Pédagogie · Cours

Colorspaces.

Du fonctionnement de l'œil aux espaces colorimétriques : gamuts, plage dynamique, impression, profondeur de bits et canaux. Comment une couleur est captée, encodée et reproduite.

La vision

La lumière qui arrive à l'œil n'a pas de couleur : c'est un mélange de longueurs d'onde, que chaque surface déséquilibre en en absorbant certaines. Nos cônes mesurent ce déséquilibre, et le cerveau en fabrique une couleur. La couleur n'est donc pas une propriété du monde physique, mais une sensation ; un espace colorimétrique n'est qu'un système de traduction, de la lumière vers des nombres, puis des nombres vers la lumière, pour recréer la même sensation.

Glisser pour tourner
pupille 0.0 mm≈ f/0.0objectif f/0.0
Lumièresombreplein soleil

L'iris, diaphragme biologique

L'iris se ferme dans le clair et s'ouvre dans le sombre : la pupille passe d'environ 2 à 8 mm, soit seize fois plus de lumière, quatre diaphragmes. Avec une focale d'environ 17 mm, l'œil ouvre donc à peu près de f/2 à f/8 ; l'objectif ci-contre suit la même ouverture avec ses lamelles. Mais l'iris n'assure qu'une petite part de notre adaptation : l'essentiel se fait dans la rétine, qui règle sa sensibilité en quelques secondes ou quelques minutes. C'est pour ça que le monde nous semble presque toujours « bien exposé », alors qu'un capteur garde la même plage d'une prise à l'autre.

Gamut 3D

À partir d'expériences d'égalisation des couleurs menées dans les années 1920 par Wright et Guild, la CIE a construit en 1931 un espace mathématique, XYZ, où chaque sensation de couleur occupe un point. En mettant la luminosité de côté, on obtient le fameux diagramme en fer à cheval : la carte de toutes les chromaticités que l'œil humain peut percevoir. Les espaces RGB s'y dessinent en triangles, et en volumes dès qu'on ajoute la clarté.

Glisser pour tourner

Diagramme xy CIE 1931

Lire les volumes

Chaque espace RGB est un volume : toutes les couleurs qu'il peut coder, du noir au blanc. Ici, chaque volume est placé dans CIELAB, un espace construit d'après la perception : L* (vertical) est la clarté, a* et b* (horizontaux) la teinte et la saturation. Plus un volume s'étale loin de l'axe central, plus l'espace code des couleurs saturées. Le volume a la forme d'un cube déformé : ses huit sommets sont le noir, le blanc, les trois primaires et leurs trois mélanges deux à deux. Les couleurs que votre écran ne sait pas afficher sont montrées au plus proche possible.

Les pourcentages sont la part du diagramme de chromaticité CIE 1931 couverte par le triangle des primaires, et la part du gamut de Pointer, c'est-à-dire des couleurs d'objets réels mesurées en 1980. ACEScg déborde à peine du visible ; ACES2065-1 l'englobe en entier, grâce à des primaires imaginaires : une partie de son triangle correspond à des couleurs qui n'existent pas. C'est voulu, pour un espace d'archivage qui ne doit perdre aucune couleur.

Relatif ou absolu : RGB seul est un modèle relatif, « 100 % rouge » ne veut rien dire tant qu'on n'a pas dit quel rouge. sRGB, P3 et Rec.2020 utilisent le même modèle RGB ; seule change la position de leurs primaires, fixée en coordonnées absolues dans l'espace CIE. Caméras et écrans n'ont presque jamais le même espace natif, et ce n'est pas un problème : tant que les primaires sont connues, on convertit sans ambiguïté, du RGB source vers XYZ puis vers le RGB de destination. C'est le rôle des transformations d'espace, et la raison d'être d'ACES.

Plage dynamique

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écrêté à l'écran · 0 %perdu à la prise

Plage dynamique : la lumière cramée

Dans cette pièce, le ciel vu par la fenêtre est près de trois cents fois plus lumineux que le visage de Sophia, à contre-jour : environ huit diaphragmes d'écart, plus de neuf avec les coins les plus sombres du plafond ; les façades au soleil sont six diaphragmes au-dessus du visage. Un capteur ne peut pas tout garder à la fois. Si l'on expose pour le visage, la fenêtre dépasse le blanc : elle est écrêtée, « cramée ». Si l'on expose pour la fenêtre, le visage tombe dans le noir.

En 8 bits (JPEG), tout ce qui dépasse le blanc à la prise de vue est perdu : baisser l'exposition à l'étalonnage ne ramène qu'un aplat gris, sans détail (zébras rouges). En RAW ou en float, les valeurs au-delà du blanc sont conservées : la même correction fait réapparaître le ciel et le jardin. Un vrai RAW a lui aussi une limite, la saturation du capteur, mais il garde nettement plus de marge qu'un JPEG ; un rendu 3D enregistré en EXR float, comme ici, n'en a presque pas.

RGB et CMJN

Synthèse additive : la lumière (écran)
Synthèse soustractive : les encres (impression)
Sommets des gamuts, plan a*b* (CIELAB D50) · sRGB · Offset, papier couché (ISO 12647-2)

Écran et impression : RGB et CMJN

Un écran fabrique la couleur avec de la lumière : trois sources, rouge, verte et bleue, qui s'additionnent. Le noir, c'est l'écran éteint ; le rouge et le vert ensemble donnent du jaune, les trois ensemble du blanc. C'est la synthèse additive.

L'impression part du blanc du papier et retire de la lumière : chaque encre absorbe une partie du spectre. Le cyan absorbe le rouge, le magenta le vert, le jaune le bleu ; deux encres superposées donnent une primaire de l'écran (magenta et jaune : du rouge). C'est la synthèse soustractive. En théorie, les trois ensemble donnent du noir ; en pratique, un gris-brun sombre, moins dense qu'un vrai noir (comparez avec le disque du K). On ajoute donc une encre noire, le K, plus dense et plus économique, et on limite l'encrage total : 330 % au plus pour l'offset sur papier couché (Fogra39).

Les deux gamuts ne se recouvrent pas. sRGB va beaucoup plus loin dans les bleus, les violets, les rouges et les magentas ; l'offset le dépasse dans les cyans, dans les verts qui tirent vers le cyan et, de peu, dans les jaunes. Le schéma compare les sommets des deux gamuts, les couleurs pures et leurs mélanges deux à deux, d'après les valeurs cibles de la norme ISO 12647-2 pour l'offset sur papier couché. Entre les sommets, la vraie limite est courbe : seul un profil d'impression, comme Fogra39, la décrit en entier. C'est pour ça que les chartes de marque donnent une couleur RGB et une couleur CMJN distinctes, chacune calée sur son support.

Bits et canaux

8 bits256 niveaux par canal · 16 777 216 couleurs

La finesse des nuances

Une image enregistre chaque canal avec un nombre fixe de niveaux : 256 en 8 bits, 65 536 en 16 bits ; en float (16 bits « half » ou 32 bits), on stocke des nombres à virgule, sans paliers visibles et sans plafond à 1. Tant qu'on ne touche à rien, 256 niveaux suffisent à l'œil. Mais dès qu'on pousse l'étalonnage, par exemple en rehaussant les ombres d'un ciel de crépuscule, les écarts entre deux niveaux s'agrandissent et deviennent des bandes, surtout dans les tons sombres et les dégradés lisses : c'est le banding. Une image en 16 bits ou en float garde assez de nuances pour être étirée sans casser.

Glossaire

RAW
Désignation générique d'un fichier d'image numérique issu d'un appareil photo ou d'un scanner. Contient les données brutes du capteur et les paramètres de transformation, sans transformation irréversible - comme une pellicule non développée, on peut retravailler sans dommage. Plus volumineux qu'un JPEG. Extensions : .cr2 (Canon), .nef (Nikon), .arw (Sony), .dng.
JPEG (.jpg)
Format compressé 8 bits, destructif. Standard du web et de la photo grand public. Une fois écrêté ou écrasé, l'information est perdue : pas de récupération possible.
TIFF (.tiff)
Format conteneur 8/16/32 bits, sans compression destructive. Standard du print et de la post-production fixe.
PNG (.png)
Format compressé sans perte, 8 ou 16 bits, gère la transparence (canal alpha). Standard du web pour les images à fond transparent.
OpenEXR (.exr)
Format créé par ILM (Industrial Light & Magic) en 2003 pour stocker des images de haute qualité. Canaux codés sur 16 ou 32 bits flottants (ou 32 bits entiers), avec transparence. Le float permet de coder des intensités au-delà de 1 (HDR) - format de référence des effets visuels.
Cineon (.cin) / DPX
Premier système conçu par Kodak pour la production intermédiaire numérique de film. Données stockées au format logarithmique (10 bits log), conçu pour les films numérisés. Ancêtre du DPX, encore utilisé en post-production cinéma.
PSD (.psd)
Format natif Photoshop. Conserve les calques, masques, effets. 8, 16 ou 32 bits/canal.
TGA (.tga)
Format Truevision Targa, conserve la transparence : 16, 24 ou 32 bits par pixel (en 32 bits, 8 bits par canal plus l'alpha). Utilisé en jeu vidéo et en VFX.

Sources : sensibilités des cônes de Stockman et Sharpe (2000), CVRL ; table de chromaticité CIE 1931 ; données du gamut de Pointer : colour-science (licence BSD-3-Clause), d'après M. R. Pointer (1980) ; valeurs cibles offset ISO 12647-2 (papier couché). Personnage 3D : « Sophia Animated 003 » de Renderpeople, licence CC BY 4.0. Photos : Xavier Reyé.

Dix questions sur l'œil, les gamuts, la plage dynamique, l'impression et les bits.