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Perception humaine de la Couleur• Introduction• Le stimulus physique
– Les sources lumineuses– Les sources indirectes ou secondaires– Rayonnement perçu
• Le stimulus physiologique– Le système optique de l’œil– La rétine– Les cellules rétiniennes
• L’interprétation par le cerveau• Colorimétrie• Systèmes de couleur
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Les Sources LumineusesProduction de rayonnement électromagnétique à partir d’une transformation
d’énergie.
Les sources continuesRayonnement d’origine thermiqueÉmission lumineuse des solides chauffésFluorescence à spectre large (ZnS:Mn)
Les sources discontinuesÉmission thermique des gazRaies d’émission finesÉmission par des plasmas (lampes à décharge)
Les sources mixtesCombinaison de l’émission d’un solide et d’un gazNéons
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Les Sources à Spectre Continu
• Tout corps émet à toute température (sauf à 0K) un rayonnement électromagnétique à spectre continu :
le rayonnement thermique.
• C’est l’étude théorique de ce rayonnement qui nécessita l’introduction par Max Planck de la théorie des quanta en 1901 faisant ainsi naître la mécanique quantique.
• La luminance énergétique de la surface ne dépend que de la température et de la longueur d’onde pour un matériau donné.
• Le maximum de luminance énergétique est obtenue pour un corps idéal (totalement absorbant) appelé corps noir ou radiateur de Planck.
• Tout corps réel a une émission inférieure à celle du corps noir. Son émission est égale à celle du corps noir multipliée par le facteur d’absorption de ce corps à la même longueur d’onde. C’est la loi de Kirchhoff
Max Planck (1858-1947)
Nobel 1918
Gustav,Kirchhoff(1824-1887)
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Loi de PlanckPosition du maximum : Loi de Wien λmax .T = 2900 µm.K
Luminance spectrale du corps noir en fonction de la températureOn parle de température de couleur d’une source pour indiquer la répartition spectrale de son émission par rapport à l’émission du corps noir.
Wien, Wilhelm(1864-1928)
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La Lumière Solaire• Spectre équivalent à celui du corps noir à 6500 K.
Rayonnement extraterrestre
Rayonnement moyen reçu sur terre en Europe en milieu de journée
O3
O2
H2 O
CO2
Puissance globale de l’ordre de 1000 W/m2 dont 45% dans le visible.Éclairement moyen au sol : 100 000 lux
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Les Sources à Incandescence
Lampes à incandescence : 2850 KelvinsTungstène Halogène : 3200 Kelvins
Spectre lumineux beaucoup plus énergétique dans le jaune rouge.Modification des couleurs perçues : Assombrissement des bleus, rougissement des pourpres
Spectre continu d’une lampe halogène
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Les Sources à Spectre Discontinu• Essentiellement les lampes à décharge.• Émission de raies lumineuses caractéristiques du gaz employé.• Utilisées dans l’éclairage : lampe au Sodium (doublet à 589nm)
Spectre d’émission d’un lampe au mercure
Perception des couleurs : totalement fausséeAvec les lampes au Sodium vision quasiment monochromatique
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Les Sources à Spectre Mixte• Essentiellement les néons : combinaison de l’émission d’un gaz
ionisé par décharge électrique et de la fluorescence du revêtement excité par les rayonnements UV de la décharge.
Spectre d’émission d’un néon
Modification des couleurs perçues plus subtiles.Effet marqué sur la couleur de la peau (et de certains maquillages !)
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Influence de la source sur la perception des couleurs
Bougie Tungstène
Lumière du Jour Plein Soleil
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Les Sources Secondaires : La Matière• Objets éclairés par une source lumineuse
Perception par l’observateur du rayonnement transmis, diffusé, diffracté, réfléchi, … dans sa direction.
• Deux types de paramètres• Un paramètre intrinsèque :
– Indice du matériau : Mesure macroscopique de l’interaction entre les photons du rayonnement électromagnétique et les électrons (phonons) du matériau.
• Des paramètres extrinsèques :– Mise en forme du matériau– État de surface– Diffusion par les hétérogénéités– Effets géométriques
kinn ⋅−=~
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Les matériauxLes effets intrinsèques provenant de l’interaction entre les photons du rayonnement incident et les électrons de la matière sont responsables de :
La réflexionLa transmission l’absorption
Ocres Cathédrale de ChartresRutile coloré par des impuretés
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Indice Optique des MatériauxL’indice optique complexe des matériaux est une grandeur sans dimension qui caractérise (au niveau macroscopique) la modification subie par un rayonnement électromagnétique en pénétrant dans un matériau.
• En incidence normaleAir no =1
Milieu Indice = n+ik
I0
IR
IT
22
22
00 )1(
)1(knkn
IIR R
+++−
==
dT ekn
nIIT α−
++== 22
00 )1(
4
λπα k4
= Coefficient d ’absorption
Dans le cas d ’un milieu transparent (c.a.d. k = 0)
2
2
0 )1()1(
+−
=nnR
20 )1(4+
=n
nT 100 =+TR
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Indice Optique des Matériaux• L’indice optique intervient non seulement dans les phénomènes de
réflexion et de transmission spéculaire mais dans tous les autres phénomènes mettant en cause l’interaction lumineuse.
• Un matériau est d’autant plus réfléchissant qu’il est absorbant.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Or
Cuivre
Aluminium
Argent
Wavelength (nm)
Ref
lect
ion
(%)
Facteur de réflexion de quelques métaux
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Indice Optique des Matériaux• On classe les matériaux trois grands types :• Les métaux.
– En général très absorbants. – Indice optique variant peu dans le domaine du visible. – Couleur allant du blanc au gris avec quelques exceptions notables (Or,
Cuivre).
• Les semi-conducteurs– Absorption plus faible que celle des métaux.– Présence d’un bord d’absorption (au dessus duquel ils sont transparents).
• Les diélectriques ou isolants– Pas d’absorption notable dans le visible. (sauf dans le bleu).– Faible absorption qui conduit à une couleur «de volume».– Couleur souvent due aux impuretés ou à des absorptions localisées.
les matériaux 19
Condition d’interférence :
2 D sin i = k λ
où k est un entier
Selon l’angle d’incidence ou d’observation, une longueur d’onde λ
est privilégiée. On observe un phénomène d’iridescence.
I
tD
i
Phénomènes d ’INTERFERENCES
les matériaux
Le cinabre (HgS) Les ocres (Fex Oy )
L’absorption des pigmentsL’absorption des pigments
(Ca,Na)8 ,(Al,Si)12 ,O24 ,(S,SO4 ,Cl)
L’absorption des pigments
Le Lapis-lazuli
Sa couleur bleue est due à l ’ion S3-
Ces ions absorbent des photons d’énergie E≈
2,1 eV qui correspondent à une lumière absorbée de longueur d’onde λ
= hc/E≈
0,59 µm, qui
correspond au jaune. Cette absorption dans le jaune donne au pigment la couleur complémentaire, c’est-à-dire le bleu violet.
2,1 eV
Ion S3-
L’absorption des pigments
les matériaux 24
L’absorption des colorants
La garance, sa racine contient de l’alizarine : O
O OHOH
L’absorption des colorants
les matériaux 25
L’indigofera, sa sève fournit le bleu indigo, obtenu après fermentation de la plante dans l’eau, puis oxydation à l’air du jus de macération.
L’absorption des colorants
les matériaux 26
λ
absorbée couleur absorbée couleur visible
605-750 nm rouge vert-bleu
490-500 nm vert-bleu rouge
435-480 nm bleu-violet jaune
L’absorption, transmission et réflexion
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Paramètres Extrinsèques
Les rugosités de surface, les inhomogénéités de volume, la distribution de taille des particules dans le cas d’une poudre, les effets géométriques sont des effets extrinsèques qui vont modifier le rayonnement perçu par l’observateur.
Blés en Normandie
Arc en ciel au Colorado
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Paramètres Extrinsèques• La rugosité de surface.
– Responsable du rapport spéculaire/diffus ou mat/brillant.– Effets complexes dépendant de la taille et de la distribution des rugosités.– Influence de l’indice optique et de l’absorption.– La distribution de taille des rugosités est responsable de la plupart des effets
visuels de matière (mat, satiné).• Les inhomogénéités de volume.
– Inhomogénéité de composition.– Influence très importante de la taille.– Responsable de la diffusion de volume.
• La diffusion.– Prépondérante quand les objets deviennent de la taille de la longueur
d’onde.– Dépend en λ-4 de la longueur d’onde.– 16 fois plus efficace dans le bleu que dans le rouge.– Responsable du bleu du ciel.
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Les phénomènes de diffusion2 cas :
Si a est le diamètre de la particule diffusante,
a < λ
: diffusion de Rayleigh
• L’intensité de la lumière diffusée dépend de la longueur d’onde de la lumière incidente.
• Elle dépend peu de l’angle d’incidence et de l’angle d’observation.
a > λ
: diffusion de Mie
• La lumière diffusée dépend de la longueur d’onde, mais aussi de l’angle d’observation
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Diffusion de Rayleigh : Diffusion du ciel
Les molécules de l’atmosphère (O2 ou N2 ) renvoient dans toutes les directions la partie préférentiellement bleue de la lumière solaire. En effet, a ≈
0,1 nm, λbleu ≈
400 nm< λrouge ≈
800 nm donc a << λ.
De plus, l’intensité diffusée varie en 1 / λ4 donc Idiff ,bleu >> Idiff ,rouge
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Diffusion de Mie: Diffusion par les pigments
Diffusion simple Diffusion multiple
La lumière diffusée dépend de la longueur d’onde, mais aussi de l’angle d’observation.
1 µm < a < 10 µm 0,4 µm < λ < 0,8 µm a > λ
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Rayonnement Perçu
• C’est la combinaison de l’émission spectrale de la source et de la réponse spectrale de l’objet qui définit le rayonnement qui parvient à notre œil.
• Le stimulus physique S(λ)=E(λ)*R(λ)E étant l’émission spectrale de la sourceR le pourcentage du rayonnement renvoyé par l’objet dans la direction de l’observateur quelque soit le mécanisme
Deux stimulus identiques devraient provoquer la même perception colorée.
+
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- le système optique de l’œil
- image sur la rétine
- les cellules rétiniennes : cônes et bâtonnets
- l’interprétation du cerveau
Phase physique : source lumineuse + objet → signal lumineux
Phase physiologique : signal lumineux → influx nerveux
Phase cognitive : reconnaissance et analyse par le cerveau : la couleur
L’OEIL
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Le système optique de l’œil
Puissance d’environ 60 dioptries• 40 dioptries pour la cornée• De 20 à 28 dioptries pour le cristallin selon l’accommodation•Acuité visuelle 1,5mm à 10 m environ 1’ d’angleAberrations chromatiques dues aux variations d’indice.
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Le système optique de l’œil
L’œil est incapable de mettre au point en même temps pour le bleu et pour le rouge
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Défauts du système optique de l’œilDéfauts géométriques de l’œil
Myope Hypermétrope
Presbyte Astigmate
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Le système optique de l’œil• Défauts géométriques de l’œil
– Myopie– Hypermétropie– Presbytie– Astigmatisme
• Pas d’effets directs sur la vision des couleurs mais à travers la diminution de l’acuité visuelle : – diminution des contrastes – modification des couleurs pour les petites zones de champ visuel
• Cataracte– Perte de transparence du cristallin– Diffusion de la lumière essentiellement dans le bleu
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La rétine• Couvre 200° d’angle solide• Surface de l’ordre de 900 mm²• Épaisseur de 130µm à 400 µm.• Fovéa : zone elliptique 2mm de large par 1 mm
de hauteur• Zone centrale : fovéola 200 à 300 µm de
diamètre• Deux types de photo-détecteurs : cônes et
bâtonnets
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Les photo-détecteursBâtonnets Cônes
Vision scotopique
Vision photopique
Faible intensité
Couleur
120 millions 6 à 7 millionsZone extra-
fovéaleZone fovéale
Longueur d’onde (nm)
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Influence de la luminance
L’adaptation à la luminosité n’est pas instantanée. Elle est effectuée d’une part de façon mécanique (iris) d’autre part par adaptation de la réponse des photo-récepteurs.Réponse non linéaire (logarithmique) sur une très grande échelle (1010) En instantané réponse sur un rapport de 50 à 100 de luminanceConstante de temps d’adaptation ~ 3-5 mn cônes, 30 mn bâtonnets
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Réponse chromatique des cônesPigmentsBâtonnets : rhodopsine Cônes : iodopsine (codage génétique différent selon le pigment)
Pigments vert et rouges génétiquement très proches.
Apparition récente (<40millions d’années). Seuls les humains et les primates de l’ancien monde sont trichromates.
Recouvrement important des réponses vert/rouge.
Jeremy Nathans, La génétique des couleurs, Pour la Science, avril 2000, p 81
cônes de la rérine 45
L ’espèce humaine (comme les singes de l’ancien monde) est trichromate.
Anomalies de la vision colorée :
- Achromatie : vision en noir et blanc seulement. Anomalie génétique rarissime, existe dans les îles Pingelap (Pacifique). Peut être due à un accident cérébral.
- Trichromates protanormaux ou deutéranormaux : modification de la longueur d’onde du maximum d’absorption des cônes rouges ou verts
- Daltonisme
Anomalies de la vision colorée
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Réponse chromatique anormale
Jeremy Nathans, La génétique des couleurs, Pour la Science, avril 2000, p 81
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Le Daltonisme
Lignes de confusion convergeant en un centre de confusion situé hors du diagramme.Le long d’une ligne, le daltonien voit la même couleur
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Les Cellules Rétiniennes
120 millions de photorécepteurs
1200 000 neurones
Réduire et optimiser la quantité d’information à traiter
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Les Cellules Horizontales
Regroupement des bâtonnets
Cellule horizontale : elle reçoit l’information des photorécepteurs éclairés situés au-dessus d’elle, mais inhibe ceux qui les entourent
⇒
augmentation du contraste entre les zones sombres et les zones claires.
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Influence de la luminance
Bandes de Mach : renforcement des contrastes par inhibition latérale
L’impression de luminance dépend de la zone environnante
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Cellules Horizontales• Créent une inhibition latérale permettant un rehaussement du contraste
Aux intersections, on voit apparaître une zone grise, sauf en vision axiale
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Les Cellules Rétiniennes
Cellule bipolaire : lumière ⇒ signal positif noir ⇒ signal négatif le signal devient binaire
Cellules amacrines : connectent entre elles plusieurs cellules bipolaires, elles effectuent des « moyennes » de luminance ou de couleur.
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Canaux chromatiques
• Un canal achromatique (vert+rouge) qui transmet une information de luminance
• Un canal bleu-jaune qui fournit une réponse antagoniste opposant le bleu et le jaune
• Un canal vert-rouge qui fournit une réponse antagoniste opposant le vert et le rouge
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Traitement rétinien de l’information • Les cellules rétiniennes effectuent un considérable travail de
codage et pré-traitement de l’information détectée par les photo- récepteurs.
• Il y a 125 millions de photo-détecteurs (5 millions de cônes et 120 millions de bâtonnets) alors qu’il n’y a que 1,2 million de fibres par nerf optique.
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Traitement cérébral Les fibres du nerf optique se croisent au chiasma optique pour se séparer
selon la partie de l’espace visuel concerné (droite - gauche) et rejoindre les deux hémisphères du cortex visuel
Chiasma optique
2 hémisphères du cortex visuel
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Le Cortex Visuel
David Hubel(1926- )
Nobel de Médecine 1981
Chaque zone du cortex est spécialisée : couleurs, reconnaissance des formes, des visages, du mouvement, …avec de fortes interconnexions entre les zones
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Interprétation par le cerveau
Les cercles du centre ont le même diamètre
Les diagonales sont toutes parallèles, les segments sont horizontaux ou verticaux
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Interprétation par le cerveau
Les lignes sont toutes horizontales et les parties noires sont toutes des carrés
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Illusions d’optique
Pictures of Hor supplied by Nik Williams Copyright © 1996 Nik Williams and the Swansea Museum.
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Comment mesurer une couleur ?Perception de la couleur par un observateur
• Quantité de lumière reçue par l ’œil Source Lumineuse
Stimulus physique Nature de l ’objet R(lambda)
• L ’œil récepteur de lumière Cônes, bâtonnets
Stimulus physiologique Défauts de l ’œil Luminosité
• Le cerveau : interprétation
Interprétation psychologique
Intérêt de la mesure colorimétrique• Nécessité industrielle• Langage identique• Normalisation par la CIE• Nombreuses normes disponibles• Définition des illuminants standards• Méthodes de mesures de couleur normalisées
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Comment chiffrer une couleur ?
Système colorimétrique
Spectre d’une source modèle : l’illuminant
Spectre de réflectance de l’objet
Spectre de réponse d’un œil standard
Couleur = source lumineuse x objet x œil
principes de colorimétrie 81
2 rayonnements sont équivalents (ou métamères) lorsqu’ ils produisent des sensations identiques sur un observateur « normal ».
C1 ≡
C2 mais C1 (λ) ≠
C2 (λ)
Exemple de 2 rayonnements métamères donnant une sensation jaune :
C1 (λ)
λ(nm)573
C2 (λ)
λ(nm)520 650jaune vert rouge
Les couleurs métamères
principe de colorimétrie 82
Maxwell : Montre qu’avec 3 sources bleu, vert et rouge on peur reproduire toutes les couleurs
Grassmann : première loi de colorimétrie ou postulat de trivariance visuelle
N’importe quelle couleur C peut être créée par le mélange de 3 couleurs primaires P1 , P2 , P3 .
C = A1 P1 + A2 P2 + A3 P3
Même sensation
Trivariance visuelle
Hermann Grassmann (1809-1877)
James Clerck Maxwell (1831-1979)
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Synthèse additive des couleurs
C = A1 P1 + A2 P2 + A3 P3
Addition des flux lumineux
Choix de R, V, B : couleurs primaires
Jaune, Magenta, Cyan : couleurs secondaires
Couleurs complémentaires : 2 couleurs qui peuvent donner du blanc (jaune + bleu, magenta + vert, cyan + rouge)
Exemple: l’écran vidéo, le pointillisme
synthèse des couleurs 84
Port-en-Bessin, l’avant port, marée haute - Georges Seurat - synthèse additive ou fusion optique
synthèse des couleurs 85
Synthèse soustractive des couleurs
Observation par réflexion :
Observation par transmission :
Exemple : diapositives
Pigments jaunes (absorbant le bleu)
Lumière incidente blanche Lumière
réfléchie jaune
Exemple : mélange de pigments
Lumière incidente blanche
Filtre jaune, absorbant le
bleu
Lumière transmise jaune
synthèse des couleurs 86
Couleurs primaires : Jaune, Magenta, Cyan
Couleurs secondaires : Rouge, Vert, Bleu
Couleurs complémentaires : 2 couleurs qui peuvent donner du noir (jaune + bleu, magenta + vert, cyan + rouge)
Synthèse soustractive des couleurs
systèmes 87
Les espaces vectoriels de couleur à 3 dimensions
Les 3 couleurs primaires forment la base de l’espace, pour un système colorimétrique (P1 , P2 , P3 , blanc) donné.
Principe : une couleur C (et tous ses métamères) est représentée par un vecteur OC
Les 3 composantes du vecteur OC sont les composantes trichromatiques T1 , T2 , T3 de la couleur C.
P1 P2
P3O
C
T1
T2
T3)()(
blancLCLT
1
11 =
où L1 = luminance de la primaire P1
systèmes 89
Système colorimétrique
Spectre d’une source théorique : l’illuminant
Spectre de réflectance de l’objet
Spectre de réponse d’un œil standard
Couleur = source lumineuse x objet x œil
3 courbes de réponse spectrales de l’observateur standard aux 3 primaires, définies :
par la CIE 1931 (sous 2°)
ou la CIE 1964 (sous 10°)
Choix des 3
primaires
Illuminants définis par la CIE :
A : éclairage intérieur à incandescence
B : lumière directe du soleil
D65 : lumière du jour moyenne
systèmes 90
Système RVB défini par la CIE 1931
3 primaires : R,V, B définies par les composantes trichromatiques spectrales :
C(λ)
λ
Couleur C
+
Composantes trichromatiques de C :
∫= λλλ dCrR )()(
∫= λλλ dCvV )()(
∫= λλλ dCbB )()(
⇒
systèmes 91
DIAGRAMME XYZSystème XYZ ou xy Y
( ) ( )( ) ( )( ) ( ) λλλ
λλλ
λλλ
dzEZ
dyEY
dxEX
∫∫∫
=
=
=
ZYXZz
ZYXYy
++=
++=
++=
ZYXXx
Diagramme L*,a*,b*
L* = clarté
a* = axe vert - rouge
b* = axe bleu - jaune
C = chroma ou saturation=
h = angle de teinte = arctan b*/a*
)**( 22 ba +
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b*
a*vert rouge
jaune
bleu
x
hO
M
x Nx P
M et N ont la même teinte, mais N est plus saturé que M
M et P ont la même saturation, mais n’ont pas la même teinte
L’écart de couleur est défini par ΔE = √(Δ
L*2+Δa*2+ Δ
b*2)
Il est en moyenne imperceptible à l’œil si ΔE < 2.
Diagramme L*,a*,b*
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Système de Munsell (artiste - peintre)Approche visuelle
Albert H. Munsell (début du 20ème siècle) : classement systématique dans un réseau cylindrique selon la teinte (hue), la luminosité (value) et la saturation (chroma).
Atlas de Munsell
Coupes d’iso-teinte de l’atlas
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Impression des couleursProblèmes de reproduction des couleurs
Le système RVB (synthèse additive) utilisé sur les écrans
Le système CMJN (synthèse soustractive, superposition d’encres Cyan, Magenta, Jaune et Noir) utilisé en imprimerie
⇒ Certaines couleurs sont non affichables ou non imprimables