Synthèse additive RGB
Étudier le mélange des couleurs primaires en utilisant l'écran d'un smartphone comme source et la caméra d'un second comme détecteur.
Pourquoi un écran qui n'émet que du rouge, du vert et du bleu peut-il reproduire toutes les couleurs ? Notre œil possède trois types de cônes sensibles au rouge, au vert et au bleu, et toute couleur perçue est une combinaison de ces trois stimulations. Dans cette expérience, un smartphone sert de source de lumière colorée programmable et un second de détecteur de couleur. Tu vérifieras les règles fondamentales de la synthèse additive : R + G = jaune, R + B = magenta, G + B = cyan, R + G + B = blanc. L'expérience bonus avec des objets colorés sous lumière monochromatique est particulièrement spectaculaire : un objet bleu paraît noir sous lumière rouge pure ! Cette découverte illustre un concept clé en industrie textile et en imprimerie : le métamérisme.
Résumé :
L'élève utilise un premier smartphone comme générateur de lumière colorée (écran affiché en rouge, vert, bleu ou combinaisons) et un second comme détecteur de couleur via la caméra de FizziQ. Il vérifie les règles de la synthèse additive en mesurant les composantes RGB détectées pour chaque couleur affichée. En bonus, il observe comment des objets colorés changent d'apparence sous éclairage monochromatique.
Nível :
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Collège
FizziQ
25 minutes
Objectif pédagogique :
- Identifier les trois couleurs primaires de la synthèse additive (rouge, vert, bleu)
- Vérifier expérimentalement les règles de mélange des couleurs lumineuses
- Mesurer les composantes RGB d'une lumière à l'aide de la caméra du smartphone
- Comprendre pourquoi un objet coloré change d'apparence sous un éclairage monochromatique
- Distinguer synthèse additive et synthèse soustractive
Concepts scientifiques :
- Synthèse additive des couleurs
- Couleurs primaires RGB (rouge, vert, bleu)
- Perception des couleurs par l'œil
- Modèle RGB
- Couleurs complémentaires
- Métamérisme
- Absorption et réflexion sélective
Capteurs :
- Caméra (détecteur de couleur RGB)
Matériel :
- Smartphone ou tablette avec FizziQ
- Un second smartphone (source de lumière colorée)
- Une pièce pouvant être obscurcie
- Objets colorés variés (papiers, tissus, bonbons colorés)
- Optionnel : lampe torche
Protocole expérimental :
Prépare deux smartphones : le premier comme source (générateur de couleur), le second comme détecteur (colorimètre via la caméra).
Sur le smartphone-source, affiche un écran entièrement rouge (R=255, G=0, B=0). Règle la luminosité au maximum.
Sur le smartphone-détecteur, ouvre FizziQ et sélectionne l'instrument Caméra en mode détection de couleur RGB.
Dans une pièce sombre, place la source face au détecteur (à environ 5 cm). Enregistre les valeurs RGB détectées.
Répète avec un écran vert (0, 255, 0) puis bleu (0, 0, 255). Note les valeurs RGB à chaque fois.
Teste les mélanges : jaune (255, 255, 0), cyan (0, 255, 255), magenta (255, 0, 255). Vérifie que le détecteur identifie correctement les combinaisons.
Affiche du blanc (255, 255, 255) : les trois canaux doivent être élevés et équilibrés.
Expérience bonus : dans le noir, éclaire des objets colorés (papiers, bonbons) uniquement avec l'écran rouge. Observe comment les couleurs changent.
Répète avec la lumière verte puis bleue. Photographie les objets sous chaque éclairage.
Crée un tableau récapitulatif : quelle couleur prend chaque objet sous chaque éclairage monochromatique.
Résultats attendus
Le détecteur identifie correctement les couleurs primaires et leurs mélanges. Sous lumière rouge, les objets rouges gardent leur couleur tandis que les bleus et verts paraissent noirs. Les objets blancs prennent la couleur de l'éclairage monochromatique. Les valeurs RGB détectées ne sont pas parfaitement pures (les LED de l'écran ont un spectre élargi) mais les dominantes sont claires. L'éclairage monochromatique révèle que certaines couleurs perçues comme différentes en lumière blanche deviennent indistinguables.
Questions scientifiques :
- Pourquoi le mélange de lumières rouge et verte donne-t-il du jaune alors que le mélange de peintures rouge et verte donne du brun ?
- Comment expliquer qu'un objet bleu paraisse noir sous lumière rouge pure ?
- Pourquoi les valeurs RGB détectées ne sont-elles jamais parfaitement pures (par exemple 255, 0, 0) ?
- Qu'est-ce que le métamérisme et quelles sont ses conséquences pratiques ?
- Comment un écran peut-il reproduire des millions de couleurs avec seulement trois sous-pixels ?
Analyse scientifique
La synthèse additive crée les couleurs par superposition de lumières, contrairement à la synthèse soustractive utilisée en peinture. Chaque pixel d'écran combine trois sous-pixels R, G, B d'intensité réglable de 0 à 255, soit 16,7 millions de couleurs possibles.
Les règles fondamentales sont : R + G = jaune, R + B = magenta, G + B = cyan, R + G + B = blanc. Elles découlent de la physiologie de l'œil humain : le jaune stimule à la fois les cônes sensibles au rouge et au vert.
Un objet rouge ne crée pas de lumière : il réfléchit les longueurs d'onde rouges et absorbe le reste. Sous lumière bleue pure, il n'a rien à refléter et paraît noir. C'est pourquoi les vêtements changent de couleur entre lumière naturelle et éclairage artificiel.
Le métamérisme désigne le phénomène par lequel deux couleurs identiques sous un éclairage donné deviennent différentes sous un autre éclairage. Ce concept est crucial en industrie textile et en imprimerie.
La caméra du smartphone détecte les couleurs grâce à un filtre de Bayer : un réseau de micro-filtres R, G et B placés devant chaque pixel du capteur. Chaque pixel ne voit qu'une seule couleur, et le processeur interpole les valeurs manquantes pour reconstituer l'image complète.
Variantes possibles
- Comparer synthèse additive (écrans) et soustractive (peintures) sur les mêmes combinaisons de couleurs
- Construire un disque de Newton et le faire tourner pour observer le mélange par persistance rétinienne
- Explorer les daltonismes en réduisant un canal sur le générateur de couleur
- Analyser les couleurs d'un arc-en-ciel ou d'un CD avec le détecteur
- Étudier les ombres colorées avec deux smartphones-sources de couleurs différentes
- Mesurer la couleur de différents éclairages (LED, incandescent, fluorescent) et comparer leurs températures de couleur
FAQ
Q: L'écran n'émet pas un rouge parfaitement pur.
R: C'est normal : les LED d'écran ont un spectre élargi. Les valeurs détectées seront proches de (220, 15, 5) plutôt que (255, 0, 0). L'important est la dominante claire sur un canal.
Q: Comment le smartphone détecte-t-il les couleurs ?
R: La caméra utilise un filtre de Bayer : un réseau de micro-filtres R, G, B devant chaque pixel. Chaque pixel ne voit qu'une couleur, et le processeur interpole les valeurs manquantes.
Q: Pourquoi les couleurs des objets changent-elles sous différents éclairages ?
R: Un objet ne peut refléter que les longueurs d'onde présentes dans la lumière incidente. Sous lumière bleue pure, un objet rouge n'a rien à refléter et paraît sombre.
Q: Comment afficher une couleur précise sur le smartphone-source ?
R: Utilise un site web ou une application de type 'color picker' qui permet de choisir les valeurs RGB exactes. Règle la luminosité de l'écran au maximum pour une meilleure détection.