Couleurs

La couleur est la perception visuelle d’une partie du spectre lumineux. Cette perception est créée lorsque la lumière frappe l’œil et est interprétée par le cerveau.

Observer expérimentalement les couleurs

Le colorimètre de FizziQ utilise la caméra du smartphone pour mesurer les trois composantes rouge, verte et bleue de la lumière reçue, ainsi que la teinte et la luminosité.

Étapes :

• Ouvrir FizziQ et sélectionner l’instrument Colorimètre. Viser une feuille de papier blanc éclairée par la lumière du jour et noter les valeurs R, V et B : elles doivent être proches les unes des autres.
• Viser successivement des cartons rouge, vert et bleu à distance constante. Relever les trois composantes pour chaque carton et repérer laquelle domine.
• Refaire les mêmes mesures sous une autre source (néon, LED blanche, lampe à incandescence) sans rien changer d’autre. Comparer : la couleur mesurée d’un même objet change avec la source qui l’éclaire.
• Filmer ou photographier l’écran d’un ordinateur affichant du blanc à travers une loupe ou un réseau, puis remesurer : le blanc de l’écran est en réalité une juxtaposition de rouge, de vert et de bleu.
• Comparer les valeurs entre deux smartphones différents visant la même cible : les écarts absolus montrent que le capteur donne des comparaisons fiables, pas des valeurs de référence.

Activités scientifiques sur ce thème

L’étude des couleurs permet d’aborder de nombreux thèmes en sciences tels que les ondes, l’absorption de la lumière ou la physiologie de la vision. Ces expériences se réalisent avec un smartphone ou une tablette.

• Colorimétrie des feuilles d’automne - mesurer l’évolution des composantes RVB de feuilles au cours de la saison et relier la couleur aux pigments présents (5e-3e).
• Synthèse additive RVB - recomposer des couleurs à partir de trois sources rouge, verte et bleue et vérifier les couleurs secondaires obtenues (5e-3e).

En savoir plus

La couleur, dans son essence, est une interprétation humaine de la portion visible du spectre électromagnétique. Ce spectre, auquel appartient la lumière visible, englobe une gamme de longueurs d’onde allant d’environ 380 à 780 nanomètres. Chaque longueur d’onde correspond à une couleur spécifique perçue par l’œil humain, débutant par le violet à l’extrémité la plus courte du spectre, passant par le bleu, le vert, le jaune, et finissant par le rouge à l’extrémité la plus longue.

Ce phénomène que chacun peut percevoir a été étudié scientifiquement relativement tardivement.

L’une des contributions les plus remarquables à la compréhension des couleurs vient d’Isaac Newton. Au 17ème siècle, il a démontré que la lumière blanche était en fait composée d’un spectre de couleurs. Newton a utilisé un prisme pour décomposer la lumière blanche en couleurs et a montré qu’en recombinant ces couleurs, on pouvait reformer la lumière blanche.

Johann Wolfgang von Goethe, mieux connu pour son œuvre littéraire, a également écrit un traité influent sur les couleurs, “Zur Farbenlehre” (Théorie des couleurs), publié en 1810. Il contestait les idées de Newton et présentait une approche plus phénoménologique de la couleur, en se concentrant sur la manière dont nous la percevons.

Au 19ème siècle, James Clerk Maxwell fait des découvertes fondamentales dans le domaine de l’optique et de la couleur. Il est surtout connu pour avoir créé la première photographie en couleur en 1861 en utilisant trois filtres de couleurs primaires : rouge, vert et bleu. Hermann von Helmholtz a également contribué de manière significative à la théorie de la perception des couleurs. Il a développé la théorie trichromatique de la vision des couleurs, qui suppose que l’œil humain perçoit les couleurs grâce à trois types de récepteurs sensibles aux couleurs rouge, vert et bleu. Finalement Thomas Young a proposé une version antérieure de la théorie trichromatique de la vision des couleurs. Cette théorie est devenue la base de notre compréhension actuelle de la perception des couleurs.

Un des piliers de l’analyse des couleurs est le phénomène de dispersion : la lumière blanche est le mélange complexe de toutes ces couleurs, comme peut le démontrer l’utilisation d’un prisme ou comme on le voit dans un arc-en-ciel. La couleur peut aussi être influencée par la façon dont la lumière interagit avec différents matériaux. Par exemple, un objet apparaît rouge parce qu’il absorbe toutes les longueurs d’onde de la lumière sauf le rouge, qui est réfléchi vers nos yeux. De même, un objet peut paraître de différentes couleurs sous différentes sources lumineuses en raison de la variation dans le spectre de lumière émis par ces sources.

Un autre aspect fascinant de la couleur est son absence dans l’obscurité. Dans l’obscurité, aucune lumière ne signifie aucune couleur perçue, soulignant ainsi que la couleur est une création de notre perception en réponse à la lumière. L’étude de la couleur nous amène donc à explorer non seulement les propriétés physiques de la lumière, mais aussi à comprendre comment nos yeux et notre cerveau travaillent ensemble pour interpréter ces signaux lumineux.

Les trois facteurs de la couleur perçue

La couleur n’est pas une propriété que l’objet posséderait à lui seul. Elle résulte de la combinaison de trois éléments : le spectre de la source qui éclaire l’objet, le spectre d’absorption et de diffusion de l’objet, et la réponse des trois types de cônes de la rétine. Changer l’un des trois change la couleur perçue. C’est pourquoi un vêtement acheté sous l’éclairage d’un magasin peut paraître d’une autre teinte à la lumière du jour : l’objet n’a pas changé, la source si.

Le métamérisme

L’œil ne mesure pas un spectre, il en extrait seulement trois nombres, un par type de cône. Deux lumières de spectres physiquement différents peuvent donc produire exactement le même triplet de réponses et paraître identiques : ce sont des métamères. C’est ce qui rend les écrans possibles : avec seulement trois primaires, on reproduit la sensation produite par des spectres continus très variés. C’est aussi ce qui explique que deux tissus assortis sous une lampe puissent jurer sous une autre.

Erreurs fréquentes

Une couleur n’est pas toujours une longueur d’onde. Les couleurs du spectre, dites spectrales, correspondent bien à une longueur d’onde unique, mais le blanc, le rose, le brun ou le magenta n’existent nulle part dans le spectre : ce sont des mélanges. Autre confusion courante, la couleur d’un objet éclairé ne dépend pas seulement de ce qu’il absorbe : sous une lampe qui n’émet pas de rouge, un objet rouge paraît noir puisqu’il n’a rien à renvoyer.

Ordres de grandeur

Le spectre visible s’étend d’environ 380 nm (violet) à 780 nm (rouge). Les maxima de sensibilité des trois types de cônes se situent vers 420 nm (S, bleu), 534 nm (M, vert) et 564 nm (L, rouge). L’œil adapté à la lumière est le plus sensible vers 555 nm, dans le vert-jaune. Un œil humain distingue de l’ordre du million de nuances. Une image numérique en 8 bits par canal code 256 niveaux par composante, soit environ 16,7 millions de triplets RVB.

Formule

Une lumière monochromatique est caractérisée par sa longueur d’onde, liée à sa fréquence par :

λ = c / ν

où :

• λ : longueur d’onde dans le vide (m)
• c : célérité de la lumière dans le vide, 3,00 × 10⁸ m/s
• ν : fréquence de l’onde (Hz)

Une couleur affichée par un écran est décrite par ses trois composantes, chacune codée entre 0 et 255 :

Couleur = (R, V, B)

où :

• R : composante rouge (sans unité)
• V : composante verte (sans unité)
• B : composante bleue (sans unité)

La luminance relative perçue se calcule à partir des trois composantes normalisées entre 0 et 1 :

Y = 0,2126 R + 0,7152 V + 0,0722 B

où :

• Y : luminance relative, entre 0 (noir) et 1 (blanc)

Les coefficients sont inégaux parce que l’œil est bien plus sensible au vert qu’au bleu.

Exemples d’application

• Un laser vert de pointeur émet à 532 nm, soit une fréquence de 5,6 × 10¹⁴ Hz

• La LED infrarouge d’une télécommande émet vers 940 nm, au-delà du rouge visible : la caméra frontale d’un smartphone la voit, l’œil non

• Le blanc d’un écran de smartphone correspond au triplet (255, 255, 255), obtenu en allumant à fond les trois sous-pixels rouge, vert et bleu

• Sous un éclairage au sodium des anciens lampadaires, qui n’émet que vers 589 nm, une voiture rouge et une voiture verte paraissent toutes deux grises

• Une feuille verte réfléchit surtout entre 500 et 570 nm parce que la chlorophylle absorbe le bleu et le rouge

• Le ciel est bleu parce que la diffusion Rayleigh par les molécules de l’air est d’autant plus forte que la longueur d’onde est courte

FAQ

Q : Les valeurs RVB données par le colorimètre du smartphone sont-elles des mesures absolues ? R : Non. Le capteur de l’appareil photo n’a pas la même réponse spectrale que l’œil, et le logiciel applique une balance des blancs et une correction gamma. Les comparaisons relatives, entre deux objets mesurés dans les mêmes conditions, sont fiables ; les valeurs absolues ne le sont pas et ne sont pas comparables d’un modèle de téléphone à un autre.

Q : Deux objets de couleurs identiques à l’œil ont-ils forcément le même spectre ? R : Non, c’est le métamérisme. Deux spectres différents peuvent stimuler les trois types de cônes de la même façon et paraître identiques. Ils cesseront souvent de se ressembler si on change la source lumineuse.

Q : Pourquoi le magenta n’apparaît-il pas dans l’arc-en-ciel ? R : Le magenta n’est pas une couleur spectrale : il ne correspond à aucune longueur d’onde. C’est le résultat de la stimulation simultanée des cônes sensibles au rouge et au bleu, sans le vert. Il n’existe donc que comme mélange.

Q : Un daltonien voit-il en noir et blanc ? R : Presque jamais. Le daltonisme le plus fréquent est une anomalie d’un des trois types de cônes, le plus souvent celui du rouge ou du vert, qui rend certaines paires de couleurs difficiles à distinguer. L’absence totale de vision des couleurs, l’achromatopsie, est très rare.

Q : Pourquoi la même peinture ne rend-elle pas pareil en magasin et à la maison ? R : Parce que la couleur dépend du spectre de la source. Les tubes fluorescents des magasins, les LED domestiques et la lumière du jour ont des spectres très différents, ce qui modifie la lumière renvoyée par la peinture et donc la couleur perçue.

Concepts liés

Spectre lumineux - Longueur d’onde - Synthèse additive - Synthèse soustractive - Colorimètre - Absorption - Luminance - Éclairement - Métamérisme