Rudiments de colorimétrie/Synthèse additive et soustractive des couleurs

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Deux types de synthèse

Dans la synthèse des couleurs, et selon le contexte, deux approches sont possibles.

• Soit on considère que l’on n’a rien au départ et on va construire une couleur en apportant à un rayon lumineux les différentes longueurs d’ondes qui le constituent. La synthèse est alors dite additive. C'est le cas des systèmes d'affichages : téléviseurs, écrans d'ordinateurs, vidéo projecteurs, etc.

Synthèse additive

• Soit on considère que l’on part d’un rayon contenant toutes les longueurs d’ondes du domaine visible (lumière blanche) et on va le transformer en enlevant ou en réduisant l'importances de certaines longueurs d’onde et obtenir ainsi certaine couleur. La synthèse est alors dite soustractive. C'est le cas de la plupart des techniques d'imprimerie, de la peinture, etc.

Par définition, une couleur sera dite complémentaire d’une autre couleur si la synthèse additive de ces deux couleurs donne du blanc.

• Le jaune est complémentaire du bleu.
• Le pourpre ou magenta est complémentaire du vert.
• Le cyan est complémentaire du rouge.

Par exemple, si on constitue un rayon lumineux par synthèse additive, en ajoutant du rouge et du vert, le cerveau, comme on l’a vu précédemment, percevra du jaune. Par contre si l’on part d’une lumière blanche et que l’on enlève par synthèse soustractive les fréquences allants du rouge au vert, il nous restera une couleur tirant sur le bleu.

La synthèse additive est techniquement plus simple à manipuler car on se contente généralement de constituer un rayonnement lumineux en apportant un nombre minimal de longueurs d’ondes bien précises obtenues par luminescence par exemple (écran de télévision par exemple).

Synthèse soustractive

La synthèse soustractive est techniquement plus complexe. Si l’on part d’une lumière contenant toutes les radiations, on doit alors enlever des bandes de fréquence. Ce qui ne peut se faire que très approximativement en utilisant des filtres par exemple. Pourtant la synthèse soustractive nous paraît plus naturelle car c’est elle qui est utilisé en peinture. En effet, dans un tableau, la couleur est obtenue par des peintures qui ont la propriété d’absorber certaines radiations de la lumière (en général blanche) qui éclaire le tableau et de diffuser les radiations restantes. Lorsque l’on mélange deux peintures, les radiations soustraites à la lumière blanche sont les radiations soustraites par les deux peintures séparément.

Pour simplifier la compréhension de la synthèse soustractive et en vertu des lois de Grassmann, nous considérerons que la lumière blanche, d’où nous soustrayons des longueurs d’onde, n’est en fait constituée que des trois fréquences correspondant aux couleurs primaires bleu, vert et rouge (théorie trichrome) et qui nous donne une sensation de blanc (car excitant simultanément nos trois types de cônes de la rétine). Nous voyons alors que :

• un mélange de peintures cyan et jaune donne du vert car le cyan soustrait le rouge et le jaune soustrait le bleu ; il reste donc du vert ;
• un mélange de peintures pourpre (ou magenta) et jaune donne du rouge car le pourpre soustrait le vert et le jaune soustrait le bleu ; Il reste donc du rouge ;
• un mélange de peintures cyan et pourpre donne du bleu car le cyan soustrait le rouge et le pourpre soustrait le vert ; il reste donc du bleu ;
• un mélange de peintures cyan, jaune et pourpre donne du noir car le cyan soustrait le rouge, le jaune soustrait le cyan et le pourpre soustrait le vert ; il ne reste théoriquement plus rien.

Ce qui vient d’être dit ne correspond qu’approximativement à la réalité car le spectre de la lumière blanche est continu et les peintures ne soustraient pas de façon uniforme les raies du spectre et par conséquent, par exemple, le mélange de cyan, jaune, et pourpre ne soustraira pas la totalité du spectre et le résultat ne sera pas vraiment noir mais donnera volontiers un marron très foncé. C'est la raison pour laquelle de nombreux systèmes d'imprimerie, en plus des trois couleurs primaires, utilisent de l'encre noire.

Exemples de reproduction des couleurs par synthèse additive :

• les trois pixels (rouge, vert et bleu) d'un écran sont suffisamment proches pour être perçus comme un point ; le mélange de rouge et de vert donnera une sensation, selon les proportions, orangée jaune ou jaune-verte ;
• la technique de peinture nommée pointillisme, issu du mouvement impressionniste, utilise le même principe ;
• un écran blanc éclairé par plusieurs projecteurs équipé de filtres colorés ;
• etc.

Exemples de reproduction des couleurs par synthèse soustractive :

• les mélanges de peintures permettent de d'obtenir un couleur souhaitée par soustraction ; le jaune absorbe le bleu, le magenta absorbe le vert, le mélange des deux est perçu rouge ;
• l'impression couleur utilisant trois cartouches d'encre cyan, magenta et jaune ;
• les filtres colorés pour les projecteurs ou les appareils photographiques absorbent certaines couleurs de façon privilégiée ;
• etc.

La lumière blanche

Théoriquement, on dit qu’une lumière est d'un blanc équi-énergétique si elle contient toutes les fréquences du spectre visible en égale proportion. En fait, un objet nous paraît blanc même si ce n’est pas le cas. Cela est dû au fait que le cerveau fait automatiquement une correction et nous donne une impression de blanc pour un objet réfléchissant toutes les fréquences même si dans la lumière incidente, il n’y a pas toutes les radiations en égale proportion. C’est le cas si nous éclairons un objet blanc avec une lampe à incandescence dont la lumière tire sur le jaune. Pour différencier les différents blancs, on définit une température de couleur. C’est la température qu’aurait un corps noir (source incandescente idéale) qui émettrait le même spectre que la lumière considérée.

Le fait que la lumière éclairante ne soit pas la même peut provoquer certains phénomènes colorimétriques. Par exemple, certains objets ayant la même couleur sous un certain éclairage, peuvent avoir des couleurs différentes sous d’autre éclairage. Ce phénomène est appelé métamérisme.

CIE illuminant FL4 et A

La lumière servant à éclairer un objet est appelée, par définition, illuminant. La C.I.E (Commission internationale de l’éclairage) a défini plusieurs illuminants de référence :

• ceux faisant référence au corps noir définis par la température de couleur :
  • l’illuminant A : Il correspond à l’éclairage artificiel par une ampoule à filament de tungstène dont la température est 2 854 kelvins ;
  • l’illuminant C : c’est l’illuminant A auquel on associe un filtre de façon à obtenir une température de couleur de 6 774 kelvins ;
  • les illuminants D : ils correspondent à la lumière naturelles à différent moments de la journée ; l’illuminant D55, par exemple, correspond à une température de couleur de 5 500 kelvins ; l’illuminant D65 correspond à une température de couleur de 6 500 kelvins et sert au réglage du blanc dans les téléviseurs couleurs ; l’illuminant D75 correspond à une température de couleur de 7 500 kelvins ;
• ceux correspondants à des tubes fluorescents, entre autres FL2, FL7, FL11.