Modèles de couleur Nicolas Holzschuch i MAGIS-GRAVIR IMAG i

Modèles de couleur Nicolas Holzschuch i. MAGIS-GRAVIR/IMAG i. MAGIS is a joint project of CNRS - INPG - INRIA - UJF i. MAGIS-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 • RGB, CMYK, HSV, YCb. Cr… i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Définitions du peintre • Définitions basées sur le mélange des peintures • Vocabulaire habituel de la couleur Saturation Blanc Luminosité Gris Teintes Couleur pure Tons Ombres Noir i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Définition physique • Une couleur = un spectre i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Exemple simplifié Saturation Energie P(l) Longueur d’onde dominante e 2 Luminance= aire sous la courbe e 1 l 400 nm Violet Teinte 760 nm Rouge i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Perception de la couleur • La rétine : – Cônes – Bâtonnets • Bâtonnets : – Perception achromatique – Lumière atténuée • Cônes : – Perception chromatique (3 types) – Concentrés au centre de la rétine i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

3 sortes de cônes i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

3 sortes de cônes : conséquence Spectres différents, couleurs perçues comme identiques : métamères i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Un léger défaut i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

CIE XYZ i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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

Chromaticité • On introduit (x, y) : • Parfois, on donne (x, y, Y) au lieu de (X, Y, Z) – Plus facile à mesurer – Conversion : i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Diagramme de chromaticité y Couleurs pures 500 nm Couleurs combinées 720 nm 380 nm x i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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Diagramme de chromaticité i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Diagramme de chromaticité i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Diagramme de chromaticité Couleurs affichables par le moniteur i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Diagramme de chromaticité i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Différences juste perceptibles dans l’espace xy i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Espaces perceptuellement uniformes • CIE, 1976 • L*a*b* et L*u*v* • An : coordonnée d’un blanc de référence i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Fonctions de base • Basées sur l’outil d’affichage : – RGB, CMYK, YCb. Cr • Basées sur l’interface homme-machine – HSV • Conversion entre eux ? • Conversion vers un espace indépendant (par exemple XYZ) ? i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Rouge-Vert-Bleu • Le plus connu des systèmes – utilisé (en interne) dans tous les moniteurs – additif i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Cyan-Magenta-Jaune • Utilisé dans les imprimantes couleurs • Soustractif i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 • … i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

CMYK • K pour blac. K • 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… i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Le cube RVB/CMJ i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Fonctions de base “type Y” • YIQ, YUV, Ycb. Cr… • 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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Fonctions de base YCb. Cr • Y doit être égal à la luminance: Y=Luma. Red*R+Luma. Green*G+Luma. Blue*B • Cb est la chromaticité bleue : Cb = (B-Y)/(2 -2*Luma. Blue) • Cr est la chromaticité rouge : Cr = (R-Y)/(2 -2*Luma. Red) • Luma. Red, Luma. Green, Luma. Blue mesurées, correspondent aux phosphores du téléviseur i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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) : i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Intérêts de YCb. Cr • 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 YCb. Cr avant la compression – Grosse bande passante pour Y – Plus petite bande passante pour la chromaticité – L*a*b* est efficace pour ça aussi i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Teinte-Saturation-Luminance • Hue-Saturation-Value (ou Luminance) : – HSV, HSL • Pratique pour l’interface homme-machine: i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 • sinon si 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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Le cone HSV i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Espaces de couleur i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 : i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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) i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

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… i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Affichage des couleurs • Capacité d’affichage de l’outil – Mesurée en bits : • 1 bit=2 niveaux, 8 bits=256 niveaux – bits par fonction de base : • 24 bits=256 niveaux pour chacun de R, V, B • Dépends de l’outil : TV : 30 dpi, 8 bits de couleur Moniteur : 70 -100 dpi, 24 bits de couleur Imprimante : 300 -2400 dpi, 3 bits de couleur (8 couleurs) Photo: 800 dpi, 36 bits de couleur i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Augmenter le nombre de couleurs • La quantité de couleurs affichables est insuffisante – Surtout avec 8 bits, ou une imprimante • Afficher des images qui contiennent plus de couleurs ? – Dépasser la capacité théorique de l’outil • Idée de base : – Sacrifier la résolution spatiale au profit des couleurs i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Halftoning • Imprimantes de qualité : • Impriment des disques dont la taille varie inversement avec I • Résolution de halftone – Différente de la résolution spatiale – 60 -80 dpi pour un journal, 120 -200 pour un livre i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Dithering • Autre méthode pour traiter plus de couleurs • Un bloc de pixels pour représenter les couleurs – n*n pixels pour n*n+1 niveaux de couleur i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Dithering (2) • Exemple pour 2 x 2: • Notation matricielle : 0 1 2 3 4 i. MAGIS-GRAVIR / IMAG

Notation matricielle • Pour le niveau i, on affiche les pixels avec v