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Vision des couleurs, restitution des couleurs

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Objectif(s)

L’œil humain perçoit une grande variété de couleurs. On évalue à deux millions le nombre de couleurs qu’un humain pourrait distinguer. Pour les peintres ou autres professions où l’on « manipule » souvent les couleurs, ce nombre pourrait même être revu à la hausse.
Comment l’œil et/ou le cerveau arrivent-ils à percevoir autant de couleurs ?

D’autre part, en informatique, on parle quelquefois de « vraies couleurs » pour désigner une image numérisée de bonne qualité.
Comment un écran peut-il quant à lui restituer les couleurs ?

1. Vision des couleurs pour un oeil humain, la trichromie

La rétine de l’œil humain est recouverte de cellules sensibles à la lumière. On en distingue deux catégories : les cônes et les bâtonnets.

→ Les bâtonnets sont sensibles à toute radiation lumineuse visible. Leur sensibilité est très forte. Ils permettent ainsi une vision à très basse luminosité, comme en vision nocturne, mais en noir et blanc.

→ Les cônes sont responsables de la vision des couleurs. Il existe trois sortes de cônes :
• Les cônes L (long), sensibles aux « grandes » longueurs d’onde du visible, c'est-à-dire le rouge.
• Les cônes M (medium) sensibles au vert.
• Les cônes S (short) sensibles aux « basses » longueurs d’onde du visible, donc le bleu.

Ainsi, l’œil humain n’est en fait capable de distinguer que trois couleurs distinctes, dites couleurs primaires : le rouge, le vert, et le bleu. Les autres couleurs, comme le jaune, le blanc, le violet, ne sont pas vues par l’œil en tant que tel, mais reconstituées par le cerveau.

Par exemple :
Si on fixe du regard un objet blanc, les 3 types de cônes, rouges, verts, bleus, vont être excités de la même manière, et vont chacun transmettre un signal au cerveau. Celui-ci va alors combiner les trois informations, en mélangeant les trois couleurs pour « créer » le blanc. Pour le jaune, le cerveau recevra un signal d’égale intensité de la part des cônes verts et rouges, mais pas des cônes bleus.

En résumé, la vision des couleurs est assurée par le biais de combinaisons entre les trois couleurs primaires : c’est la synthèse trichromatique additive. Sur le dessin, ci-dessous, trois tâches lumineuses (rouge, vert, bleu) créées par des éclairages colorés ont été projetées sur un écran blanc. Au centre, les tâches se recouvrent, donc s’additionnent. On perçoit ainsi une lumière blanche.

Par contre, un œil ne pourra pas faire la différence entre une source de lumière monochromatique jaune (longueur d’onde d’environ 580 nm) visible par exemple dans un arc en ciel, et un mélange de deux radiations vertes et rouges. Ces deux jaunes sont qualifiés de couleurs métamères.

2. Défauts de vision des couleurs

a. Le daltonisme

Le daltonisme est un trouble de la vision où la personne ne peut pas discerner ou percevoir certaines couleurs. Le plus fréquemment observé est la confusion du rouge et du vert. Cela peut venir d’une déficience de certains types de cônes. Le daltonisme peut avoir une origine génétique, ou alors provenir d’un traumatisme oculaire ou cérébral.

b. Vision en noir et blanc

Il existe un trouble de la vision appelé achromatopsie, où la personne ne voit pas les couleurs. C’est un cas particulier de daltonisme. Cela peut venir d’une absence de cônes dans la rétine, ou bien ces derniers sont non fonctionnels. La vision n’est assurée que par les bâtonnets, d’où cette vision en noir et blanc. Une autre cause est une lésion cérébrale, qui empêche la personne de percevoir les couleurs, même si son œil est fonctionnel.

3. Application à la restitution des couleurs par un écran

Les écrans d’ordinateur, les télévisions (cathodiques ou à écran plat), etc utilisent la façon de fonctionner de l’œil afin de restituer les couleurs. Ainsi, les couleurs sont « codées » par le biais de pastilles colorées rouges, vertes et bleues qui sont placées côte à côte. Un groupe comprenant trois pastilles mitoyennes rouge/vert/bleu constitue un pixel.

Selon la couleur à reproduire, les pastilles seront plus ou moins sollicitées, et émettront leur couleur de manière plus ou moins intense. L’œil percevra ces trois couleurs de pastilles, et le cerveau les mélangera, afin de ne percevoir que la couleur composée. Si on regarde un écran de télévision de très près, avec une loupe par exemple, il sera possible de distinguer les pastilles, comme le propose l’exemple ci-dessous :

En informatique, pour chaque pastille, il est courant d’avoir 256 niveaux différents (codés sous 8 bits). En conséquence, un pixel est en mesure de produire une gamme de 256 × 256 × 256 couleurs, c'est-à-dire un peu plus de 16 millions. Comme l’œil humain est potentiellement capable de distinguer 2 millions de couleurs, ce codage est souvent nommé, par abus de langage, « couleurs vraies ».

L'essentiel

La vision des couleurs est possible par l’œil humain via des cellules photosensibles, les cônes. Il existe trois variétés de cônes : ceux sensibles au rouge, ceux sensibles au vert, et au bleu. Ces trois couleurs sont nommées couleurs primaires. En combinant les informations reçues par les cônes, le cerveau mélange les trois couleurs afin de percevoir toutes les couleurs du visible. En théorie, 2 millions de couleurs sont ainsi perceptibles pour un œil normal. Certains troubles de la vision, comme le daltonisme ou l’achromatopsie, peuvent cependant contrarier ce mécanisme.

Les écrans couleurs utilisent la façon de percevoir les couleurs de l’œil et du cerveau : des pastilles colorées rouge, vert, bleu, mises côte à côte pour former des pixels, ont ainsi la possibilité de restituer les couleurs, en jouant sur l’intensité de chacune de ces trois couleurs. C’est le principe de la synthèse trichromatique additive : en combinant les 3 couleurs primaires, toutes les couleurs deviennent accessibles.

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