Système ordonné de couleurs

Les ouvrages scientifiques définissent soigneusement les termes qu'ils emploient. La différence de méthode entre l'approche psychologique et l'approche colorimétrique de la théorie des couleurs fait que les termes de description des couleurs qui visent à peu près la même caractéristique d'une couleur ne peuvent avoir la même définition. Des congrès et commissions ont décidé, dans le but de clarifier les discussions, d'utiliser des termes différents[2].

Les termes de l'usage courant et du jargon des arts graphiques recoupent souvent plusieurs classifications des approches scientifiques, avec beaucoup moins de précision et plus de souplesse d'usage. Dans les arts graphiques, ton et teinte peuvent désigner, selon l'adjectif qui les précise, n'importe quel des trois caractères de couleur, sur la surface peinte.

Le caractère de teinte ou longueur d'onde dominante se désigne d'ordinaire par le nom d'un champ chromatique, pourvu que la couleur soit assez vive : rouge, orange, jaune, vert, bleu ; La luminosité s'exprime par une quantité de termes opposés : clair ou lumineux et parfois brillant s'opposent à sombre[n 2].

Les disciplines scientifiques ont séparé en caractères distincts des qualités des couleurs regroupées dans les termes de la vie courante.

L'évaluation trichrome des couleurs est spécifique à l'approche colorimétrique. Elle se base sur la production, à l'aide de trois couleurs primaires, de définition spectrale variable, conventionnellement appelées rouge, vert et bleu, d'un rayonnement lumineux métamère, c'est-à-dire perçu exactement comme celui de la couleur qu'on cherche à définir.

Quel que soit l'approche, les 30 000 à 500 000 couleurs que l'être humain peut distinguer[5] s'organisent selon trois critères, ce qui porte à assimiler les systèmes qui organisent ces critères sous forme numérique à un espace de couleur en volume. Dans ces espaces, les coordonnées peuvent être cartésiennes ou polaires, avec une origine arbitraire, telle que toutes les valeurs soient positives, ou au point de représentation d'un stimulus achromatique par rapport à l'illuminant[6].

Les nuanciers ne présentent pas nécessairement des règles de cotation numérique des couleurs ; mais on peut néanmoins les situer les uns par rapport aux autres dans un volume imaginaire.

Dans la pratique ordinaire, l'expression espace de couleurs peut aussi désigner la partie qu'un procédé de synthèse des couleurs peut atteindre dans l'espace général des couleurs visibles, tel que représenté par un système quelconque (synonyme de gamut).

Les systèmes basés sur une évaluation visuelle de l'identité des couleurs sont appelés systèmes ordonnés de couleurs[7]. Beaucoup de ces systèmes reprennent, en les systématisant, les notions élaborées par les artistes, notamment les triangles de couleurs et les cercles chromatiques.

Goethe, s'opposant à la physique de Newton, crée une théorie des couleurs radicalement différent dans son Traité des couleurs ; quoi qu'il ne soit pas numérique et ne puisse être considéré comme scientifiquement valide à l'heure actuelle, il a inspiré d'autres philosophes, scientifiques et artistes, notamment Schopenhauer dans son traité Sur la vue et les couleurs[8].

Eugène Chevreul, à partir du cercle chromatique des artistes et de sa loi du contraste simultané des couleurs, a conçu un nuancier dans lequel les couleurs sont organisées dans une demi-sphère. Ses conceptions de l'harmonie des couleurs, pour laquelle il cherchait des lois, ont influencé des artistes comme Eugène Delacroix, Georges Seurat et Robert Delaunay.

Au milieu du XIX^e siècle, la psychologie expérimentale commence, avec Helmholtz et Fechner, à se séparer du platonisme implicite de la pensée de Newton, pour qui les couleurs sont des idées abstraites préexistant dans l'âme, capable de les reconnaître « à travers la fenêtre des sens ». Pour Helmholtz, Fechner et les courants qu'ils inaugurent, les concepts et les perceptions sont indissociables, et il faut, pour les comprendre, instituer des procédures pour la mesure des perceptions.

Ewald Hering conçoit un espace des couleurs à trois dimensions, dont le premier axe, de clarté, oppose le noir et le blanc, tandis que les deux autres opposent respectivement le bleu et le jaune et le rouge et le vert. Des investigations sur le système visuel au-delà de la conversion des rayonnements lumineux en influx nerveux dans les cônes de la rétine confirmeront ces résultats au siècle suivant.

Wilhelm Ostwald organise les couleurs dans un volume en forme de double cône opposés par la base. L'axe vertical indique la luminosité. Chacune des tranches horizontales est un cercle chromatique de même luminosité, où la position de la couleur est définie en coordonnées polaires, la direction représentant la teinte, et la distance à l'axe central l'intensité de coloration.

Les systèmes colorimétriques se basent sur les expériences de Newton, inaugurant des travaux sur la lumière, comme phénomène physique. Un siècle après Newton, Young et Helmoltz utilisent les bases de la synthèse additive des couleurs pour relier les caractères physiques des rayonnements lumineux aux perceptions colorées.

On postule, par les lois de Grassmann, que les sensations colorées obéissent à des lois linéaires. Maxwell montre que les descriptions des couleurs par le triplet (longueur d'onde dominante, pureté, luminosité) sont équivalentes aux descriptions par les valeurs algébriques de trois lumières quelconques, pourvu qu'elles soient primaires entre elles (c'est-à-dire qu'aucun mélange de deux d'entre elles n'est métamère de la troisième, c'est-à-dire perçu identiquement. Comme, dans le laboratoire, on ne sait qu'ajouter des flux lumineux, on recherche les couleurs primaires qui donnent le moins de valeurs négatives possibles, et ces couleurs sont un rouge, un vert, et un bleu, définis par la facilité de les reproduire exactement.

À partir de ces calculs, et des principes de la psychophysique, on va présenter à des sujets des couleurs, en leur demandant d'en trouver des équivalents, et, à partir de ces expériences, établir, au début du XX^e siècle, des courbes de sensibilité, faisant correspondre la puissance radiométrique du rayonnement lumineux et le coefficient qu'il faut lui faire correspondre pour obtenir une luminosité qui corresponde à la perception, et le coefficient qu'il faut donner à une primaire pour pouvoir trouver une couleur métamère par synthèse additive.

Ces méthodes donnent pour une partie des couleurs des coefficients négatifs pour une ou deux primaires d'expérimentation. On transforme donc, pour plus de commodité, coefficients, de telle façon que toutes les couleurs se retrouvent dans un diagramme de chromaticité dont les coordonnées sont bornées par 0 et 1.

En 1931, la Commission internationale de l'éclairage adopte les tableaux de valeurs qui définissent un observateur de référence, permettant l'établissement d'une correspondance entre les mesures physiques et un espace représentant les couleurs.

Les systèmes électroniques de production d'images colorées, en premier lieu la télévision, puis les écrans d'ordinateurs, sont issues des recherches en colorimétrie. Ils résultent de la nécessité de commander les éléments producteurs de couleur par synthèse additive trichrome.

Un inventaire complet des systèmes de classement de la couleur aboutit à deux catégories supplémentaires :

• Les systèmes trichromes, basés sur des couleurs primaires
  • réalisables expérimentalement
  • ou obtenues par calcul à partir de celles-ci ;
• les systèmes basés sur la distinction entre luminance et chrominance ;
• les systèmes perceptuels, basés sur les couleurs élémentaires de Hering ;
• les systèmes d'axes indépendants, qui résultent de méthodes statistiques fournissant les composantes les moins corrélées statistiquement dans une analyse trichrome d'images ;
• les systèmes hybrides, faisant appel à plusieurs de ces techniques.

Les deux derniers systèmes s'utilisent en segmentation d'image. On cherche alors à séparer un objet visuel du fond, comme dans les systèmes qui, dans un match de foot-ball, séparent les joueurs de chaque équipe du fond et reconnaissent un joueur en hors-jeu[13].

Les systèmes capables de représenter toutes les couleurs visibles à partir de mesures physiques peuvent se convertir par des opérations mathématiques équivalent à des changements d'axes (par des matrices) et des conversions d'échelle, linéaires ou non.

Les systèmes, comme ceux décrivant les couleurs d'un procédé de synthèse, basés sur des grandeurs physiques, mais qui ne couvrent pas l'ensemble des couleurs visibles, peuvent convertir, dans les mêmes conditions, toutes les couleurs d'un système à l'autre dans les limites de la partie commune à leurs deux gamuts. Les profils de couleur transmettent, entre les machines concernées, les paramètres des matrices et formules de conversion. Il faut, en plus, spécifier les règles de conversion. Si une dimension d'un espace de couleurs est plus petite que son homologue dans un autre, on peut soit mettre à l'échelle, soit abandonner la reproduction exacte de la partie de l'espace qui diffère.

Les systèmes basés sur des données initiales différentes, comme les systèmes psychologiques et les systèmes colorimétriques, ne peuvent être convertis qu'approximativement. C'est une entreprise délicate, et l'objectif de systèmes comme L*u*v* CIE 1976 pour les couleurs d'écran et L*a*b* CIE 1976 pour les couleurs de surface.