Lumière et environnement visuel. Jean-Jacques Damelincourt.pdf

20/12/2013
Publication 3EI 3EI 2003- Journées
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Article_damelincourt Page 1/18 LUMIERE ET ENVIRONNEMENT VISUEL Jean-Jacques DAMELINCOURT CPAT - Université Toulouse 3 118 rte de Narbonne, 31062 Toulouse cedex 4 http://cpat.ups-tlse.fr Article_damelincourt Page 2/18 Sommaire Sommaire ........................................................................................................................................2 I - Lumière et système visuel..........................................................................................................3 I.1- Le rayonnement lumineux ....................................................................................................3 I.2 - De la source au système visuel ............................................................................................4 I.3 - Constitution et principales propriétés de l'oeil.....................................................................5 I.4 - Vision des détails, vision des couleurs.................................................................................7 I.4.1 - Vision des détails...........................................................................................................7 I.4.2 - Vision des couleurs........................................................................................................8 I.4.3 - Temps, espace, intégration ............................................................................................8 II - Mesurer la lumière, repérer la couleur.................................................................................... 10 II.1 - Mesurer la lumière............................................................................................................10 II.2 - Repérer la couleur.............................................................................................................11 II.3 - Mélanges de couleurs, illusions optiques .........................................................................13 III.3.1 - Mélanges de lumières ou mélanges de pigments ......................................................13 II.3.2 - Illusions optiques........................................................................................................14 III - Créer la lumière .....................................................................................................................14 IV - Organiser la lumière ..............................................................................................................15 V - Quelques références bibliographiques....................................................................................17 Article_damelincourt Page 3/18 I - Lumière et système visuel I.1- Le rayonnement lumineux Le phénomène de la vision a toujours intrigué les philosophes, mais c'est seulement avec Scheiner, en 1625, qu'est prouvée la réalité de l'image rétinienne. Entre 1801 et 1852, Young et Helmholtz développent la théorie du trichromatisme. Il faudra attendre 1930 et les travaux d'Adrian et Hartline pour que soit démontrée la propagation de l'influx nerveux de l'œil au cerveau. C'est donc assez récemment que le phénomène de vision a été compris comme l'analyse, par le cerveau, des informations lumineuses transportées par un rayonnement électromagnétique particulier : la lumière. Le rayonnement électromagnétique peut apparaître dans des situations extrêmement diverses : circulation d'un courant dans une antenne, élévation de la température d'un corps, décharge électrique, etc... On peut généralement se ramener à une évolution sinusoïdale des grandeurs caractéristiques du rayonnement électromagnétique. On caractérise alors ce rayonnement par sa fréquence ν ou par une des grandeurs qui sont liées à la fréquence, énergie ou longueur d'onde λ dans un milieu donné. L'ensemble des rayonnements électromagnétiques forme un spectre ininterrompu dans l'échelle des fréquences. La figure I-1 indique les dénominations les plus courantes des radiations de ce spectre. I UHF VHF TV FM Radar Radiodiff OC Fréquence en Hz Visible Courant de réseau 10 10 10 22 1 1 10 20 10 18 10 16 10 14 10 12 110 10 10 8 10 6 10 4 10 2 10 2 10 4 10 6 10 8 10 -2 10 -4 10 -6 10 -8 10 -10 10 -12 Longueur d'onde en cm UV Infra rouge Radiodiffusioçn Rayons X Rayons γ Chauffage HF I UHF VHF TV FM Radar Radiodiff OC Fréquence en Hz Fréquence en Hz Visible Courant de réseau Courant de réseau 10 10 10 10 10 22 1 1 10 20 10 18 10 16 10 14 10 12 110 10 10 8 10 6 10 4 10 2 10 2 10 4 10 6 10 8 10 -2 10 -4 10 -6 10 -8 10 -10 10 -12 10 22 10 22 1 1 10 20 10 20 10 18 10 18 10 16 10 16 10 14 10 14 10 12 10 12 110 10 10 10 10 8 10 8 10 6 10 6 10 4 10 4 10 2 10 2 10 2 10 2 10 4 10 4 10 6 10 6 10 8 10 8 10 -2 10 -2 10 -4 10 -4 10 -6 10 -6 10 -8 10 -8 10 -10 10 -10 10 -12 10 -12 Longueur d'onde en cm Longueur d'onde en cm UV Infra rouge Radio-diffusioçn Rayons X Rayons γ Chauffage HF I UHF VHF TV FM Radar Radiodiff OC Fréquence en Hz Fréquence en Hz Visible Courant de réseau Courant de réseau 10 10 10 10 10 22 1 1 10 20 10 18 10 16 10 14 10 12 110 10 10 8 10 6 10 4 10 2 10 2 10 4 10 6 10 8 10 -2 10 -4 10 -6 10 -8 10 -10 10 -12 10 22 10 22 1 1 10 20 10 20 10 18 10 18 10 16 10 16 10 14 10 14 10 12 10 12 110 10 10 10 10 8 10 8 10 6 10 6 10 4 10 4 10 2 10 2 10 2 10 2 10 4 10 4 10 6 10 6 10 8 10 8 10 -2 10 -2 10 -4 10 -4 10 -6 10 -6 10 -8 10 -8 10 -10 10 -10 10 -12 10 -12 Longueur d'onde en cm Longueur d'onde en cm UV Infra rouge Radiodiffusioçn Rayons X Rayons γ Chauffage HF I UHF VHF TV FM Radar Radiodiff OC Fréquence en Hz Fréquence en Hz Visible Courant de réseau Courant de réseau 10 10 10 10 10 22 10 22 1 1 10 20 10 20 10 18 10 18 10 16 10 16 10 14 10 14 10 12 10 12 110 10 10 10 10 8 10 8 10 6 10 6 10 4 10 4 10 2 10 2 10 2 10 2 10 4 10 4 10 6 10 6 10 8 10 8 10 -2 10 -2 10 -4 10 -4 10 -6 10 -6 10 -8 10 -8 10 -10 10 -10 10 -12 10 -12 10 22 10 22 1 1 10 20 10 20 10 18 10 18 10 16 10 16 10 14 10 14 10 12 10 12 110 10 10 10 10 8 10 8 10 6 10 6 10 4 10 4 10 2 10 2 10 2 10 2 10 4 10 4 10 6 10 6 10 8 10 8 10 -2 10 -2 10 -4 10 -4 10 -6 10 -6 10 -8 10 -8 10 -10 10 -10 10 -12 10 -12 Longueur d'onde en cm Longueur d'onde en cm UV Infra rouge Radio-diffusioçn Rayons X Rayons γ Chauffage HF Figure I.1 : Composition du spectre électromagnétique Les fréquences visibles, c'est-à-dire susceptibles d'impressionner les récepteurs de l'oeil humain, sont sensiblement comprises entre 395.000 GHz et 790.000 GHz. Bandes Type d'UV Limites des bandes A mous 315 à 400 nm B moyens 280 à 315 nm C durs 100 à 280 nm Tableau I.1.a : Limites conventionnelles des 3 types d'UV Article_Damelincourt.doc Page 4/18 Ces fréquences correspondent respectivement (dans le vide ou dans l'air) à des longueurs d'ondes de 760nm et 380nm (760.10-9 m et 380.10-9 m). Bandes Couleurs Limites des bandes 1 Violet foncé 380 à 420 nm 2 Violet 420 à 440 nm 3 Bleu 440 à 460 nm 4 Bleu-vert 460 à 510 nm 5 Vert 510 à 560 nm 6 Jaune 560 à 610 nm 7 Orange 610 à 660 nm 8 Rouge 660 à 760 nm Tableau I.1.b : Limites conventionnelles des 8 bandes du spectre lumineux Afin de clarifier un vocabulaire longtemps imprécis, la réglementation a cherché à définir les limites des rayonnements ultraviolet et visible. On utilise généralement les subdivisions des tableaux I.1.a et I.1.b. Le rayonnement ultraviolet est divisé en 3 bandes correspondant (de A à C) à des photons de plus en plus énergétiques, alors que le spectre lumineux laisse apparaître huit bandes colorées dont les limites (plus ou moins arbitraires) sont codifiées par la Commission Internationale de l'Éclairage (CIE). I.2 - De la source au système visuel Lorsque le rayonnement électromagnétique rencontre la matière (gaz, liquide, solide), il interagit avec elle et s'en trouve modifié. Le rayonnement peut être réfléchi, transmis, absorbé, diffusé, diffracté... en totalité ou partiellement. Ce point est très important puisque c'est en lui que réside la possibilité de percevoir notre environnement visuel : le système visuel interprète les modifications qu'impose la matière au rayonnement émis par la source. Ce rayonnement modifié influence le système visuel à travers une chaîne de transmission qui comprend (en simplifiant beaucoup) : - un système optique constitué d'un diaphragme réglable (la pupille), d'une lentille à focale variable (le cristallin), de détecteurs (cônes et bâtonnets) répartis de façon très hétérogène sur la rétine. La figure I.2 donne la structure générale de l'œil ainsi que la distribution des récepteurs sur la rétine ; - un système de codage et de compression des signaux lumineux réalisé à partir d'interconnexions horizontales entre cellules nerveuses de la rétine ; Article_Damelincourt.doc Page 5/18 - un système de stockage et d'interprétation des éléments codés (système nerveux central) pour lequel l'éducation visuelle de l'individu jouera un rôle important. Ainsi, la perception de notre environnement visuel résulte de l'interaction de trois "éléments" : - la ou les sources qui produisent le rayonnement. Elles peuvent être naturelles (ciel, soleil) ou artificielles (flammes, lampes d'éclairage) ; - les objets, ou plus généralement les matériaux, qui réfléchissent, transmettent et en définitive transforment la lumière émise par les sources ; - le système visuel qui traite l'information disponible sous forme lumineuse. Muscles ciliaires Cornée Iris et Pupille Cristallin Rétine Fovea nerf optique Humeur aqueuse Choroïde Corps vitré a 40000 80000 120000 160000 nombreparmm2 60 3090 0 906030° ° ° ° ° ° ° Batonnets Cônes b Muscles ciliaires Cornée Iris et Pupille Cristallin Rétine Fovea nerf optique Humeur aqueuse Choroïde Corps vitré a Muscles ciliaires Cornée Iris et Pupille Iris et Pupille Cristallin Rétine Fovea nerf optique nerf optique Humeur aqueuse Humeur aqueuse Choroïde Corps vitré Corps vitré a 40000 80000 120000 160000 nombreparmm2 60 3090 0 906030° ° ° ° ° ° ° Batonnets Cônes 40000 80000 120000 160000 nombreparmm2nombreparmm2 60 3090 0 906030° ° ° ° ° ° ° Batonnets Cônes b Figure I.2 : Structure de l'oeil et distribution des cônes et bâtonnets dans la rétine I.3 - Constitution et principales propriétés de l'oeil L'œil a sensiblement la forme d'un globe (figure I.2.a). Il est entouré d'une membrane externe dure, la sclérotique, prolongée en avant par une fenêtre transparente plus bombée, la cornée. Une membrane interne, riche en vaisseaux sanguins, la choroïde, est continuée en avant par l'iris percé d'un trou central de diamètre variable, la pupille. L'image est formée sur le récepteur de l'œil, la rétine, par le cristallin qui se comporte comme une lentille à focale variable dont la courbure est commandée, par l'intermédiaire d'un réseau de fibres, par les muscles ciliaires. La rétine, considérée comme un prolongement du cerveau, se présente comme une membrane transparente. La cornée, les humeurs transparentes aqueuse et vitrée, contribuent à la convergence des rayons lumineux. A l'état de repos des muscles ciliaires, le cristallin est tendu par les fibres, la courbure est faible et l'œil accommode à l'infini (plus de 5m), sa puissance est alors voisine de 60 dioptries chez l'adulte (soit une distance focale f de 1/60 m, soit 16,7 mm). Lorsque le muscle ciliaire se contracte, les fibres se détendent et la courbure augmente, l'œil accommode sur des objets plus proches, sa puissance peut alors atteindre 68 dioptries (f = 14,7 mm). La modification de la convergence est réglée par le cerveau à partir des Article_Damelincourt.doc Page 6/18 déformations de l'image qu'entraîne la défocalisation et des différences d'images résultant de la vision binoculaire. Cette faculté d'adaptation se dégrade fortement avec l'âge. L'examen de la figure I.2.b montre la distribution très particulière des cônes et des bâtonnets. Ces récepteurs, qui différent dans leurs formes, présentent aussi des réponses spectrales très différentes. Alors que la réponse des bâtonnets est unique avec un maximum situé près de 500nm, on note pour les cônes trois types de réponses possibles centrées dans le bleu, le jaune vert et l'orangé. Ces réponses permettent la perception des couleurs. La répartition de ces deux familles de cellules, cônes et bâtonnets, définit deux zones aux propriétés très différentes. Une première zone (zone centrale de la fovea) de faible étendue angulaire (1,4 à 2 degrés d'angle), située au voisinage de l'axe optique et ne comportant que des cônes, est responsable de la vision la plus précise. Il faut noter que les cônes, responsables également de la vision des couleurs, ne commencent à répondre que pour des luminances supérieures à 0,1 Cd/m2 . Cette vision par les cônes correspond à la vision photopique. Cette zone détectrice, de petite dimension, associée à la pupille également de petite dimension, fait que l'oeil n'est en général sensible qu'à la grandeur luminance (ceci n'est plus vrai pour des sources de très petite dimension apparente). La luminance représente la densité de flux lumineux par stéradian et par unité d'aire de surface vue. Une seconde zone, qui représente la plus grande partie de la surface rétinienne, est couverte essentiellement de bâtonnets avec une faible densité de cônes. Cette zone permet une détection des faibles luminosités mais ne permet pas la vision précise. Dans la zone centrale, les cônes sont directement raccordés aux fibres du nerf optique par des liaisons radiales (cône, cellule bipolaire, cellule ganglionnaire). Cependant, des connexions horizontales, assurées par les cellules horizontales d'une part, amacrines d'autre part, définissent des champs spécialisés de détection différentielle pouvant assurer le codage de caractéristiques particulières de l'image : variation d'intensité, couleurs, frontière colorée, sens de déplacement, etc... (Figure I.3). Longueurs d'ondes en nm Bleu a b lumière ganglionnaires bipolairesamacrines horizontales choroïide 0,2 0,4 0,8 1 400 500 600 700 Sensibilité fovéale Vert Rouge Longueurs d'ondes en nm Bleu a b lumière ganglionnaires bipolairesamacrines horizontales choroïide lumière ganglionnaires bipolairesamacrines horizontales lumière ganglionnaires bipolairesamacrines horizontales choroïide 0,2 0,4 0,8 1 400 500 600 700 0,2 0,4 0,8 1 400 500 600 700 Sensibilité fovéale Vert Rouge Figure I.3 : Sensibilités des trois types de cônes et de la fovéa (a). Câblage approximatif des cônes au nerf optique (b) Article_Damelincourt.doc Page 7/18 Ce codage, réalisé avant l'entrée du nerf optique, permet, en même temps que la digitalisation du signal, la compression de l'information d'un facteur voisin de cent. La confrontation de ces structures codées d'images par le cerveau conduit à la perception de l'environnement visuel. La vision centrale précise et, dans une moindre mesure, la perception colorée ne concerneraient donc, si l'oeil était statique, qu'un champ réduit. La saisie des informations dans notre environnement n'est donc possible que par un balayage de l'ensemble de la tâche visuelle (balayages, saccades, fixations). C'est également à travers les balayages visuels que seront obtenues la reconnaissance et l'appropriation de l'espace environnant stocké sous forme d'image fictive dans le cerveau. Il sera donc important de ne pas perturber ces balayages visuels par des reflets, qui provoquent des "arrêts sur image", par exemple. Lorsque l'on s'éloigne de la zone centrale les bâtonnets assurent presque seuls la détection des signaux lumineux. La sensibilité est encore augmentée vers la périphérie où les bâtonnets sont connectés par paquets (jusqu'à 10000) au nerf optique, augmentant ainsi la probabilité de détection d'un signal. Ces détecteurs restent donc actifs à des niveaux très bas (de l'ordre de 10-6 Cd/m2 ) mais ne permettent alors qu'une vision imprécise et non pourvue de coloration. En utilisant les bâtonnets puis les cônes, le système visuel est capable de détecter de très faibles signaux lumineux ou de supporter des éclairements très importants (dynamique de l'ordre de 109 ), mais il ne peut le faire que par plages successives de niveaux lumineux en adaptant l'état physico-chimique des récepteurs rétiniens. Cette adaptation est rapide pour des augmentations de luminance, plus lente ou très lente lorsque le niveau lumineux diminue (phénomène du "trou noir" en conduite de nuit). I.4 - Vision des détails, vision des couleurs I.4.1 - Vision des détails La perception d'un détail sur un fond n'est possible que si celui-ci présente une luminance ou une couleur (ou les deux) différente du fond. On dit que le détail forme un contraste avec le fond. Si seules interviennent les luminances (photo en noir et blanc, fond et détail de même couleur), il s'agit d'un contraste de luminance, on parlera de contraste de couleur si le détail présente une couleur différente du fond tout en ayant la même luminance que lui. D'autres facteurs tels que la dimension, l'environnement lumineux…, vont également intervenir dans cette perception. Une description assez fine des propriétés achromatiques du système visuel est donnée par la figure I.4. Cette figure donne, en fonction de la fréquence spatiale (liée à la dimension angulaire du détail), la modulation de contraste la plus faible qui peut être perçue pour une adaptation lumineuse donnée. 0.001 0.01 0.1 1 ModulationduContraste 0.1 1 10 100 Fréquence spatiale (C/deg) 3.10-2 1 1000 3.10-5 1.10-3 1.10-6 Luminance Cd/m2 Figure I.4 : Modulation du contraste ∆∆∆∆C/C en fonction de la fréquence spatiale en cycles par degré d'angle pour différentes luminances de fond. La fréquence fondamentale de la mire (en bas à droite) est de 1,82 cycles/cm ou 1,27 cycles/degré vue à 40 cm. Article_Damelincourt.doc Page 8/18 Le large domaine de fréquences spatiales couvert ne l'est cependant que par juxtaposition de canaux de fréquences plus étroits. La figure I.5 montre que des informations différentes ne doivent pas circuler dans un même canal sous peine de confusion. 1 Fréquence spatiale (C/deg) 10 100 0.1 1 10 Sensibilitéaucontraste Contrast and size of these two ximately the same but the first imbricated texts are appro one is more difficult to read! Why? ximately the same but the first imbricated texts are appro one is more difficult to read! Why? Contrast and size of these two Figure I.5 : Cheminement des messages visuels I.4.2 - Vision des couleurs En première analyse, la sensation colorée résulte de l'excitation différenciée des trois types de cônes rétiniens. Comme le montre la figure I.3.a, les courbes de sensibilité de ces trois familles de cônes sont très larges avec des maxima situés respectivement à 425nm pour les cônes bleu (cyanolabes ou S), 535nm pour les cônes vert (chlorolabe ou M) et 565nm pour les cônes rouge (érythrolabe ou L). Les cônes L et M sont en nombres voisins, par contre les cônes S sont environ 5 fois moins nombreux. Seules vont intervenir dans la sensation colorée les amplitudes des réponses des cônes L, M ou S, quelle que soit la nature de l'excitation qui les provoquent. Il en résulte que deux compositions spectrales différentes pourront donner la même impression colorée si les excitations résultantes sont les mêmes, c'est le phénomène de métamérisme. La détection des frontières de couleurs et des contrastes colorés résulte de la réponse des champs chromatiques spécialisés définis par les interconnexions horizontales rétiniennes qui concernent un grand nombre des cellules détectrices de la fovea. I.4.3 - Temps, espace, intégration La dépendance vis-à-vis du temps comme celle vis-à-vis de l'espace, ne présente pas les mêmes propriétés selon qu'il s'agit d'informations intensives ou d'informations chromatiques (figure I.6). Par ailleurs, l'évaluation de l'apparence lumineuse d'un stimulus dépend des conditions de présentation. Si le stimulus est un éclair bref ou à cadence rapide (>10Hz), ou bien s'il est ponctuel ou structuré en maillage fin (>10cpd), l'apparence lumineuse correspond à la luminance. Article_Damelincourt.doc Page 9/18 0.1 10 6 8 2 4 6 8 1 5 6 7 8 0.1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 b F spatiale (cycles/degré) 2 3 4 5 6 7 8 100 6 8 0.1 2 4 6 8 1 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 10 a F temporelle (Hz) sensibilité s.c.s s.c.s.c s.m.t.l.b s.m.t.j/v Figure I.6 : Influence des fréquences temporelle (a) et spatiale (b) sur les sensibilités intensive et chromatique. (smtlb : sensibilité à la modulation temporelle au contraste de luminance - smtj/v : sensibilité à la modulation temporelle jaune/vert – scs : sensibilité au contraste de luminance – scsc : sensibilité au contraste coloré Mais si le stimulus est présenté en permanence et en grande dimension (>2°), une réponse d'origine chromatique ajoute sa contribution à l'apparence lumineuse, si bien que des stimulus colorés de même luminance que le blanc paraîssent plus lumineux que ce dernier, leur luminosité est plus grande. Cependant, la détection d'un détail ne constitue que la première phase de la saisie de l'information, il faut encore que le détail soit reconnu et identifié, ce qui met en jeu d'autres paramètres : forme, netteté, position dans le champ visuel, interprétation du symbole,.... Au total, il semble établi que le traitement de l'image se fasse à plusieurs niveaux et à travers des intégrations de plus en plus complexes de caractéristiques d'images. A un niveau élevé d'intégration certains auteurs considèrent que la perception s'effectue essentiellement à travers trois systèmes de transmission et d'interprétation : - un premier système traite une information à haute résolution résultant des contours que définissent les contrastes colorés. C'est un système lent adapté à l'examen de détails d'objets stationnaires ; - un autre système traite l'information concernant les couleurs et les niveaux de gris mais pas le mouvement, les formes ou la profondeur. Il permet la détection des couleurs mais non des détails fins ; - enfin un système transmet l'information sur le mouvement et la profondeur stéréoscopique. Ce système, qui a un temps de réponse très court, voit sa réponse décroître rapidement lorsque l'information est maintenue. Il est donc efficace pour la détection du mouvement mais inadapté à l'examen détaillé d'images fixes. Il est également insensible aux couleurs. Ce traitement très complexe fait qu'il est pour le moment impossible de modéliser globalement la perception de notre espace visuel. Des approches adaptées à différents aspects particuliers sont nécessaires. Bien que moins riches, elles permettent plus facilement de caractériser et de chiffrer une situation vis-à-vis d'une fonction visuelle donnée. Article_Damelincourt.doc Page 10/18 II - Mesurer la lumière, repérer la couleur II.1 - Mesurer la lumière Les grandeurs de la photométrie visuelle physique se déduisent des unités de la photométrie énergétique en faisant intervenir une fonction de pondération V(λ) qui rend compte de la sensibilité moyenne relative de l'oeil humain aux différentes radiations du spectre visible lorsque l'oeil travaille en vision photopique (vision par les cônes). En effet 1 Watt de radiation ne produira pas le même effet de luminosité selon que ce Watt de radiation sera émis par exemple dans le bleu (450 nm), le vert (535 nm), ou le rouge (680 nm), les luminosités seront respectivement proportionnelles à 0,038 pour le bleu, 0,914 pour le vert et 0,017 pour le rouge. L'allure de la fonction V(λ) est donnée dans la figure II.1. Ainsi si le flux énergétique spectrique ϕ(λ) est en Watt par unité de longueur d'onde (ou Wm- 1 ), le flux lumineux qui lui correspond s'écrit : F = km ϕ(λ)V(λ) 380 720 ∫ δλ lm. 0,25 0,50 0,75 1,0 400 450 500 550 600 650 700 V(λ) λ (nm) Figure II.1 : Sensibilité moyenne relative de l'œil Si le flux lumineux est exprimé en lumen, km vaut 683 lm/W. Avec cette unité le flux lumineux d'une lampe à incandescence de 100 W est de 1380 lumen (1380 lm), celui d'un tube fluorescent de 36W-IRC 85 de 3300 lm. Article_Damelincourt.doc Page 11/18 Densité de débit dans la direction X Flux (lm) δδδδ F δ Ωδ Ωδ Ωδ ΩI (Cd)= Débit X X Figure II.2 : Flux et intensité lumineuses, analogie hydraulique Une autre grandeur intéressante, car elle caractérise la façon dont le flux lumineux est envoyé dans l'espace, est l'intensité lumineuse (Figure II.2). Elle mesure, pour une direction donnée, la densité de flux par unité d'angle solide et s'exprime donc en lumens par stéradian ou candéla (cd). Rappelons qu'un angle solide de 1 stéradian intercepte, sur la sphère de rayon R centrée au point d'émission, une surface d'aire R2 . L'oeil est sensible à la luminance qui correspond à la densité de flux par unité d'angle solide et par unité de surface de source vue dans la direction d'observation. Cette grandeur s'exprime donc en lumen par stéradian, par unité de surface vue (surface droite), c'est-à-dire en candelas par m2 (cd/m2 ). La grandeur la plus connue est cependant l'éclairement qui rend compte du flux lumineux tombant sur l'unité de surface, il s'exprime en lumens par m2 ou lux. Ainsi, considérons une lampe de 100 W claire (1), puis une lampe de 100 W dépolie (2), éclairant successivement, dans les mêmes conditions, une même surface. On peut faire les remarques suivantes : Ces lampes délivrent l'une et l'autre un flux de 1380 lm (ce qui leur donne, notons le au passage, une efficacité lumineuse de 13,8 lm/W). Les intensités dans une même direction sont identiques pour les deux lampes, on a I1 ≈ I2 ≈ 109 Cd. Les éclairements procurés sur des luxmètres, à 1m sous les lampes, sont également sensiblement les mêmes et sont voisins de 109 lux. Les luminances très élevées des deux lampes sont par contre très différentes, dans le cas (2) la luminance n'est "que" de 35.000 Cd/m2 environ alors que dans le cas (1) elle dépasse le million de Cd/m2 . Cette différence de luminance provient des surfaces apparentes très différentes des surfaces qui émettent la lumière, l'ampoule dans le cas (2), le filament dans le cas (1). II.2 - Repérer la couleur On a cherché depuis longtemps à repérer les couleurs pour pouvoir les reproduire. Ce repérage s'est d'abord fait par comparaison avec des échantillons classés selon une logique chromatique. Dans ce domaine, la classification systématique la plus ancienne est sans doute celle de Chevreul (1838). Actuellement une des plus utilisée est celle de Münsell (1929). Trois paramètres ont été retenus par Münsell (Figure II.3.a) : la clarté qui correspond à une échelle allant du noir au blanc, la teinte (pourpre, violet, bleu, vert, rouge...), la saturation qui rend compte du fait que la teinte est plus ou moins pure. Article_Damelincourt.doc Page 12/18 SR SGSB S0 Jaune saturé (lumineux) bleu saturé (sombre) Clarté teinte saturation a b Figure II.3 : Deux façons de repérer la couleur : par classification/comparaison (a), par reconstitution (b) Ces couleurs sont des couleurs de surface par opposition aux couleurs dites « d'orifices » qui sont des "lumières". Dans la perception des couleurs de surface la nature de la surface, son pouvoir spéculaire ou diffusant interviennent. Ainsi une couleur pastel mate correspond à une couleur désaturée et diffusante. Ces couleurs de surfaces correspondent à des mélanges soustractifs dans la mesure où la surface ne réfléchit (ou ne transmet) qu'une fraction de la lumière incidente puisqu'elle soustrait la partie absorbée. La reproduction et la maintenance des couleurs de surface de référence sont délicates et une autre voie a été suivie pour construire la colorimétrie, celle de la recomposition des couleurs à partir de trois composantes, ou bases, définies en couleur et en intensité (Figure II.3.b). On utilise généralement comme bases expérimentales des lumières repérées en longueurs d'ondes et en luminances (ou en flux). 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 y 0.70.60.50.40.30.20.1 x 500K 7000K 3000K 505 520 480 380 540 560 580 600 620 24000K C lieu spectral S λd droite des pourpres Figure II.4 : Repérage des couleurs dans le repère x, y Les quantités SB, SG, SR de ces lumières de base, nécessaires pour reproduire un stimulus So prennent le nom de composantes trichromatiques, les grandeurs réduites sI = SI/(SB+ SG + SR) qui Article_Damelincourt.doc Page 13/18 s'en déduisent (avec I = R, G, B) sont appelées coordonnées trichromatiques. On peut passer du système expérimental R, G, B à d'autres systèmes par des transformations. Le plus connu de ces systèmes est sans doute le système X, Y, Z (CIE 1931). Il est dès lors possible de repérer la chromaticité d'une couleur par ses coordonnées x, y par exemple. En particulier on a l'habitude de représenter dans le diagramme des couleurs les chromaticités des diverses radiations spectrales ainsi que celles du corps noir à différentes températures (Figure II.4). La droite qui joint les extrémités violette et rouge du spectre prend le nom de droite des pourpres. Les blancs sont dans la région centrale du diagramme, les couleurs complémentaires (par rapport à un certain blanc, ici C) sont les intersections des droites passant par C avec le lieu spectral par exemple "jaune" (580 nm) et "bleu" (480 nm), ou vert et pourpre. Un autre moyen de repérage consiste à repérer un stimulus, S par exemple, par rapport à un blanc de référence (ici l'étalon C). On trace la droite CS qui coupe le lieu spectral en λd. On donne à λd le nom de longueur d'onde dominante, au rapport CS/C λd le nom de pureté d'excitation. II.3 - Mélanges de couleurs, illusions optiques III.3.1 - Mélanges de lumières ou mélanges de pigments Considérons trois pinceaux lumineux, Bleu-violet (B), Vert (V) et Rouge (R). Leur mélange en proportion convenable va donner le résultat de la figure II.5.a qui correspond à une synthèse additive. Dans ce cas les mélanges sont plus lumineux que les faisceaux mélangés. Si au contraire on éclaire en lumière blanche trois filtres, Jaune (J), Magenta (M) et Cyan (C), on obtient le résultat de la figure II.5.b qui correspond à une synthèse soustractive. Dans ce cas les lumières issues des différents filtres sont de moins en moins lumineuses. (a) (b) R VB M J C M CJ R B V Figure II.5 : Mélanges additifs (a) et soustractif (b) Le mélange soustractif est également réalisé lorsqu'on éclaire en lumière blanche un mélange de pigments colorés. Ainsi si l'on éclaire en lumière blanche un mélange de pigments jaune et bleu on obtient un faisceau émergent vert. En effet, le pigment jaune absorbe la fraction bleue de la lumière blanche, le pigment bleu absorbe la fraction rouge de la lumière blanche alors que la fraction verte du blanc est un peu réfléchie par les deux pigments. Si maintenant on éclaire le mélange avec de la lumière magenta qui ne contient pas de vert, il n'y aura pas de faisceau émergent, on obtient du noir. La nature de la lumière éclairante conditionne donc fortement l'aspect coloré des objets. Article_Damelincourt.doc Page 14/18 II.3.2 - Illusions optiques Nous avons vu que les interconnections rétiniennes définissent des champs analyseurs capables d'extraire des structures d'image. Quelquefois ces analyseurs sont en conflit, il en résulte des "hésitations" du système de traitement ou illusions optiques. (a) (b) (c) Figure II.6 : Exemples d'illusions Ainsi dans la figure II.6.a, le noir dans le jaune paraît plus noir que le noir dans le bleu. En II.6.b les deux carrés gris sont identiques de même que les deux barres grises. Enfin, en II.6.c, on croit percevoir des zones grises entre les coins des carrés. III - Créer la lumière C'est la lumière naturelle qui a conduit l'apparition, puis le développement, de notre système visuel. Par la suite la maîtrise du feu a permis de sécuriser la phase de vie nocturne tout en autorisant des activités nouvelles. Ces deux lumières anciennes, forte luminosité (1000 à 100000 lux) et température de couleur élevée (TCP ≈ 5400 à 8000 K) pour la lumière naturelle, faible luminosité (10 à 100 lux) et basse température de couleur (TCP ≈ 800 à 2000 K) pour le feu, restent des références importantes dans notre appréciation de la qualité d'une ambiance lumineuse. Au moins jusqu'à la fin du 19ème siècle, la flamme (chandelle, bougie, lampes à pétrole ou à gaz...) resta d'ailleurs pratiquement la seule source de lumière artificielle utilisée par la population. C'est en effet seulement en 1879 qu'Edison proposa une lampe à incandescence, pratiquement utilisable, comportant un filament de carbone fonctionnant dans le vide. Cette lampe, dont l'efficacité lumineuse était de 2 à 3 lm/W pour une durée de vie de 600 à 800 h, donnait une lumière assez rougeâtre. Cette lumière n'était pas favorable à une bonne perception des couleurs. Il faut en effet noter qu'une propriété importante des lampes réside dans le rendu des couleurs qu'elles permettent. Disons simplement que pour permettre une bonne perception des couleurs une lampe doit présenter un spectre suffisamment riche dans les différentes régions du spectre. Article_Damelincourt.doc Page 15/18 Coolidge lança en 1911 la lampe à incandescence à filament de tungstène qui, améliorée en 1918 (utilisation de l'argon) puis 1936 (double puis triple spiralage du filament), conduisit aux lampes à incandescence actuelles. Ces lampes présentent une efficacité lumineuse de l'ordre de 12 à 14 lm/W pour une durée de vie de 1000 h et une température de couleur de 2700 à 2800 K. Dans les années 1960 un nouveau pas fut franchi avec la mise au point des premières lampes à incandescence à halogène (efficacité 16 à 22 lm/W, durée de vie 2000 h, température de couleur ≈ 3000 K). Ces sources, dont l'émission dans le visible est assez proche de celle d'un corps gris, sont, par nature, à ces températures, meilleur émetteur d'infrarouge que de lumière. Les premiers essais de lampes à décharge datent des expériences de Davy (1813), alors que la première réalisation d'éclairage public, basé sur la décharge, est sans doute due à Léon Foucault (éclairage de la place de la Concorde en 1844). Il faut en réalité attendre les années précédant la guerre 39-45 pour voir apparaître les premières lampes mercure haute pression vraiment efficaces en même temps qu'étaient utilisées en public les premières lampes fluorescentes. Le développement de l'utilisation des lampes à décharge, dans pratiquement tous les domaines de l'éclairage, date des années 60 qui virent l'apparition des lampes sodium haute pression puis des lampes à halogénures métalliques. Les lampes à décharge, qui laissent plus de liberté au concepteur, ont conduit à des efficacités lumineuses et à une variété de possibilités chromatiques bien supérieures à celles des lampes à incandescence. IV - Organiser la lumière Dans le champ des luminances, principale grandeur photométrique à laquelle l'oeil soit sensible, on peut généralement distinguer deux types de zones (Figure IV.1) : l'ergorama (ou les ergorama) qui correspond à la partie d'espace où s'effectue la tâche visuelle (lecture, recherche de défauts, etc…), le panorama qui est la zone de l'espace où le système visuel vient se détendre musculairement et en terme de charge mentale. Luminaire Plafond Mur focal Objet focal FenêtreTâches visuelles Mur focal Mur latéral PANORAMA ERGORAMA Sol Figure IV.1 : Les triades Ergorama, Panorama, Liaisons et Source, Objet, Système visuel Cette subdivision de l'espace, introduite surtout dans le cadre de l'ergonomie des locaux de travail, est en fait liée à la nature même du système visuel. Elle reste fort utile (avec des modifications qui peuvent être importantes) dans d'autres situations d'ambiances visuelles (éclairage commercial, éclairage urbain, éclairage routier….). En éclairage intérieur et en vision photopique, on considère que, pour l'ensemble de l'espace Article_Damelincourt.doc Page 16/18 visuel, un rapport 100 ne devrait jamais être dépassé entre les luminances les plus faibles et les luminances les plus fortes des surfaces matérielles. Dans l'ergorama il est souhaitable de ne pas dépasser une valeur comprise entre 10 et 15. Entre ces deux types de zones, des liaisons devront exister qui soient compatibles avec l'activité du système visuel dans chacune d'elles. Les compatibilités concernent aussi bien les rapports de luminances que les couleurs ou l'organisation de l'espace. Les liaisons souhaitables dépendent évidemment de l'activité exercée par l'individu et de la "pression extérieure" (ou niveau de demande) sous laquelle elle s'exerce (rythme, risque pour l'individu ou pour l'entreprise, etc…). La construction de l'ambiance visuelle devra donc prendre en compte les contraintes attachées à ces différents éléments, nécessité d'assurer la performance visuelle dans l'ergorama (ou les ergorama), prise en compte des équilibres de luminances entre ergorama et panorama comme entre éléments du panorama, choix d'une organisation de l'espace et d'une décoration compatibles avec l'activité exercée dans le local et dans l'entreprise. En vision mésopique, en conduite nocturne par exemple, on retrouvera, sous une forme peu différente, ces contraintes de performances et d'équilibre, de charge mentale et de vécu, qui sont des fondamentaux du traitement de l'espace visuel. Il sera toujours prudent de revenir, si nécessaire, aux propriétés du système visuel qui pondèrent les solutions possibles pour une situation donnée. Le tableau IV.1 tente de mettre en relation certaines de ces situations avec les propriétés du système d'éclairage. Tableau IV.1 Acuité dynamique Stéréoscopie Acuité statique Couleurs Ambiance Hygiène visuelle pas d'éblouissement Sentiment de sécurité Luminance Contraste Tcp, IRC, distribution spectrale. Tcp, IRC, distribution spectrale Contrôle spatial du flux lumineux Eclairage de la face (Ecl. Cylindrique) Rocades xxx x xxx Rues xx xx xx xx Centre ville xx xx xx xx xx Z. résidentielle x x xx x xxx Z. commerciale xx xxx xx xx xx Espace public xx xx xx x xx Illumination xxx xx xx xxx xx Musées xx xxx xxx xx xx Sport xxx x xx xxx xx Parking xx x xx x xxx Ainsi sur un éclairage de rocade où acuité dynamique et perception de la profondeur sont indispensables, on devra privilégier luminances et contrastes. Ce sont en effet ces grandeurs qui sont déterminantes pour la voie visuelle qui traite l'information sur le mouvement et la Article_Damelincourt.doc Page 17/18 profondeur stéréoscopique. Luminances et contrastes seront également déterminants pour les sports de balle. Au contraire, pour un travail graphique, dans un musée, une zone commerciale, les couleurs et les frontières de couleurs détectées statiquement prendront une très grande importance. En réalité les différents aspects cohabitent, mais revenir aux propriétés du système visuel permet de mieux comprendre la situation réelle d'une scène visuelle. V - Quelques références bibliographiques Vision et couleur - Les couleurs et leur perception visuelle, P.J. BOUMA, Dunod, Paris 1948 - Optique Physiologique, Yves Le GRAND, Editions de la revue d'optique, Paris, 1956 - Vision and Acquisition, Ian Overington, Pentech Press, London, 1976 - Méthode de mesure et de spécification des qualités de rendu des couleurs des sources de lumière, Publication n° 13-2 de la CIE, Paris, 1974 - Recommandations on uniform color spaces - color difference equations - psychometric color terms, Supplément n° 2 à la publication n° 15 de la CIE, Paris 1978 Color Measurement, David L. MAC ADAM, Springer-Verlag, Berlin, 1981 - La perception visuelle, sous la direction de C. BONNET, Pour la science, Belin, Paris 1984 - Jacques FILLACIER, la pratique de la couleur, Dunod, Paris, 1986 - Color and light in made-made environments, Frank and Rudolf H. MAHNKE, VNR, New York, 1987 - Imagerie et Télévision, Compléments de colorimétrie et illusions géométriques ; Alain PELAT, Ellipses, Editions Marketing, Paris 1989 - Les mécanismes de la vision, Pour la science, Belin, Paris 1989 - Vision des couleurs et colorimétrie trichromatique, Françoise VIENOT, Bull. liaison Lab. P. et Ch., 173, mai-juin 1991 - Vers une colorimétrie physiologique, Françoise VIENOT et Hans BRETTEL, L'onde Electrique, novembre-décembre, vol.17, n° 6/7, 1991 - Physique de la couleur, R. SEVE, Masson, Paris, 1996 - Neurologie Fonctionnelle, T IV Vision, Pierre BUSER, Michel IMBERT, Hermann, Paris, 1987 - Recommandations de l'AFE, 17 rue Hamelin – 75116 Paris - “Eclairage et espace visuel” Performances humaines et techniques : Ambiances physiques et travail, J.J. Damelincourt, 1999, n°99, pp. 19-26 - "Méthode de métrologie ergonomique des ambiances lumineuses au poste de travail" : Rapport au Club E.D.F. "Lumière et Vision" et Publication "GERACT", Dr CABROL, J. GASC, M.C. PONS, G. POTTIER, B. SERIEYS (IRACT), J.J. DAMELINCOURT (CPAT), E. BARTHES, J.L RICHARD (Centre de recherches de la Compagnie des Lampes). Article_Damelincourt.doc Page 18/18 Lampes - The High Pressure Mercury Vapor Discharge, Elenbass, North Holland Publishing Company, Amsterdam, 1951 - Electric Discharge Lamps, J. Waymouth, The M.I.T. Press, Cambridge, Massachusetts, 1971 - The High-Pressure Sodium Lamp, J. de Groot and J. van Vliet, Philips Technical Library, Kluwer Technische Boeken B.V., Deventer-Antwerpen, 1986 - Discharge Lamps, Chr Meyer and H. Nienhuis, Philips Technical Library, Kluwer Technische Boeken B.V., Deventer-Antwerpen, 1988 - L'arc électrique et ses applications, Editions du CNRS, PARIS 1984, T2 ch. XIII. "Les lampes à décharge et leur application comme sources de lumière" - 8th International Symposium on Incoherent Light Sources, 30 août-3 septembre 1998 Greifswald (Allemagne) Note: Une partie des figures présentées dans cet article a déjà été publiée dans "Lamps and Lighting", J.J. Damelincourt, Engineering Science et Education Journal, Octobre 2000, Vol 9, n°5, pp 196-202