pos-sible de constater qu’en fonction de l’arrière plan, la différence de couleur entre les deux rectangles devient plus ou moins distinguable.

1.4.1.3 Effets d’apparence influençant notre perception de luminosité et de teinte

l’effet de Hunt Une observation attentive du monde qui nous entoure nous montre que l’apparence de la couleur change significativement quand le niveau d’éclairement change. Les objets apparaissent ainsi plus clairs et contrastés un jour d’été lumineux. L’effet de Hunt décrit ce phénomène de l’apparence. Pour une chromaticité constante, la coloration perçue augmente avec l’intensité lumineuse.

Effet de Stevens Relativement proche de l’effet de Hunt, cet effet prévoit l’augmentation du contraste de luminosité avec l’augmentation de l’intensité lumineuse. Ainsi, plus le niveau d’éclairement aug-mente, plus les couleurs foncées apparaîtront foncées et inversement, les couleurs claires apparaitront encore plus claires.

Les effets de Hunt et de Stevens sont illustrés sur la figure 1.20.

Effet de Helson Judd Cet effet traduit la tendance des surfaces achromatiques claires à prendre la teinte de l’illuminant sous lequel ils sont regardés et des surfaces achromatiques plus foncées à prendre la tonalité complémentaire.

Effet Abney Cet effet génère les changements suivant :

– La teinte change si on lui ajoute un blanc pur comme le montre la figure 1.21(B).

– Des effets colorés apparaissent lorsqu’on ajoute une lumière blanche, uniforme, à une couleur donnée. Cet effet associe à la désaturation de la couleur une légère variation de teinte (cf figure 1.21(C)).

1.4. Apparence 17

FIG. 1.20 – Exemple de l’effet de Hunt et de l’effet de Stevens

(A) (B) (C)

FIG. 1.21 – Exemple montrant l’effet d’Abney. (A) :Image originale. (B) :Ajout de blanc : Diminue saturation et augmente intensité. (C) :Ajout de Noir : Diminue saturation et intensité

1.4.1.4 Autres effets de l’apparence

Contraste successif Cet effet traduit le fait que lorsque le contexte environnemental de la couleur correspond à une tonalité intense, une tonalité complémentaire à la tonalité du contexte est perçue au lieu de la tonalité réelle (cf. figure 1.22).

FIG. 1.22 – Contraste successif. Les carrés gris posés sur un fond rose ou vert sont perçus respectivement

plus vert et plus rose qu’ils ne le sont, tout comme les carrés verts apparaissent plus bleus ou plus jaunes suivant le fond qu’ils ne le sont.

18 CHAP 1 - LA COULEUR ET SON APPARENCE

FIG. 1.23 – Effet de la variation de taille

Effet de Bezold Brücke Il se fait sentir à forte luminance, juste sous le seuil d’éblouissement. Quand l’intensité augmente fortement, la sensation colorée baisse car les capteurs sont saturés. Cet effet se remarque si vous fixez une ampoule, par exemple.

Effet de contraste lié à des tailles dissimilaires Le changement de l’apparence coloré peut interve-nir aussi lors d’un simple changement de taille (cf. figure 1.23). En effet, les couleurs apparaissent plus claires et plus colorées quand la taille augmente sans que l’on change la teinte de l’échantillon. Ce phé-nomène fut un problème pour les industriels pendant longtemps notamment pour la vente de tapisseries. De nombreux autres phénomènes viennent influer sur notre perception de la couleur mais nous avons passé en revue les plus importants d’entre eux dans ce chapitre.

1.4.1.5 La modulation spatiale et fréquentielle

Un autre phénomène lié à la forme en partie et qui va influer sur notre vision des couleurs consiste en la modulation spatiale et/ou temporelle de stimuli. Mais quel rapport entre la vision et une fréquence ? Dans le domaine de la vision, il existe tout d’abord deux types de fréquences :

– La fréquence spatiale (liée à la forme)

– La fréquence temporelle (liée au mouvement)

La modulation spatiale de ces fréquences va décrire la répartition de zones différentes dans l’espace de l’image observée. Si très peu de zones, se répartissent loin les unes des autres, la fréquence de l’image sera plutôt faible contrairement à une image remplie de petites zones proches les unes des autres. Les hautes fréquences vont correspondre à des changements d’intensités rapides. Par exemple une image uniforme comme la figure 1.24(A) aura une fréquence nulle alors qu’une image comme sur la figure 1.24(C) aura une fréquence spatiale élevée.

La figure 1.25 montre un exemple simple d’altération de notre perception des couleurs dûe aux fréquences spatiales. Sur cet exemple, les stimuli avec une basse fréquence spatiale (à gauche) semblent différents des stimuli à droite auxquels la fréquence a été augmentée sans changer la couleur. Cet effet est appelé "Spreading" en anglais.

La modulation temporelle est de deux types différents :

– La fréquence temporelle exprimée en nombre de cycles par seconde (Hertz ou Hz) qui concerne des cycles de variations de l’intensité lumineuse.

– La fréquence spatio-temporelle exprimée en nombre de cycles par seconde (Hertz ou Hz) qui concerne des cycles de variation de configurations spatiales.

Ainsi la fréquence spatio-temporelle va quantifier la quantité de mouvement dans une séquence vi-déo. Si, une séquence contient très peu de mouvements, la fréquence spatio-temporelle sera très faible

1.4. Apparence 19

(A) (B) (C)

FIG. 1.24 – Exemple d’images à différentes fréquences. (A) : Fréquence nulle. (B) : Basse fréquence.

(C) : Haute fréquence.

FIG. 1.25 – Effet dû aux fréquences spatiales

alors que si elle contient beaucoup de mouvement, elle aura une forte fréquence spatio-temporelle.

La fréquence temporelle, elle, va quantifier les changements d’intensité dans la vidéo. Si la séquence contient une forte variation d’intensité lumineuse par exemple, la fréquence temporelle sera grande alors qu’une séquence dont l’intensité lumineuse ne varie pas ou peu aura une faible fréquence temporelle. Sur ce manuscrit nous ne pouvons pas montrer d’exemple de variation de la perception de la couleur dû aux fréquences temporelles et aux fréquences spatio-temporelles mais ces deux facteurs influencent notre vision et la couleur sera perçue différemment si un stimulus défile vite ou pas.

20 CHAP 1 - LA COULEUR ET SON APPARENCE

1.5

Référence des figures

– Figure 1.1 extraite de http ://www.spectrosciences.com

– Figure 1.2 extraite de http ://zabaque.uqac.ca/infographie/inf03/3couleur.htm

– Figure 1.3 extraite de http ://physique-eea.ujf-grenoble.fr/intra/Organisation/CESIRE/OPT/photos.php – Figure 1.4 extraite de

http ://www.ac-nancy-metz.fr/ia57/netaventure/documents-texte/guenviller/newton/p5article-newton-dispersionlumiere.htm

– Figure 1.5 extraite de http ://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese/exp233.html – Figure 1.6 extraite de http ://www.yeehaa-prod.com/lux/couleur.htm

– Figure 1.7 extraite de http ://www.handprint.com/HP/WCL/color3.html – Figure 1.8 extraite de [44] – Figure 1.9 extraite de [44] – Figure 1.11 extraite de [44] – Figure 1.10 extraite de http ://www.ecse.rpi.edu/%7Eschubert/Light-Emitting-Diodes-dot-org/chap17/chap17.htm – Figure 1.12 extraite de [77] – Figure 1.14 extraite de [19] – Figure 1.15 extraite de [20]

– Figure 1.16 extraite de Color Appearance Models :CIECAM02 and beyond Mark D. Fairchild [16]

– Figure 1.17 extraite de Color Appearance Models :CIECAM02 and beyond Mark D. Fairchild [16]

– Figure 1.18 extraite de [58]

– Figure 1.19 extraite de Color Appearance Models :CIECAM02 and beyond Mark D. Fairchild [16]

– Figure 1.20 extraite de Color Appearance Models :CIECAM02 and beyond Mark D. Fairchild [16]

– Figure 1.21 extraite de [20] – Figure 1.22 extraite de [58] – Figure 1.23 extraite de [58]

CHAPITRE2

S

YSTÈME VISUEL HUMAIN ET

CONTRASTE

Sommaire

2.1 La vision . . . 21 2.1.1 Condition d’observation . . . 21 2.1.2 Le champ visuel . . . 22 2.2 Physiologie du système visuel humain . . . 23 2.2.1 l’œil . . . 23 2.2.2 la rétine . . . 24 2.2.3 le cerveau visuel . . . 25 2.2.4 les dyschromatopsies . . . 26 2.3 Les fréquences spatiales et le système visuel . . . 26 2.4 Contraste et sensibilité au contraste . . . 28 2.4.1 Le contraste clair-obscur . . . 28 2.4.2 Le contraste de couleur en soi . . . 29 2.4.3 Le contraste chaud-froid . . . 29 2.4.4 Le contraste des complémentaires . . . 30 2.4.5 Le contraste de qualité . . . 30 2.4.6 Le contraste de quantité . . . 30 2.4.7 Le contraste simultané . . . 31 2.5 Référence des figures . . . 31

2.1

La vision

Dans le chapitre précédent nous avos définit la couleur en tant que longueur d’onde. C’est cette longueur d’onde qui va frapper notre rétine et être analysée par notre SVH. Ce chapitre va définir le fonctionnement de la vision humaine, de l’œil au cerveau. Une autre notion importante va être définie : le contraste.

2.1.1 Condition d’observation

Avant toute chose, et avant même de définir la vision, il est nécessaire de décrire le champ visuel, ce que l’on observe. Car avant d’arriver jusqu’à notre capteur, l’œil, la lumière se situe dans son

22 CHAP 2 - SYSTÈME VISUEL HUMAIN ET CONTRASTE

FIG. 2.1 – Champ visuel

ronnement. C’est d’ailleurs souvent cet environnement qui va influer sur notre perception de la couleur de l’objet regardé. C’est donc pour cela qu’il nous est nécessaire de le décomposer, afin de modéliser correctement le comportement visuel lié à l’objet observé.

Pour des couleurs relatives, Hunt défini plusieurs champs :

– Le stimulus : C’est ce que l’on observe, le centre de notre attention visuelle. Il correspond à un cercle de 2 degrés d’angle visuel (CIE 1931).

– Arrière plan (background) : Environnement du stimulus qui s’étend jusqu’à 10 degrés autour du stimulus.

– Environnement (surround) : Tout ce qu’il y a au delà de l’arrière plan.

– Champ d’adaptation : environnement total du stimulus considéré, allant de ce dernier à l’environ-nement.

La figure 2.1 schématise la décomposition de la vision suivant ces différents champs.

2.1.2 Le champ visuel

La mesure du champ visuel s’effectue en angle visuel. Cette mesure prend en compte la distance entre l’observateur et l’objet perçu, ce qui permet de calculer la taille d’un même objet vu à différentes distances.

2.2. Physiologie du système visuel humain 23

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.

24 CHAP 2 - SYSTÈME VISUEL HUMAIN ET CONTRASTE

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