La conception du signal audiovisuel ou plus historiquement des émulsions couleurs des pellicules, le développement des outils d’étalonnage, la construction des salles dédiées… Vous constaterez la forte influence des informations présentées dans ces lignes, dans les choix et la pratique des étalonneurs détaillés dans les prochains articles de notre dossier ! L’œil est un outil hautement adaptatif aux conditions dans lesquelles il se trouve.
Lumière
En physique, la lumière peut être vue et étudiée de deux manières : sous forme du déplacement d’un faisceau de particules élémentaires (les photons) ou d’un ensemble d’ondes électromagnétiques. Cette dualité de représentation permet l’étude de ses caractéristiques énergétiques d’un côté, et fréquentielles ou ondulatoires de l’autre. On passe de l’une à l’autre grâce à la relation de Planck ou de Planck-Einstein : E = h.f où E est l’énergie, f la fréquence et h la constante de Planck.
Dans le domaine fréquentiel, quelques notions simples aident à visualiser les phénomènes. L’observation de l’illustration d’une onde électromagnétique met en évidence un schéma élémentaire de ses composantes électriques et magnétiques, perpendiculaires entre elles, qui se répètent à intervalles réguliers selon une certaine fréquence. La lumière se déplace approximativement à 300 000 km/sec (299 792,458 km/s pour être plus précis). Une équation simple va nous permettre d’introduire le concept de longueur d’onde, très utilisé dans le domaine colorimétrique : λ=c/f ou « c » est la vitesse de la lumière et « λ » la longueur d’onde exprimée en mètres.
Décomposition de la lumière blanche
On appelle lumière blanche, une lumière qui apparaît blanche à la vision humaine comme c’est le cas de la lumière du soleil et de certaines lumières artificielles. Newton a démontré aux alentours de 1675 que la lumière blanche pouvait être décomposée en passant à travers un prisme optique. L’angle de diffraction des différents rayons lumineux dépend de la longueur d’onde. Cette expérience permet de voir l’ensemble des couleurs du spectre visible et de bien comprendre le rapport entre la longueur d’onde et la couleur. Les longueurs d’onde de la lumière visible s’étalent entre 400 et 800 nm. Elles sont situées dans le spectre des radiations électromagnétiques entre les rayons X et les micro-ondes.
L’œil voit toutes ces lumières mais certaines mieux que d’autres. Le schéma de la sensibilité spectrale de l’œil humain démontre une prédominance des longueurs d’ondes dans le domaine du vert.
IRC : l’indice de « qualité » colorimétrique d’une couleur
Les différentes technologies de conception d’éclairages autorisent l’émission de spectres très variés qui peuvent présenter des raies de couleurs ou des trous. Pour être fidèle colorimétriquement, il est au contraire nécessaire que les lumières soient continues, à l’image du soleil. La caractéristique qui exprime cette qualité est l’IRC : l’Indice de rendu des couleurs. Les éclairages principaux conçus pour l’éclairage cinématographique ou audiovisuel ou pour l’équipement des salles d’étalonnage doivent arborer un indice IRC supérieur à 90 voir 95.
Température de couleur
Nous retrouvons pour expliquer ce terme très utilisé en audiovisuel, le physicien allemand Max Planck. Même si la lumière blanche retransmet toutes les couleurs, il existe plusieurs lumières blanches. On peut simplement le voir dans les rayons des magasins de bricolage où les lumières Leds sont présentées avec leurs températures de couleurs respectives. Observées en comparaison directe, les lumières blanches présentent des dominantes colorées qui évoluent entre l’orangé et le bleu. On utilise les termes chaud (orangé) et froid (bleu) pour caractériser ces températures de couleurs.
L’œil est « intelligent ». Quelle que soit la température de couleur, baigné dans l’éclairage d’une lumière blanche, l’œil s’adapte à cette dernière et voit un objet blanc, blanc. Les physiciens doivent parfois se munir d’objets théoriques pour décrire les concepts. Le corps noir est de ceux-ci, il absorbe toute l’énergie électromagnétique et donc toute la lumière. Lorsqu’on le chauffe suffisamment, il émet une lumière dans le spectre visible. Selon la température, il présente une dominante de couleur.
La loi de Planck indique la luminance du corps noir en fonction de la longueur d’onde pour une température de couleur donnée. On peut en déduire les courbes spectrales présentées en illustration. La température de couleur est exprimée en Kelvin. On peut mesurer la température de couleur équivalente d’une lumière réelle grâce à un thermocolorimètre. En indiquant une température de couleur de référence, le thermocolorimètre précise également les corrections à apporter à une lumière pour que l’éclairage soit homogène.
Œil
Souvent comparé à une caméra, l’œil est une machine très complexe. Nous allons explorer et simplifier les principaux concepts de son fonctionnement avec son partenaire le cerveau. La lumière entre par l’objectif humain, via la cornée, l’humeur aqueuse, le cristallin et le corps vitré pour atteindre le capteur humain : la rétine. La cornée est une lentille fixe qui assure environ deux tiers du pouvoir optique de l’œil avec un pouvoir réfractif d’environ 42 dioptries. Le cristallin est une lentille adaptable qui assure l’accommodation ou la mise au point de l’œil. Au repos, le cristallin et la cornée présentent une puissance d’environ 60 dioptries, équivalent à une focale de 17 mm.
Notre rétine est inversée, la lumière traverse d’abord les fibres nerveuses et les différentes cellules ganglionnaires, amacrines, bipolaires et horizontales pour atteindre les photorécepteurs : les cônes et les bâtonnets. Les différents photorécepteurs présentent des réponses différentes. Les bâtonnets sont sensibles à l’information lumineuse mais sont achromatiques : ils ne permettent pas de différencier les couleurs. Leur réponse est également plus lente que celle des cônes (300 ms vs. 70 ms).
L’inversion de la rétine impose aux nerfs optiques ainsi qu’aux vaisseaux sanguins de la traverser pour transmettre les informations visuelles vers le cerveau et irriguer l’œil. Ce « trou » est appelé la tache aveugle ou tache de Mariotte. En vision monoculaire, les informations manquantes sont synthétisées à partir des informations issues des cellules environnantes, à la manière des pixels défectueux d’un capteur dont les données sont interpolées à partir de leurs voisins. En vision binoculaire, les tache aveugles des deux yeux étant localisées à des endroits différents, les informations se complètent.
N’en croyez pas vos yeux… parce qu’ils vous mentent !
Avant d’éclaircir cette affirmation, précisons ce qu’est la perception de la couleur. Parce que c’est bien de perception qu’il s’agit. Un phénomène lumineux peut prendre trois formes : une source peut être observée en vision directe, un objet vu grâce à la réflexion de la lumière à sa surface ou un objet translucide vu par transparence. Ces phénomènes cohabitent souvent : l’apparence d’un objet translucide peut être la synthèse d’une source lumineuse vue en transparence et d’une autre lumière agissant en réflexion. La couleur perçue est liée à des courbes spectrales renseignant l’énergie transmise, réfléchie ou émise selon la longueur d’onde. Elle dépend également des caractéristiques du fond d’observation, c’est-à-dire des couleurs entourant l’objet observé (paramètre primordial notamment dans la conception des salles d’étalonnage), mais aussi de critères psychologiques, physiologiques et même philosophiques.
Les illusions d’optiques, tout en nous incitant à interroger la vérité de notre vision, sont autant ludiques qu’instructives. Sur le célèbre échiquier d’Adelson (voir l’illustration), les carrés A et B sont de même teinte. En dessinant une bande grise sur un fond dégradé, on s’aperçoit que la même teinte est perçue plus sombre sur un fond clair, et inversement !
Le contraste entre deux couleurs est plus fortement ressenti lorsque ces dernières sont observées simultanément plutôt que l’une après l’autre. Ce contraste est accentué par un autre phénomène connu sous le nom de bandes de Mach. À la frontière entre des bandes de teintes différentes, l’œil « crée » deux fines lignes : plus claire du côté clair et plus sombre du côté sombre.
Sensibilité à la lumière
Au nombre de 120 millions, les bâtonnets sont jusqu’à cent fois plus sensibles que les 6 millions de cônes. À partir d’un certain seuil de luminosité, ils sont saturés. La zone de faible luminosité où les seuls bâtonnets sont exploités correspond à la vision scotopique, lors d’une nuit sans lune par exemple. La vision mésopique, sous une pleine lune, associe les réponses des bâtonnets et des cônes. De jour, ces derniers récepteurs sont les seuls en action pour la vision photopique, les bâtonnets étant alors saturés. La réponse générale de l’œil n’est pas linéaire mais quasiment logarithmique. Les cônes s’adaptent rapidement aux niveaux de luminosité.
À l’inverse, en entrant dans une zone de faible luminosité, les bâtonnets prennent le relais des cônes après dix minutes. C’est seulement au bout de trente minutes que leur sensibilité est maximale. Cette adaptation passe également par un élargissement de l’ouverture de la pupille de 2 à 8 mm. Après cette adaptation, l’œil a besoin de 30 000 fois moins de lumière ! En condition de très faible luminosité, seuls les bâtonnets permettent de voir.
Analyse de la couleur
La répartition des cônes et des bâtonnets est irrégulière. Au centre de la rétine, la macula est une tache jaune d’environ 5,5 mm dans laquelle on différencie des zones intermédiaires : périfovéa, parafovéa et fovea centralis. Les cônes se concentrent dans cette dernière zone de plus grande acuité visuelle. Contrairement au reste de la rétine, ici chacune des cellules est directement connectée à une fibre nerveuse, alors qu’en périphérie de la rétine, jusqu’à soixante-dix bâtonnets peuvent être associés à une unique cellule bipolaire.
Comment les cônes permettent-ils de percevoir les couleurs ? Il y a en fait trois types de cônes : L (65 %), M (35 %) et S (2 à 4 %) (Long, Medium et Short), chacun étant particulièrement sensible à une dominante colorée et à une longueur d’onde (S : 440 nm, M : 540 nm, L : 565 nm). Des colorants, les molécules de rétinoïdes, sont présents à la base des cônes et des bâtonnets. Les bâtonnets en contiennent une unique variété, alors que tous les cônes contiennent un ensemble de rétinoïdes, les types de cônes étant différenciés par une répartition très majoritaire d’un colorant. C’est à partir de ces trois canaux d’informations que le cerveau décode l’ensemble des couleurs du spectre visible avec une plus grande sensibilité pour le vert, une moins grande sensibilité pour le rouge et une plus faible sensibilité pour le bleu.
Les expériences de George Wald ont montré que la sensibilité dominante des bâtonnets se situe à 498 nm environ ce qui correspond à une couleur vert-bleu. L’effet Purkinje en découle : lorsque la lumière baisse, avant qu’ils soient les seuls en œuvre pour analyser la lumière, le pic de sensibilité de l’œil humain dérive progressivement depuis la longueur d’onde dominante cumulée des cônes vers la longueur d’onde dominante des bâtonnets. L’habitude historique des cinéastes de plonger les scènes de nuits sous un éclairage à dominante bleu trouve ici une véritable explication scientifique !
Théorie des couleurs par opposition
Il reste des mystères à découvrir dans le fonctionnement de l’œil. Une hypothèse nommée opponent theory ou « théorie des couleurs par opposition » expliquerait la vision humaine selon trois canaux. Le canal achromatique (ou noir et blanc) analyse l’opposition des informations issues de tous les cônes par rapport à l’absence d’information. Le canal rouge/vert traite l’opposition entre les signaux issus des cônes éponymes. Le canal bleu/jaune compare le signal précédent à l’information issue des cônes bleus.
Une expérience permet de donner du poids à cette théorie. Séparez une image en quatre carrés pleins ou délimités par des lignes blanches. Remplissez les zones avec les couleurs bleu, rouge, jaune et vert. Fixez le centre de l’image pendant une vingtaine de secondes, clignez des yeux pour les rouvrir sur une feuille blanche. Vous devriez voir des couleurs opposés apparaître.
Cette théorie peut également expliquer l’adaptabilité de l’œil aux conditions d’éclairage et confirme l’importance de la prise en compte des couleurs du fond d’observation dans l’analyse des images.
Une autre pratique dont l’importance est capitale et que tout aspirant étalonneur doit assimiler pour éviter de nombreuses déconvenues : la colorimétrie des images d’un film doit s’analyser dans sa temporalité. Plus concrètement, en passant trop de temps à étalonner des images arrêtées ou en boucle, les risques d’erreurs de jugement et de corrections sont grands.
Un exercice apprécié des formateurs en étalonnage consiste à proposer à leurs stagiaires d’étalonner le plan d’une publicité dans un style fortement saturé en y passant beaucoup de temps. Après une pause ou un travail différent, le plan est de nouveau analysé. Il est alors très souvent jugé excessif dans son traitement, l’œil s’étant habitué aux premières corrections, l’étalonneur a renforcé ses actions pour atteindre son objectif.
Lois de Grassman et synthèses additives et soustractives
Au XIXe siècle, les études d’Hermann Grassman ont abouti à des lois qui, avec la notion de métamérisme, sont à la base de la définition de tous les espaces colorimétriques et des signaux audiovisuels. Deux couleurs vues sous un éclairage donné sont dites couleurs métamères. Elles sont notées C1=C2 (la couleur C1 équivaut à la couleur C2).
Trois paramètres sont nécessaires et suffisants pour générer toute sensation colorée. Autrement exprimée, toute couleur peut être reproduite par trois primaires en équilibrant leurs coefficients respectifs.
C=r.R+v.V+b.B
Lorsque l’on additionne deux couleurs (par exemple les pixels élémentaires des écrans ou les faisceaux colorés des vidéoprojecteurs) les coefficients des primaires s’additionnent pour produire la couleur résultante.
C1=r1.R+v1.V+b1.B
C2=r2.R+v2.V+b2.B
C1+C2=(r1+r2).R+(v1+v2).V+(b1+b2).B
Si l’intensité d’une lumière colorée varie, les coefficients des primaires de la lumière colorée varient selon la même quantité.
C.k=k.r.R+k.v.V+k.b.B
Espace CIE RGB
Nous avons vu qu’il est possible de recréer un ensemble de couleurs visibles à partir de trois couleurs primaires. C’est la base de la trichromie. La Commission internationale de l’éclairage, plus connue sous l’acronyme CIE, a réalisé différents tests à partir de 1926 pour caractériser la vision colorimétrique de l’observateur standard moyen. Pour cela, les scientifiques ont utilisé des primaires déterminées par des longueurs d’ondes très précises pour décrire le spectre des couleurs visibles.
Les premières mesures étaient menées à partir d’une observation des couleurs sous un angle de 2°, valeur ayant été portée à 10° pour les plus récentes mesures à l’origine du diagramme CIE de 1964 afin de mieux correspondre à une vision d’un poste de télévision.
Espace CIE xyY : les couleurs en 2D
Il est compliqué de travailler avec des couleurs représentées dans un espace à trois dimensions et c’était d’autant plus vrai lorsque les scientifiques ne bénéficiaient pas de la puissance de l’informatique. Une des raisons du développement de l’espace CIE xyY est justement la volonté de pouvoir définir un plan à deux dimensions x et y dans lequel sont positionnées l’ensemble des couleurs, indépendamment d’un système de primaire. Il correspond à la luminance.
On peut dessiner dans ce plan plusieurs informations dont le spectrum locus (l’ensemble des couleurs visibles par l’œil humain), les primaires utilisées par différents espaces colorimétriques ou la position du point blanc. Ces informations permettent de définir les différentes bases colorimétriques.
Les espaces colorimétriques de l’audiovisuel et du cinéma
Les outils d’analyse de l’image, c’est-à-dire les caméras dans notre domaine et également les diffuseurs d’images, écrans et vidéoprojecteurs, utilisent des couleurs primaires précises. La très grande précision et stabilité de ces primaires est une des raisons du prix des matériels de référence utilisés en étalonnage. Pour assurer une fidélité colorimétrique de l’ensemble de la chaîne audiovisuelle, des normes ont été définies. En définition standard, la recommandation UIT-R BT 601, ou plus communément Rec. 601, définit les informations du signal vidéo telles que les résolutions, cadences et entrelacements, en plus des coordonnées des primaires et du point blanc dans le diagramme CIE x,y 1931.
La HD est traitée dans la recommandation Rec. 709, l’UHD dans la Rec. 2020. L’espace du cinéma numérique est le DCI-P3. Les primaires de l’espace colorimétrique de la recommandation Rec.2020 sont sensiblement plus larges que ses prédécesseurs, à tel point que même les plus onéreux des écrans d’étalonnage ne couvrent pas la totalité de cet espace.
Il est important de comprendre les bases de la création du signal et le fonctionnement de notre système visuel, les deux étant intimement liés. Nous reviendrons dans les prochains articles de ce dossier sur plusieurs concepts introduits dans ces lignes, que ce soit pour des explications de choix artistiques, de techniques de travail, d’évolutions des formats comme le HDR ou encore de réflexions philosophiques ou sensorielles autour de la couleur.
Article paru pour la première fois dans Moovee #7, p.64/68. Abonnez-vous à Moovee (6 numéros/an) pour accéder, dès leur sortie, à nos articles dans leur intégralité.
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