Codage de la couleur

On connait tous les appareils photo. Au début ils étaient argentique et utilisaient un procédé chimique afin de « capturer » l’image puis ils se sont modernisés et sont maintenant, pour la plupart, numérique. Cette fois ci plus de procédé chimique mais un capteur composé de plusieurs millions de cellules photosensibles. Ces cellules vont ainsi pouvoir transformer l’énergie lumineuse en signal électrique. Un convertisseur analogique/numérique se charge ensuite de convertir ce signal en données binaires. Ces dernières sont par la suite rassemblées et enregistrées dans une mémoire. Ce code pourra ainsi redonner une image visible grâce à un écran d’ordinateur ou une imprimante.

Dans ce billet, nous allons suivre un fil directeur qui va nous guider tout du long. Mettons nous ainsi dans la situation suivante : Supposons que nous prenons en photo un certain paysage, très coloré, avec beaucoup de nuances. Le soir, on branche l'appareil sur notre ordinateur. En regardant la photo du paysage, on est agréablement surpris quant à la fidélité de l'image par rapport à la réalité. Etant curieux mais ne connaissant rien en informatique, on se demande donc naturellement : Par quel moyen cette image est restituée sur notre écran ?

Cette question fera office de problématique. Pour répondre à cette dernière, nous parlerons dans un premier temps de la Théorie de la vision colorée. Puis pour finir nous verrons comment cette théorie à aidé quant au codage d'une image en informatique.

De Maxwell et sa Théorie de la vision colorée...

Tout commence avec Maxwell qui en 1859 proposa sa théorie de la vision colorée. Grâce à un triangle équilatéral, le triangle de Maxwell, il parvient à représenter toutes les couleurs qui peuvent être obtenues à partir d’une combinaison des trois couleurs primaires : rouge, vert et bleu.

Dans la nature nous pouvons retrouver deux principes de combinaison de couleurs primaires : la synthèse soustractive et la synthèse additive. C’est cette dernière qui va particulièrement nous intéresser. Mais tout d’abord revenons sur la synthèse soustractive. Elle correspond à la composition de trois couleurs primaires par soustraction de lumière. On va donc projeter une lumière blanche sur un écran devant lequel on va superposer des filtres de différentes couleurs. Un filtre va absorber une partie du spectre de la lumière blanche, qui contient toutes les radiations (et donc toutes les couleurs) du visible, et va ainsi laisser passer les rayonnements appartenant à l'autre partie du spectre. Ce phénomène est lié à la notion de longueur d’onde. En effet, un filtre laisse passer les rayonnements de longueur d'onde correspondant à sa couleur mais absorbe toutes les autres parties du spectre correspondant à des longueurs d’onde différentes. Les trois couleurs primaires sont le Cyan, le Magenta et le Jaune. Les couleurs obtenues sont le Rouge, le Vert et le Bleu. C’est justement sur ce principe que fonctionne la photographie argentique ou encore les imprimantes.

Revenons maintenant à la synthèse additive. Comme nous l’avons dit un peu plus haut, cette synthèse est la composition de trois couleurs primaire par addition de lumière. Les couleurs primaires de la synthèse additive à savoir le rouge, le vert et le bleu sont les couleurs de base qui permettent de reproduire toutes les couleurs qui peuvent être perçues par l’oeil humain. En effet ces couleurs correspondent aux couleurs auxquelles sont sensibles les trois types de cônes présents dans la rétine de l’œil humain. Lorsqu'on additionne deux couleurs primaires, on obtient une nouvelle couleur qualifiée de secondaire. Ainsi, le mélange des trois couleurs donne du blanc, le mélange de rouge et vert donne du jaune, avec du rouge et du bleu on obtient du magenta et avec du vert et du bleu on a du cyan. Ce qui nous donne donc les couleurs primaire de la synthèse soustractive

Synthèse additive
Synthèse soustractive

... à la modélisation de la couleur en informatique

La modélisation de la couleur en informatique s'appuie donc sur la théorie de Maxwell. Il existe de nombreux modèles, utilisés selon les applications. Dans ce billet nous nous intéresserons particulièrement au système RVB (ou RGB en anglais). Mais avant cela nous allons rapidement parler du système CMYK qui mérite toute notre attention lui aussi.

En effet le système CMYK ( Cyan, Magenta, Yellow, KeyBlack) est utilisé dans toutes les imprimantes. Il se base sur le principe de la synthèse soustractive. Les couleurs de base C, M, Y sont en fait des pigments (encres)
qui absorbent certaines longueurs d'onde donc certaines couleurs de la lumière blanche (qui contient toutes les couleurs). Cependant contrairement à ce qu'on pourrait penser ajouter des proportions égales de Cyan, Magenta et Jaune ne donne pas la couloir noir mais plutôt un brun sombre. C'est pour cela que les imprimantes utilisent une cartouche de noir en plus (d'où le KeyBlack) pour produire un noir profond.

Passons maintenant au système RVB (Rouge, Vert, Bleu). Ici, ce système utilise le principe de la synthèse additive. La synthèse additive concerne tous les mélanges de couleurs d’origine lumineuse tels que les scanner, les moniteurs LCD ou encore les appareils photos numériques. Les écrans sont ainsi composés de pixel qui sont eux-mêmes composés de trois sous-pixels, appelé luminophore, qui peuvent prendre une couleur rouge, verte ou bleue. Ils sont si petits que l’œil humain ne les distingue pas mais perçoit seulement la superposition des lumières qu’ils émettent. Les luminophores s’illuminent de façon plus ou moins intense et peuvent ainsi recréer une gamme très étendue de couleurs.

Avec le système RVB, il faut donc trois nombres, un nombre par couleur, pour coder la quantité de chaque couleur. Un codage sur 8 bits permet de générer 28 = 256 nombres différents soit 256*256*256 (plus de 16 millions de couleurs). Vous trouverez en annexe, un programme qui simule une palette de couleur. Ici dans notre exemple, la valeur maximale de chaque pixel est de 100. Ce qui signifie que nous pouvons modéliser 100*100*100 = 1 000 000 de couleurs. La fraction ci-dessous représente les couleurs représentables en RGB sur la palette de couleur en fonction de n (ici n = 100):

Seulement les 16 millions et plus de couleurs modélisables ne suffisent pas pour atteindre les capacités de discernement visuel d'un humain. En effet, il faudrait coder sur 12 bits ce qui fait 212 = 4096 nombre différents. Soit un total de plus de 68 milliards de couleurs !

On a pu donc voir que grâce à Maxwell une multitude de couleurs peut être obtenues à partir de seulement trois couleurs primaires. C'est ainsi que fonctionnent les pixels sur nos écrans. Composés de sous-pixels rouge, vert et bleu. Les diverses programmes vont affecter une valeur à chaque sous-pixel qui vont ainsi voir leur valeur varier entre 0 et 256. Chaque sous-pixel aura donc des nuances de leur couleur respective. On obtiendra, par combinaison de ses trois sous-pixels, une couleur. Revenons à notre fil directeur. Lorsque l'on prend une photo avec notre appareil numérique, le capteurs composé de millions de pixels photosensibles, vont transformer le signal lumineux en signal électrique. Les informations vont par la suite être codées et enregistrées sous forme de nombres dans la mémoire de l'appareil. Lorsque l'on va brancher notre appareil, ce sont ces mêmes nombres qui vont être réutilisés pour fixer la valeur des sous-pixels de l'écran et ainsi obtenir l'image prise en photo. Le nombre de pixels du capteur de l'appareil et de l'écran joue donc un rôle important quant à la qualité de la photo. En effet, plus il y aura de pixels, plus il sera possible de capturer plus de détails.


Annexe :
Sources :
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