Le système de repérage CIE XYZ
Voici le plus important système de spécification couleur des cent dernières années! Développé dans les années 20 à partir des travaux de deux physiciens anglais, Wright et Guild, adapté ensuite en 1931 par la CIE, le système XYZ garantit l'égalisation visuelle entre deux couleurs pour un éclairage donné et constitue la pierre angulaire de toute l'industrie des peintures, du plastique, des teintures, des encres, de l'éclairage et de la télévision.
CIE XYZ : un espace couleur à trois dimensions, c'est-à-dire formé par la combinaison de trois primaires, trois lumières de couleur différentes qui ne peuvent être obtenus entre elles (X ne peut pas être obtenu par aucun mélange de Y et Z, et ainsi de suite). Il faut s'imaginer ces trois primaires au sommets d'un cube et forment les trois axes d'un espace tri-dimensionnel. À l'intérieur de cet espace, par définition, toutes les couleurs visibles par un observateur de vision coloré normal se retrouvent. Et chacune a une position unique.
CIE
Commission Internationale de l'Éclairage
La CIE (à ne pas confondre avec la CIA!) est l'organisme mondial de normalisation reconnu par l'ISO en matière d'éclairage et de couleur. La CIE puise ses origines en 1914 alors qu'on commencait à normaliser les éclairages des rues et de signalisation.
À noter que cette illustration est *mon* interprétation de l'aspect de l'espace tridimensionnel XYZ. À vrai dire, c'est plutôt un diagramme de chromaticité rendu en 3 dimensions à ma façon (David MacAdam ne serait pas d'accord). Je sais que ce n'est pas tout-à-fait rigoureux mais pour les besoins de présentation, je pense que les puristes ne m'en voudront pas trop.
On appelle XYZ des primaires imaginaires ou fictives parce qu'elles ne correspondent pas à des lumières réelles.
Plus de détails ici.
|
X
|
Y
|
Z
|
|
| Rouge |
51
|
28
|
2
|
| Vert |
13
|
26
|
4
|
| Bleu |
7
|
4
|
39
|
| Gris |
23
|
25
|
20
|
Exemple
Prenons le tableau ci-contre, dans lequel j'ai disposé les valeurs XYZ d'un rouge, d'un vert et d'un bleu. Commençons par étudier le cas du rouge. À première vue, X=51, Y=28 etZ= 2 ne nous apprennent pas grand chose sur l'aspect visuel de cette couleur. Mais au niveau géométrique, ces chiffres révélent l'emplacement d'un point dans un espace è trois dimensions: déplacement de 51 unités sur l'axe des X, de 28 unités sur l'axe des Y et de 2 unités sur l'axe des Z. Ça c'est l'interprétation géométrique. Comme vous le voyez, il n'y a pas de place pour plus d'une couleur à cet emplacement. Autrement dit, X=51 Y=28 Z=2 se lisent comme un triplet de coordonnées (51, 28, 2) qui appartiennent à un 'espace géométrique' à trois dimensions et qui nous renseigne quant à la position exacte du point (51, 28, 2) dans cet espace.
Pour le système de repérage de la CIE XYZ, 51, 28 et 2 représentent l'interprétation 'colorimétrique' de la couleur : c'est à cet endroit précis qu'on situe la sensation colorée ressentie par notre organisme lorsqu'un sujet de vision normale observe ce 'rouge'. De quel 'rouge' s'agit-il? On pourra en débattre longtemps avec des mots mais pas dans le système de la CIE.
Lorsque deux couleurs ont les mêmes coordonnées XYZ, on dit de ces couleurs qu'elles sont visuellement égales ou identiques ou tout simplement que notre système visuel est incapable de discriminer l'une de l'autre. Notre système visuel les confond, pour ainsi dire.
CIE Lab 1976, une très bonne année pour la colorimétrie puisqu'elle a vu naître CIE Lab et CIE Luv. Luv étant davantage utilisé du côté des lampes et de la télévision.
Modèle Lab
Trois dimensions
Je reprend ici, en bref, le modèle Lab présenté dans la page théorie puisqu'il a une affinité très grande avec l'espace XYZ. En fait, tel qu'expliqué ici, Lab est un espace de la CIE au même titre que XYZ. Il sert des besoins différents mais est fondamentalement lié à XYZ par des équations que j'appellerais de transfert.
CIE Lab a principalement été développé pour permettre les rapprochements visuels ou comparaisons ou calculs d'écart entre les couleurs. XYZ fournit un repérage précis d'une couleur par rapport à un autre mais ne nous aide pas vraiment dans l'évaluation de cet écart. C'est ici qu'entre eu jeu CIE Lab. Par le jeu de trois équations simples, on transforme XYZ en Lab. Une fois passé en Lab, on peu appliquer une nouvelle équation qui évalue la distance métrique entre deux couleurs : le résultat se nomme delta E. Plus l'écart est grand et plus la valeur delta E sera grande (5, 7, 10, 35, ...). À l'inverse, une différence près de zéro indiquera une très grande similarité.
Spetrogramme: voici un graphique qui représente la lumière réfléchie par une surface colorée entre les bornes 380 et 750 nanomètres. On voit, par exemple, qu'à 610 nm, la surface en question réfléchit 11,06% des rayons lumineux. C'est donc dire qu'elle en absorbe 88,94%. Comme disait Madame Artignan dans mon cours de chimie à l'école secondaire : rien ne se perd et rien ne se crée. La lumiére émise vers une surface peut être totalement réfléchie ou totalement absorbée ou un mélange des deux. Dans le premier cas, on a affaire à un miroir. Dans le second, à un corps noir.
Spectre
Le prisme offre la technique physique la plus simple pour décomposer un rayon lumineux. Comme Newton l'avait découvert. Mais cela ne nous donne qu'une analyse qualititative d'un rayonnement. Ce qui intéresse le physicien et le chimiste qui travaille en industrie, c'est l'analyse quantitative de la lumière : quelle est la quantité d'énergie dégagée par un rayonnement lumineux? Le résultat de l'analyse quantitative d'une radiation s'exprime en science à l'aide d'un spectrogramme.
Colorimétrie
Introduction
On peut admettre que, dans l'examen d'une couleur, l'oeil distingue normalement trois attributs : tout d'abord, l'intensité de la couleur. Comme tout organe sensoriel, l'oeil procède par comparaison et ne peut évaluer l'intensité de façon absolue mais seulement par rapport à une autre couleur, celle-ci lui apparaissant plus ou moins sombre ou plus ou moins brillante. Deux couleurs de même nature mais d'intensité variable, disposées l'une à côté de l'autre dans le champ visuel, forment ce qu'on appelle un contraste d'intensité et aussi de couleur, que nous pouvons percevoir dans les différents objets qui nous entourent.
Un autre attribut est ce qu'on appelle la dominante. D'une façon générale, une couleur nous rappelle toujours une couleur déterminée du spectre : un vert quelconque est en principe de la même couleur, de la même dominante qu'une radiation bien déterminée du spectre visible.
Enfin, ladite couleur peut être assimilée à un mélange de cette radiation dominante avec des proportions variables de lumière blanche. C'est ainsi qu'une couleur pâle résultera d'un mélange de radiation dominante avec une proportion importante de lumière blanche, alors qu'une couleur saturée résultera d'un mélange d'une forte proportion de radiation dominante avec un peu de lumière blanche. La saturation d'une couleur est d'autant plus forte que la couleur paraît plus pure et moins lavée de blanc.
Diagramme de chromaticité CIE xy. En réalité, c'est une projection
de XYZ sur un plan à deux dimensions.
L'étude de la façon dont l'oeil réagit aux excitations lumineuses colorées constitue l'essentiel de la colorimétrie.
Spectrométrie
On peut assimiler la lumière (forme d'énergie électromagnétique) à des photons -- des photos-électrons, en fait-- qui se meuvent dans l'air le long d'une trajectoire rectiligne sous la forme d'un signal périodique sinusoidal.
Dans un sens, la lumière est comme l'eau : incolore. Tout ce qu'elle est se résume en une collection de radiations de différentes 'longueurs'. Dans le langage courant, on dit 'un faisceau lumineux' ou un 'rayonnement'. Mais on ne doit pas perdre de vue, pour notre propos, que ces deux entités sont en réalité des 'amas' de radiations, de la même façon que le ciel, la nuit, nous apparait sous la forme d'amas d'étoiles.
Dans la grande équation de la couleur il y a trois ingrédients : la lumière; l'objet observé (la matière); le sujet qui observe (l'observateur).
La lumière détermine l'apparence colorée dun corps. Ce qui nous intéresse donc dans la lumière, au niveau de la couleur, ce n'est pas tant son intensité que sa composition spectrale. Oui, demandons-nous comment caractérise-t'on en science un rayonnement lumineux? Eh bien, de la même façon qu'on le ferait pour caractériser n'importe quelle radiation électromagnétique : par son 'spectre'.
Le graphique de droite montre un spectre typique qui présente graphiquement l'énergie dégagée pour chaque radiation étudiée à l'intérieur d'une certaine plage de radiations déterminée (ex: 380nm à 750nm).
Spectre visible
La CIE défini la plage des radiations électromagnétiques pertinentes aux mesures de lumière colorées comme celle étant comprises entre 360 nanomètres et 830 nanomètres. En deça de 360 nm, on strouve l'ultra-violet, les rayons X et les rayons gamma. Au delà de 830 nm, on trouve l'infra-rouge, les micro-ondes, la radio et la télévision. Mais, en pratique, comme les valeurs deviennent négligeables sous les 400 nm et au dessus de 700 nm pour la vision, beaucoup de fabricants d'instruments de mesure, comme X-Rite, s'en tiennent à la plage comprise entre 400nm et 700nm.
Résolution spectrale
À quel degré de précision ou finesse doit-on étudier la composition d'un rayonnement pour les besoins de la colorimétrie?
Cela dépend de nos besoins. En science, on étudie typiquement la composition spectrale d'une radiation jusqu'au nanomètre. En chimie, par exemple, les appareils de mesure peuvent même étudier la matière en fraction de nanomètre. Pour l'étude de la couleur, en général, une précision de 5 nm à 10 nm est suffisante.
Spectre continu vs discontinu
Quand on se met à décomposer spectralement des rayonnements lumineux, on découvre qu'il existe deux grandes catégories : ceux dits 'continus' et ceux dits 'discontinus'.
La matière est ainsi faite qu'il peut y avoir présence d'énergie lumineuse à toutes les longueurs d'onde du spectre ou non. Le soleil, par exemple, rayonne une lumière 'continue'. De même qu'une ampoule domestique de 100W. Mais nombre de sources, comme des lampes au sodium ou au mercure n'émettent pas d'énergie dans toutes les régions du spectre visible. Cette analyse de la composition spectrale de la matière, la spectroscopie, est très utilisée en chimie analytique.