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Modèles de couleur

Modèles de couleur. Nicolas Holzschuch iMAGIS-GRAVIR/IMAG. Modèles de couleur. Qu’est-ce qu’une couleur ? Définitions Artistiques Teinte, saturation, luminance Physiques/biologiques Spectre, stimulus Fonctions de base universelles Espaces perceptuellement uniformes Informatiques

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Presentation Transcript

  1. Modèles de couleur Nicolas Holzschuch iMAGIS-GRAVIR/IMAG

  2. Modèles de couleur • Qu’est-ce qu’une couleur ? Définitions • Artistiques • Teinte, saturation, luminance • Physiques/biologiques • Spectre, stimulus • Fonctions de base universelles • Espaces perceptuellement uniformes • Informatiques • RGB, CMYK, HSV, YCbCr…

  3. Définitions du peintre • Définitions basées sur le mélange des peintures • Vocabulaire habituel de la couleur Saturation Teintes Blanc Couleur pure Tons Luminosité Gris Ombres Noir

  4. Définition physique • Une couleur = un spectre

  5. Définition spectrale • Échantillonnage de la couleur entre 380 nm (violet) et 720 nm (rouge) • Longueurs d’onde visibles • En dessous de 380 nm : ultra-violet • Au dessus de 720 nm : infra-rouge

  6. Teinte, saturation… (2) • Définition physique liée au spectre : • Teinte = longueur d’onde dominante • Saturation = pureté de l’excitation • Luminance = quantité de lumière • Couleur pure = une seule longueur d’onde

  7. Exemple simplifié Energie P(l) Luminance= aire sous la courbe Longueur d’onde dominante e2 Saturation e1 l 400 nm Violet Teinte 760 nm Rouge

  8. Perception de la couleur • La rétine : • Cônes • Bâtonnets • Bâtonnets : • Perception achromatique • Lumière atténuée • Cônes : • Perception chromatique (3 types) • Concentrés au centre de la rétine

  9. 3 sortes de cônes

  10. 3 sortes de cônes : conséquence Spectres différents, couleurs perçues comme identiques : métamères

  11. Représentation des couleurs • La représentation spectrale est trop riche • Par rapport à la vision • En coût mémoire • La vision humaine n’a que trois fonctions de base • Il doit exister une représentation compacte • Pourquoi pas les couleurs primaires ? • Rouge, vert, bleu

  12. Un léger défaut

  13. Une nouvelle fonction de base • Les couleurs primaires ont un défaut : • L’ensemble des couleurs visibles ne peut pas être représenté avec des coordonnées positives • Besoin de nouvelles fonctions de base • Couvrant tout le visible • Avec des coordonnées positives • Linéaires par rapport à RVB • Commission Internationale de l’Éclairage • www.cie.co.at • 1931

  14. CIE XYZ

  15. CIE XYZ • Y = luminance (perçue par la vision humaine) • X,Y, Z : représentation de la couleur • Conversion vers RVB : linéaire • Matrice 3x3 de conversion • Chromaticité : • XYZ représente toutes les couleurs • Besoin de pouvoir séparer la luminance de la chromaticité • « le même rouge, mais en plus sombre »

  16. Chromaticité • On introduit (x,y) : • Parfois, on donne (x,y,Y) au lieu de (X,Y,Z) • Plus facile à mesurer • Conversion :

  17. Diagramme de chromaticité y Couleurs pures 500 nm Couleurs combinées 720 nm x 380 nm

  18. Diagramme de chromaticité

  19. Diagramme de chromaticité

  20. Diagramme de chromaticité Couleurs affichables par le moniteur

  21. Diagramme de chromaticité

  22. Perception des couleurs • Distance entre deux couleurs : • Dans l’espace de base : facile • Pour la vision humaine : utile • Idéalement, il y a un lien entre les deux • Espace des couleurs perceptuellement uniforme • Lien constant, indépendant de la couleur • Différences juste perceptibles : • Plus petite distance entre deux couleurs perçues comme différentes

  23. Différences juste perceptibles dans l’espace xy

  24. Espaces perceptuellement uniformes • CIE, 1976 • L*a*b* et L*u*v* • An : coordonnée d’un blanc de référence

  25. L*a*b* et L*u*v* • Perceptuellement uniformes tous les deux • Par construction • L* : luminance, perceptuellement uniforme • L*a*b* : • Orthonormal • L*u*v* : • Conversion facile avec XYZ et donc RGB • Simple projection

  26. Représentation informatique • Comment on définit une couleur ? • Ensemble de coordonnées dans un espace de couleurs • Plusieurs fonctions de base possibles • Fidélité des couleurs • Relation avec l’interface • Bleu pour le froid, rouge pour le chaud

  27. Fonctions de base • Basées sur l’outil d’affichage : • RGB, CMYK, YCbCr • Basées sur l’interface homme-machine • HSV • Conversion entre eux ? • Conversion vers un espace indépendant (par exemple XYZ) ?

  28. Rouge-Vert-Bleu • Le plus connu des systèmes • utilisé (en interne) dans tous les moniteurs • additif

  29. Cyan-Magenta-Jaune • Utilisé dans les imprimantes couleurs • Soustractif

  30. Conversion CMJ-RVB • En théorie : • C=1-R • M=1-V • J=1-B • En pratique : • Conversion non-linéaire • Contraintes physiques • Ordre des couches d’encre, mélange… • Réaction du papier • …

  31. CMYK • K pour blacK • Économie : • L’encre noire est moins chère que les encres de couleur • Plusieurs possibilités : • Par exemple : • K = min(C,M,Y) • C = C-K • M = M-K • Y = Y-K • Suppose que le noir se mélange parfaitement à toutes les autres couleurs • En pratique, conversion non-linéaire, basée sur l’expérience, l’ordre des couches…

  32. Le cube RVB/CMJ

  33. Fonctions de base “type Y” • YIQ, YUV, YcbCr… • Utilisées pour la télévision couleur (et donc la vidéo) • Y la luminance • Cb et Cr la chromaticité • En N & B, on n’affiche que Y • En couleur, on convertit vers RVB • YUV=PAL, YIQ=NTSC

  34. Fonctions de base YCbCr • Y doit être égal à la luminance: Y=LumaRed*R+LumaGreen*G+LumaBlue*B • Cb est la chromaticité bleue : Cb = (B-Y)/(2-2*LumaBlue) • Cr est la chromaticité rouge : Cr = (R-Y)/(2-2*LumaRed) • LumaRed, LumaGreen, LumaBlue mesurées, correspondent aux phosphores du téléviseur

  35. Valeurs de luminance • Les valeurs dépendent du standard télé choisi : • CCIR 601: Lr=0.299, Lg=0.587, Lb=0.114 • CCIR 709: Lr=0.2125, Lg=0.7154, Lb=0.0721 • Espace YIQ (NTSC) :

  36. Intérêts de YCbCr • Parfois, on est obligé de l’utiliser • Travail avec entrées/sorties vidéo • Efficace pour la compression d’images : • Meilleur taux de compression si on convertit en YCbCr avant la compression • Grosse bande passante pour Y • Plus petite bande passante pour la chromaticité • L*a*b* est efficace pour ça aussi

  37. Teinte-Saturation-Luminance • Hue-Saturation-Value (ou Luminance) : • HSV, HSL • Pratique pour l’interface homme-machine:

  38. Teinte-Saturation-Luminance • max=max(R,G,B) • min=min(R,G,B) • V=max • S=(max-min)/max • delta=max-min • si max=R alors H=(G-B)/delta • sinonsi max=G alors H=2+(B-R)/delta • sinon si max=B alors H=4+(R-G)/delta • H = H*60 • si H<0 alors H=H+360

  39. TSL, HSV, HSL • Pratique pour les interpolations • Interpoler entre rouge et vert • Rampe de couleur • Effets de couleur pour la visualisation • Varier la saturation, à teinte constante • Varier la teinte, à saturation constante • Carte d’altitude, par exemple

  40. Le cone HSV

  41. Espaces de couleur

  42. Fidélité des couleurs • Problème : conserver la même couleur quand on change d’outil de visualisation • Solution : passer dans un espace indépendant • Échantillonner les phosphores RVB • Convertir en XYZ :

  43. Fidélité des couleurs (2) • Description du moniteur disponible sur le site du fabricant • On extrait Xr, Xg, Xb… • Pour d’autres sorties (imprimantes, par ex.) : • Tables de conversion multi-dimensionnelles • « Profil » de chaque outil, disponible (www.icc.org) • Chaîne de conversion d’un outil à un autre • RVB outil 1 vers XYZ • XYZ vers Lab • Lab vers CMYK outil 2

  44. En pratique… • Ça se dégrade avec l’âge : • Les phosphores, le canon à électrons s’usent • Plus efficace de mesurer directement le profil du moniteur, de l’imprimante • Mais plus cher (caméra spéciale, logiciel) • Ou mesurer directement la chaîne de conversion • Scanner-moniteur-imprimante

  45. Gamma-Correction • La perception humaine est logarithmique • L’une des causes du Mach-banding (cf. cours suivant) • Intensité perçue, L* • Définie comme une racine cubique de l’intensité émise, Y • En fait, à cause de l’offset et de l’échelle, presque un Y puissance 0.4

  46. Gamma correction (2) • Le canon à électron du moniteur n’est pas linéaire non plus • Luminance produite liée au voltage appliqué, à la puissance 2.5 • Théoriquement, les deux s’annulent • (Pure coïncidence) • Mais en fait… • Les caméras vidéo font la conversion inverse • Plus pratique de stocker un RVB non linéaire (sur 8 bits)

  47. Gamma correction • Correction effectuée par la carte, avant le moniteur • Pour compenser le comportement du canon à électrons • Paramétrable • Une cause de bugs intéressante • Surtout si mal paramétré (valeurs <1 ou > 4) • Unix ≈ 1.45, Mac ≈ 1.8, NTSC & PC ≈ 2.2, PAL ≈ 2.9…

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