E5 Optique des couleurs et perception chromatique

Topique

Selon le modèle de photoréception, chacun des trois types de cônes de la rétine (cônes S, M et L) réagit différemment à une même lumière, en fonction de sa sensibilité spectrale spécifique. La couleur perçue ne dépend pas de la composition spectrale complète de cette lumière, mais uniquement de la combinaison de ces trois réponses : la réponse des cônes S, celle des cônes M et celle des cônes L. Ce modèle appréhende donc la perception des couleurs comme un modèle tristimulus : il réduit toute lumière, aussi complexe soit sa composition spectrale, à trois nombres, un pour chaque type de cône, et c'est cet ensemble de trois nombres qui détermine la couleur perçue.

Plus les réponses produites par deux lumières différentes pour les trois types de cônes sont similaires, plus les couleurs produites par ces deux lumières sont proches, au point d'être perçues comme une seule et même couleur lorsque les deux réponses sont identiques. Cette coïncidence est appelée métamérisme et se produit même lorsque les deux sources lumineuses ont des compositions spectrales totalement différentes, car le système visuel ne compare jamais directement ces compositions spectrales : il compare uniquement la triade de réponses que chacune produit dans les cônes S, M et L. Deux sources lumineuses métamères trompent ainsi l’œil de la même manière, lui faisant percevoir une seule couleur alors qu’en réalité, il existe deux combinaisons lumineuses distinctes.

Puisque la couleur perçue est déterminée par seulement trois valeurs, elle peut être représentée par un point dans un espace colorimétrique : un espace tridimensionnel où chaque axe correspond à l’une des réponses des trois types de cônes. En séparant l’information de luminosité de la triade de réponses et en ne conservant que leur rapport, cet espace colorimétrique est réduit à un plan bidimensionnel, et la position d’une couleur dans ce plan correspond à ses coordonnées de chromaticité. Afin de garantir que différents organismes et fabricants puissent décrire une même couleur de la même manière, ce modèle repose sur un modèle tristimulus standard, défini internationalement à partir de la réponse moyenne des trois types de cônes chez un observateur humain typique. Ceci garantit la cohérence du triplet de trois nombres et des coordonnées de chromaticité qui en découlent, quel que soit l'opérateur de mesure.

Lorsque deux sources lumineuses ou plus se combinent et atteignent simultanément l'œil, le triplet de trois réponses qu'elles produisent dans les cônes S, M et L correspond à la somme des triplets que chaque source lumineuse produirait séparément. Grâce à cette somme, ce modèle permet de prédire la couleur perçue lors du mélange de plusieurs sources lumineuses sans connaître la composition spectrale complète du mélange, et ainsi de simuler des mélanges de couleurs : il suffit d'additionner, réponse par réponse, les triplets des sources lumineuses combinées. C'est ce même principe qu'utilise un écran pour reproduire pratiquement n'importe quelle couleur perçue à l'aide de seulement trois sources lumineuses primaires, dans des proportions variables, au lieu de reproduire la composition spectrale exacte de la lumière réelle que cette couleur aurait dans le monde.

Lorsqu'un des trois types de cônes d'un œil est absent ou que sa sensibilité spectrale est altérée, le triplet de réponses produit par cet œil à la même lumière ne correspond plus à celui produit par un œil dont les trois types de cônes sont intacts. Deux lumières auparavant perçues comme de couleurs différentes commencent à être considérées comme de la même couleur : cette perte de distinction est précisément ce que détecte et classe le modèle de la vision des couleurs. Pour la même raison, tout instrument devant mesurer ou reproduire fidèlement la couleur – d’un écran à un colorimètre – est calibré selon ce modèle tristimulus, en ajustant ses capteurs ou ses sources lumineuses primaires jusqu’à ce que la triade de réponses qu’ils produisent corresponde à celle que produirait la lumière réelle dans un œil dont les trois types de cônes – S, M et L – fonctionnent normalement.

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