Ce que nous appelons couleur est en réalité le résultat de l'action conjuguée de plusieurs paramètres comme l'illustre la figure 1 :

• la source lumineuse utilisée;
• la géométrie d'observation (angles d'éclairement et d'observation) ;
• la scène et ses caractéristiques physiques;
• l'oeil de l'observateur, avec les qualités et les défauts propres à chaque individu;
• le cerveau de l'observateur, dont la capacité de discernement des couleurs évolue en fonction de l'âge et de l'expérience acquise.

Nous allons ici faire quelques rappels quant aux relations lumière-matière et donner quelques éléments de compréhension du système visuel humain.

Les objets et la lumière

La lumière est une onde électromagnétique, se propageant dans l'espace et le temps. Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par leur longueur d'onde, λ, trajet parcouru par l'onde pendant une période, et leur fréquence, ν. Ceux-ci sont liés par la formule λ=c/ν , où c est la célérité de l'onde électromagnétique, soit environ 300 000 km.s-1, que l'on appelle aussi vitesse de la lumière dans le vide. L'ensemble des ondes électromagnétiques comprend les rayons gamma, X, ultraviolets, infrarouges, les ondes radios, etc, ainsi que le montre la figure 2.


Les travaux de Max Planck et Albert Einstein sur la "lumière quantique" ont montré que l'énergie de la lumière est aussi en quelque sorte "granuleuse", ce "grain d'énergie" est appelé un photon. Chaque photon d'un rayonnement (lumière, rayons X ...) porte une quantité d'énergie caractéristique de sa fréquence. Le photon est une particule élémentaire de la famille des bosons, et explique les échanges d'énergie entre la lumière et la matière. Ces échanges avec la matière expliquent en effet comment on peut voir certains objets. Il existe deux types d'objets :

• les objets qui produisent de la lumière, comme le soleil, les flammes, les lampes à incandescence, etc. Ceux-ci produisent souvent de la lumière par incandescence, le mouvement perpétuel d'agitation de la matière émettant des ondes électromagnétique;
• les objets qui ne sont visibles que s'ils sont éclairés (invisibles dans l'obscurité). Ils diffusent dans toutes les directions la lumière qu'ils reçoivent, ce qui est appelé l'émission atomique ou moléculaire.

C'est la perception de cette diffusion qui nous intéresse. On parle d'éclairement lumineux. ("illuminance" en anglais) qui ne caractérise pas directement une source mais le flux, visible par l'œil humain, reçu par une source. Différents modèles de réflexion peuvent être trouvés dans le cours de Luc Brun à l'Université de Reims (http://www.univ-reims.fr/Labos/LERI/membre/luc/ENSEIGNEMENT/COURS/TR_IMG/); Nous allons maintenant passer à quelques éléments principaux déterminant la perception des couleurs.

La vision des couleurs (chromatopsie)

• Le spectre visible
  
  Le système visuel humain ne peut détecter, dans le spectre de la lumière, que des longueurs d'ondes comprises entre environ 400 et 700 nanomètres. En dessous de ces limites on parle de l'ultra-violet, au dessus de l'infra-rouge. Notre système visuel perçoit cet intervalle de fréquences d'ondes lumineuses comme un arc-en-ciel de couleurs variant progressivement. On appelle cet intervalle de fréquences d'ondes lumineuses le spectre visible. L'illustration suivante montre approximativement le spectre visible.
  
  
  
  
  Figure 3 : spectre visible
  
  Une couleur est donc définie par sa longueur d'onde, ou par un mélange de longueurs d'onde. Par exemple, un vert "pur" est une radiation monochromatique de longueur d'onde 530 nm, tandis que la lumière blanche est un spectre continu contenant toutes les longueurs d'onde du domaine du visible. On trouvera dans la figure 4 quelques spectres caractéristiques.

  Figure 4 : Différents spectres : Lumière blanche, Tube fluorescent, Lampe à UV. (issus de http://tecfa.unige.ch/~lombardf/CPTIC/couleurs/couleur_ERAG/Base.htm)

  
  
• Physiologie de l'œil
  
  Une étude détaillée pourra être trouvée sur http://www.bioinformatics.org/oeil-couleur/
  
  De forme approximativement sphérique, l'oeil est l'organe de base de la vision. Il comporte un ensemble d'éléments destinés à recevoir le rayonnement incident, former l'image des objets perçus et traiter les informations recueillies.
  
  
  
  Figure 5 : l'oeil en coupe
  
  Comme le montre la figure 5, l'œil humain est constitué de :
  
  • La conjonctive : c'est une solide membrane blanche, opaque aux rayons lumineux, servant à attacher l'oeil dans son orbite.
  • La cornée : il s'agit d'une membrane transparente et résistante située sur la face avant de l'oeil. Son rôle est de protéger le globe oculaire sur la face avant.
  • L'iris : il fonctionne comme un diaphragme en dosant la quantité de lumière qui pénètre dans l'oeil. Son ouverture centrale est la pupille.
  • Le cristallin : il fonctionne comme une lentille à focale variable, grâce à sa capacité de modifier sa courbure.
  • La rétine : c'est sur elle que se forment les images provenant de l'extérieur. La rétine contient deux types de cellules photosensibles : les cônes et les bâtonnets.
  • La macula : appelée également tache jaune, contient en son centre une petite dépression, la fovéa. Cette dernière est la zone d'acuité maximum de l'oeil.
  • Le nerf optique : il conduit les informations au cerveau, en passant par un relais très important, le corps genouillé latéral, chargé d'effectuer une première analyse des données.
  
  Au début de la perception, nous avons donc un rayon lumineux. Celui-ci traversera les milieux transparents de l'oeil, et à cause de leurs indices de réfraction différents, sera réfracté plusieurs fois, la cornée et le cristallin assurant l'accommodation de l'image. La lentille convergente formée par ces milieux transparents provoque aussi une "inversion" de l'image sur la rétine, qui sera corrigée par l'interprétation cérébrale. Puis le rayon traverse la rétine, pour arriver finalement aux segments externes des photorécepteurs, où il sera interprété dans le cortex cérébral dédié à la vison. Cette partie du cerveau appelée aussi "cerveau visuel" sera abordée rapidement dans le paragraphe suivant.
  
  La rétine est constituée d'une couche fine de cellules nerveuses dont une grande partie est sensible à la lumière. Les cellules sensibles à la luminosité et au mouvement sont appelées les bâtonnets (en anglais, rods). Les cellules sensibles à la couleur sont appelées les cônes (Voir Figure 6). Les bâtonnets sont responsables de la vision nocturne (vision scotopique) et possèdent un maximum de sensibilité vers 510nm. Leur sensibilité est liée à un colorant, la rhodopsine, qui blanchit à la lumière du jour, expliquant par là leur insensibilité la journée. Les bâtonnets ne fournissent qu'une réponse photométrique et ne permettent donc pas de déterminer les couleurs ("la nuit, tous les chats sont gris"). Les cônes fournissent une réponse photométrique et chromatique, grâce à des pigments dont les maximums d'absorption se situent dans le bleu(450nm), le vert(540nm) ou le rouge (580nm). On parle aussi de cônes S,M,L pour Small, Medium and Large. Une lumière, à n'importe quelle longueur d'onde du spectre visible entre 400 et 700 nm, va donc exciter plus ou moins les cellules de ces 3 types. Notre perception de la couleur dépend donc de cette combinaison. C'est là la base de la vision des couleurs et son aspect trichromatique.
  
  Une petite remarque : Pourquoi ne percevons-nous pas les rayonnements dans l'infrarouge et l'ultraviolet ? Parce que le cristallin n'est pas assez transparent pour laisser passer les radiations dans l'ultraviolet. Pour l'infrarouge, l'onde parvient jusqu'au photorécepteurs, mais nous ne possédons pas de pigments visuels adaptés à cette longueur d'onde.
  
  
  
  Figure 6 : la rétine
  
  Notons également que l'oeil ne présente pas la même sensibilité dans toutes les longueurs d'onde. Une étude statistique réalisée par la CIE, Commission internationale de l'Eclairage, a permis de déterminer la sensibilité spectrale moyenne de l'oeil humain. La courbe obtenue, appelée courbe de visibilité, est intégrée dans certains appareils de mesure (correction Gamma), afin qu'ils analysent les couleurs de la même manière que l'homme les perçoit. L'illustration de la figure 7 montre la sensibilité spectrale d'un système de vision humaine caractéristique. On note usuellement les cellules RVB (Rouge Vert Bleu = RGB Red Green Blue) avec les lettres grecques ρ (Rho : red), γ (Gamma : green) et β (Beta : blue).
  
  Figure 7 : Sensibilité spectrale
  
  Les courbes de sensibilité en ρ, γ et β des cellules de nos yeux déterminent l'intensité des couleurs que nous percevons pour chaque longueur d'onde du spectre visible. La figure 8 est une approximation du spectre visible ajustée avec les courbes de sensibilité de nos cellules ρ, γ et β.
  
  
  
  Figure 8 : Spectre visisble en fonction de la sensibilité spectrale
  
  On remarque, selon ces courbes, que la sensibilité spectrale connaît un pic dans le jaune-vert. Ainsi une source de lumière située vers 660 nm doit être environ 10 fois plus lumineuse qu'une source de 560 nm pour être perçue avec la même intensité. Cette valeur n'est bien sur qu'une moyenne, chaque individu possédant sa propre sensibilité chromatique.
  
  On peut synthétiser le rôle des cônes en disant qu'ils se chargent de mesurer, point par point, sur l'image oculaire, le contenu énergétique de la lumière qu'ils captent et de traduire ces mesures par une amplitude. Mais avant d'être transmise par les fibres du nerf optique, l'image est traitée par plusieurs autres cellules nerveuses. Les autres cellules rétiniennes se chargent ainsi de collecter et d'intégrer des signaux échantillonnés par un certain nombre de cônes, distribués sur des surfaces plus ou moins étendues de la mosaïque rétinienne. Ces surfaces, ces zones de collecte, s'appellent des champs récepteurs. Ce qui est transmis au cerveau par le nerf optique est en fait le contraste de lumière entre le centre et le pourtour d'un champ récepteur. Etant donné que l'activité des trois catégories de cônes, S, M et L, est restreinte à trois régions distinctes du spectre, le bleu, le vert, et le rouge, le contraste mesuré pourra porter sur des comparaisons chromatiques entre des populations distinctes de cônes. Trois sortes d'oppositions existent :
  
  
  • les signaux des cônes M s'opposent à ceux des cônes L : vert/rouge
  • les signaux des cônes S à la somme des signaux issus des cônes M et L (correspondant au jaune) : jaune/bleu
  • enfin, quand il y a mélange des signaux des différentes catégories de cônes, l'opposition est achromatique et porte seulement sur la différence entre le clair et le sombre.
  
  
  
  
  Figure 9 : Codage des couleurs
  
  Lorsque ce codage, illustré par la figure 9, est déficient on parle de dyschromatopsie (trouble de la vision des couleurs). En effet, l'œil peut présenter des défauts de réfraction (myopie, hypermétropie, astigmatisme), mais également des anomalies, généralement héréditaires, de la perception des couleurs. On peut rencontrer les phénomènes suivants :
  
  
  • La dichromasie (dite "daltonisme") : il s'agit d'une incapacité à distinguer certaines couleurs.
  • L'achromatopsie : cette anomalie se caractérise par une cécité totale aux couleurs. Le sujet ne perçoit que des niveaux de gris.
  
  
  Le nom de daltonisme provient du physicien anglais John Dalton, atteint de ce type de "cécité des couleurs" et diagnostiqué comme tel par le médecin et physicien Thomas Young au 18° siècle. On dit souvent que les daltoniens confondent le vert et le rouge. Mais en fait, leur perception du monde coloré est très différente de celle de la plupart des gens. Leur environnement ne comporte que deux couleurs dominantes (le plus souvent bleu et jaune), mais toutes les autres couleurs du spectre leurs sont visibles par des nuances différentes. Ainsi une confusion Rouge-vert peut survenir si les courbes de sensibilité en ρ et en γ se chevauchent exactement ou s'il y a un nombre insuffisant de l'une ou l'autre des catégories de cônes en ρ ou en γ. Une personne souffrant de cette affliction aura des problèmes de différenciation entre le rouge et le vert, en particulier à de faibles niveaux d'intensité lumineuse.
  
  On classe en général les formes de daltonisme selon le type du cône atteint. Aux trois types de cônes correspondent donc trois types de daltonismes :
  
  
  • pathologie du cône L : le sujet est protanope (pas de iodopsine L) ou protanomal (rouge présent mais déficient).
  • cône M : la version du daltonisme la plus fréquente est la deutéranopie (manque de la iodopsine M). La deutéranomalie est la déficience du vert.
  • cône S : certains sujets sont tritanopes (pas de iodopsine S), mais ce cas est extrêmement rare. Encore une fois, il existe la tritanomalie, déficience du bleu.
  Ces figures, définies par le Dr Shinobu Ishira, permettent de détecter les anomalies de perception des couleurs.

  Un trichromate normal voit :	8 15 26 rien
  Un protanope voit :	3 17 6 45
  Un deutéranope voit :	3 17 2 45
  Figure 10 : Illustration du daltonisme

  
  
• Le cortex visuel
  
  La perception de la couleur de chaque être humain dépend, d'une part du signal couleur parvenant à son cortex visuel (aspect physique et physiologique) et, d'autre part de la façon dont ce signal va être interprété. Les mécanismes neurophysiologiques liés à cette interprétation sont relativement complexes et encore mal connus. De grandes avancées ont pu être faites dans les dernières décennies grâce à des travaux chez le primate, seul animal à posséder une organisation visuelle cérébrale comparable à celle de l'être humain. Par ailleurs les techniques d'imagerie cérébrale fonctionnelle ont permis aux chercheurs de faire de grands progrès dans l'étude du fonctionnement du cerveau et notamment du "cerveau visuel". On a ainsi pu constater que la partie dorsale du cortex visuel analyse l'aspect "spatial", alors que la partie ventrale analyse l'aspect "formes et couleurs" d'une scène. Toutefois, de nombreux faits d'expérience récents n'ont pas encore pu être convenablement intégrés dans les hypothèses présentées auparavant. C'est-à-dire qu'à l'heure actuelle, il n'existe pas d'explication exhaustive et convaincante du fonctionnement de notre cortex visuel. Nous nous contenterons donc d'insister sur quelques grands axes qui seront sûrement l'objet de nouvelles réflexions dans l'avenir :
  
  
  • l'organisation en couches : Le cortex visuel comprend 6 couches numérotées de I à VI de la plus externe à la plus profonde. La couche IV est elle-même subdivisée en sous-couches A, B, C-a et C-b. Les axones des magno-cellules provenant des C.G.L. se terminent pour leur majorité au niveau des cellules corticales de la couche IV-B et IV-C-a et pour quelques-unes à celles de la couche VI interne. La majorité des signaux transmis par le nerf optique aboutit à la couche IV-C-b et IV-A. Le autres couches recoivent les informations ayant transité par les couches précédentes et apparaissent plus ou moins spécialisées dans des aspects différents du traitement de l'information.
  • l'organisation en colonnes : HUBEL et WIESEL (Prix Nobel en 1981) ont montré que l'organisation précédente de type "horizontal" était également combinée à un traitement "vertical". Le cortex visuel peut en effet être considéré comme lajuxtaposition de zones sensiblement identiques, en forme de "colonnes" (parallèlépipèdes de 0,5 à 1 mm² de surface sur 3 à 4 mm de profondeur), ayant toutes les mêmes fonctions étagées dans l'épaisseur de la colonne et s'occupant de traiter les caractéristiques principales de l'image (luminance, contraste, couleurs, mouvements, vision binoculaire, etc.). D'une colonne à l'autre, la différence vient simplement de la portion du champ visuel qui leur est affectée, ce champ pouvant être très réduit d'où une représentation poussée des détails (vision centrale) ou au contraire large avec une prééminence donnée à d'autres caractéristiques de l'image comme le mouvement (vision périphérique)..
  
  Nous n'irons pas plus loin dans la description de notre "cerveau visuel". Cependant, nous pouvons ajouter que notre interprétation d'un signal couleur dépend aussi d'aspects psychologiques et plus précisément de notre connaissance a priori de notre environnement et de l'apprentissage que nous avons reçu des couleurs que nous percevons. En effet, dès notre plus jeune âge, nous percevons et apprenons les couleurs en les nommant. Cet apprentissage peut être différent selon les individus. Par exemple, ce qui est violet pour l'un sera mauve pour l'autre. De même, nous pouvons parfaitement identifier la couleur d'un objet quelles que soient les conditions d'éclairage si nous connaissons a priori sa couleur. Dans les deux cas, le cerveau interprète et corrige les informations qu'il reçoit de l'oeil en fonction de la connaissance qu'il a acquise antérieurement. Ce phénomène d'adaptation est appelé la constance chromatique. L'apprentissage peut aussi parfois nous amener à de fausses interprétations : ce sont les illusions d'optique dont on trouvera quelques exemples pour la perception de la couleur sur http://www.mylsite.com/illusions_optique/couleurs.php3
  
  Le contexte de l'observation joue aussi un rôle essentiel sur la perception de la couleur. Ainsi, un objet bleu nous paraîtra clair sur un fond noir et foncé sur un fond blanc. Ces effets de contraste ainsi que plusieurs mécanismes visuels jouent donc aussi un rôle important sur l'apparence colorée et conduisent, depuis peu, à des modèles d'apparence colorée [Cie98, Fai97].
  
  Notons enfin qu'il est possible que l'observateur perçoive de façon identique deux stimuli de couleur physiquement différents. Ces deux stimuli qui, sous un certain éclairage, peuvent être perçus différemment alors qu'ils ne le seront pas sous un autre éclairage, sont alors dits métamères (phénomène de métamérisme).

Conclusion

Nous avons ainsi vu la plupart des mécanismes de la perception de la couleur (ou chromatopsie) : le photon, provenant d'une source lumineuse, a le rôle de déclencheur d'une cascade de réactions biochimiques aboutissant elles-même à la formation d'un message nerveux, qui sera véhiculé au cerveau par le biais d'autres neurones. Comme pour la plupart des fonctions de l'organisme, nous constatons ici une véritable division du travail : l'image mesurée par les cônes est triée et classée avant d'arriver aux cellules ganglionnaires du cerveau. Tout ce processus naturel, massivement parallèle est difficilement reproductible par des moyens artificiels. Ceci fait donc la différence entre les hommes et les ordinateurs. Pourtant, l'avantage des systèmes automatique d'analyse de la couleur est la reproductibilité et l'objectivité des mesures. En effet, chaque individu étant unique, son interprétation de la couleur est également unique. De plus, le système visuel n'est pas exempt d'erreur : le daltonisme, résultat d'une mutation, montre la vulnérabilité de la physiologie humaine. Mais finalement, ce que nous définissons comme "voir" est en fait une construction du cerveau : la mémoire et "l'apprentissage" jouent un rôle majeur dans la vision. Ceci suscite une question importante d'ordre philosophique : qu'est-ce vraiment que la couleur?