Couleurs : une faille dans l'invisible

Une histoire de spectre

Indispensable au vivant, la lumière, fait partie de la grande famille des ondes électromagnétiques. Elles ont la particularité de se déplacer toutes en milieu homogène avec la même célérité. Dans le vide, la vitesse de phase d’une onde électromagnétique est égale à une constante "c" qui est la vitesse de la lumière. On compte plusieurs sortes d'ondes, classées selon leur fréquence ou leur longueur d'ondes, exprimée en nanomètre (1 nm ₌ 1 milliardième de mètre) ou encore en micromètres (µm). Mais la lumière est la seule d'entre elles qui puisse se rendre visible lorsqu'elle rencontre la matière. Ce "visible" se situe approximativement entre 400 et 800 nm. En se focalisant sur cette étroite zone, on découvre toute l'étendue du spectre visible, résultant de la décomposition de la lumière blanche (phénomène de l'arc-en-ciel obtenu avec un prisme).

Pigments/AneArtiste.com

La lumière se compose de particules appelées photons, et chaque photon est un peu plus qu'une particule, puisqu'il se comporte aussi comme une onde (Le photon n’est d'ailleurs pas uniquement associé à la lumière, mais à toutes les ondes électromagnétiques). La lumière et par extension les ondes électromagnétiques ont donc un double comportement. On parle de dualité onde/particule ou dualité onde/corpuscule. De manière générale, les objets dont la taille est typiquement celle de l’atome ou en dessous présenteront systématiquement cette dualité, ou superposition d'état, démontrée par la mécanique quantique (La physique quantique classe le photon dans la catégorie des bosons). C'est pourquoi la lumière présente toutes les propriétés d'une onde, et notamment les propriétés d'interférence et de diffraction, bien qu'elle soit composée de particules. Chaque photon (grain de lumière) possède une longueur d'onde (et donc une couleur) qui lui est propre, et la répartition des longueurs d'onde d'un rayonnement détermine ainsi son spectre coloré.

Graphique/Longueurs d'ondes

« Ce n'est pas la lumière qui manque à notre regard, c'est notre regard qui manque de lumière. »
—Gustave Thibon

La part visible d'une énergie invisible

Les longueurs d'onde plus courtes correspondent à des couleurs plus énergétiques, tandis que les longueurs d'onde plus longues correspondent à des couleurs moins énergétiques. La lumière interagit perpétuellement avec la matière. Elle peut-être : émise, déviée (diffraction, halo), réfléchie ou absorbée. L'absorption de la lumière est un phénomène optique au cours duquel l'énergie lumineuse ou électromagnétique est absorbée par une substance quelconque. Dans ce cas, elle peut être convertie en énergie thermique ou chimique, la matière peut alors parfois émettre à son tour de la lumière comme dans le cas de la fluorescence ou de la phosphorescence.

Dans la majeure partie des cas, une partie de la lumière rebondit à la surface de la matière sans la pénétrer, nous permettant de voir les objets. Un corps blanc n’absorbe aucune lumière, il paraît blanc parce qu'il renvoie la totalité du spectre lumineux. Un corps qui paraît noir, même quand on l'éclaire, absorbe toute la lumière qui lui parvient, et n'en émet donc aucune (en revanche, il accumule de la chaleur). Un corps éclairé en lumière blanche paraît bleu parce qu'il absorbe toutes les autres couleurs, mais ne réfléchit que celle-ci, et ainsi de suite. De manière plus générale, un objet ne peut renvoyer que les radiations qui constituent "sa couleur"… À gauche du spectre, "En deça" du violet, on trouve les ultraviolets, soient les longueurs d’ondes lumineuses inférieures à 380 nm. "au-delà" du spectre se trouvent les infrarouges, de "plus basse" fréquence que le rouge, se situant dans le spectre lumineux à des longueurs d'ondes supérieures à 780 nanomètres (nm).

'Resonance’ Installation/VAVE Studio

« Je connais l'étrange variété du noir qui a nom lumière. »
—Eugène Guillevic

Théorie et illusion

Les choses se compliquent lorsqu'on utilise des sources de lumière colorées différentes. Contrairement au travail de la couleur à base de pigments, le mélange des couleurs "lumière" fonctionne selon le principe de la synthèse additive. La somme des couleurs primaires (rouge, vert et bleu dans ce cas) restitue la totalité du prisme lumineux, c'est-à-dire la lumière "blanche". Si l'on additionne seulement des lumières rouge et verte, on obtient du jaune. Du bleu ajouté à du vert donne du cyan. Dans l'autre cas, on parle de synthèse soustractive : la somme des couleurs primaires en peinture (il s'agit alors du cyan, du magenta et du jaune) tend théoriquement vers le noir. Si l'on considère l'image ci-dessus, on remarque des ombres colorées. L'explication tient au fait que les sources lumineuses sont disjointes ; l'ombre portée par la lumière rouge empêche celle-ci d'atteindre la surface de l'écran, la couleur de cette ombre est donc le résultat du mélange des deux autres couleurs : le cyan, obtenu par l'adjonction du vert et du bleu. De la même manière, l'ombre portée par la source de lumière verte apparaît de couleur rouge ou rose, puisque seules les lumières rouge et bleu atteignent la surface de réception.

Dans l'observation de la nature, on peut également percevoir des ombres colorées. Ce nouveau cas de figure est totalement différent de celui qui précède. La coloration complémentaire ressentie n’est pas présente dans la composition spectrale de la lumière renvoyée, mais elle est induite par notre système visuel, selon le principe du contraste simultané. Autrement dit, les ombres colorées ne sont pas un phénomène physique, mais physio-psychologique. Cette sensation dépendrait des mécanismes neuronaux localisés au niveau de la rétine : la sensibilité de chaque famille de cône décroît quand l’intensité de la stimulation sur la totalité de la rétine augmente. On peut résumer cela à l'aide de l'exemple suivant : un fond coloré jaune (synthèse additive du rouge et du vert) suffisamment étendu, en stimulant intensément un grand nombre de cônes correspondants, baisse la sensibilité de ceux-ci dans la rétine. De la sorte, les cônes bleus seront, en réaction, plus sensibles en valeur relative, ce qui explique l'implication de la couleur complémentaire bleu dans la perception des ombres. On peut vérifier ce fait par l'observation directe en se souvenant que la complémentaire d'une couleur est celle qui lui est diamétralement opposée sur le cercle chromatique.

Cathédrale, détail/Claude Monet

« Tandis que vous cherchez philosophiquement le monde en soi, j'exerce simplement mon effort sur un maximum d'apparences, en étroites corrélations avec des réalités inconnues. »
—Claude Monet

Dans l'imprimerie, la restitution des couleurs soulève une autre problématique. Matériellement, ce qui fait varier la couleur, c’est la concentration (et donc la dilution) de chaque primaire constituant le mélange (modèle soustractif CMYK). Or techniquement, aux cadences rapides de l'impression industrielle, on ne sait pas faire varier localement la concentration des encres. On pallie donc cet obstacle, en diluant "optiquement" les couleurs de base par l'intermédiaire de trame spécifique à chacune des quatre couleurs. La superposition des tramages, réinterprétée par notre cerveau comme un agencement de plages uniformes, contribue à créer l'illusion d'une image classique. Cette illusion repose sur la règle du mélange optique chère aux pointillistes de la fin du XIXe siècle.

Ce principe s'appuie sur la découverte du chimiste Michel-Eugène Chevreul (auteur en 1839, le d’un essai intitulé « De la loi du contraste simultané des couleurs ») fondée sur le constat que la juxtaposition de couleurs dites complémentaires (rouge et vert, violet et jaune, orangé et bleu par exemple) accentue leurs différences et contribue ainsi à l'intensité de la vibration chromatique. Cette méthode va être appliquée de manière quasi-systématique par ces adeptes du "divisionnisme" (Camille Pissaro, Georges Seurat, Paul Signac, Maximilien Luce…). En imprimerie industrielle, le mélange visuel créé par l'organisation des quatre trames colorées tient à la fois de la synthèse soustractive, par le filtrage des encres, et de la synthèse additive, par l'addition de taches colorées observées à distance. De ces effets conjoints, l’observation de la combinaison de ces milliers de petits points de diverses couleurs permet à l’œil de reconstituer naturellement l’unité des tons et de restituer la vibration lumineuse avec une grande précision.

Mélange optique/Quadrichromie

« C'est l'oeil de l'ignorance qui assigne une couleur fixe et immuable à chaque objet; méfiez-vous de cette pierre d'achoppement. »
—Paul Gauguin

Un peu d'arithmétique…

Sur écran, les couleurs sont élaborées selon le principe de la synthèse additive. Les pixels de l'écran sont composés de trois petits émetteurs (appelés sous-pixel) correspondant aux 3 primaires dédiées (modèle RVB). En faisant varier l'intensité de ces sources lumineuses, on peut créer quasiment toutes les sensations colorées visible par notre œil. Chaque couleur est codée ici par une série de trois nombres entiers (ou deux caractères pour la traduction en hexadécimal), paramétrant la quantité de lumière relative à chacune. Chacun de ces trois nombres varie entre 0 et 255, ce qui fait 256 niveaux de réglage pour chacune des trois couleurs primaires propres à chaque pixel, donc au total 256 x 256 x 256 (₌ 16 777 216) soit plus de 16 millions de combinaisons différentes. Ce qui est largement suffisant, car c'est plus que le nombre de nuances colorées que l'œil humain serait capable de discerner. Dans GIMP, les couleurs sont codées en Hexadécimal, un système de numération à base seize. Ce système ajoute les quatre lettres A, B, C, D, E et F aux chiffres du système décimal (de 0 à 9) pour obtenir le nombre de caractères nécessaires. De tête, la conversion des valeurs décimales en hexadécimales peut se faire sans grande difficulté.

Pixels écran/AneArtiste.com

Supposons que nous voulions convertir la valeur 175. On divise mentalement, 175 par 16. On obtient 10 et il nous reste 15. 10 est égal à A (onzième caractère de la suite hexadécimale). 15 est égal à F (seizième caractère de la suite hexadécimale). Le nombre 175, traduit en code hexadécimal donne donc AF. Il suffit de recommencer pour les deux paramètres suivants. Dans le cas d'une teinte d'un rose soutenu codé 175 018 126, on trouve : AF127E. Ce codage a pour lui les avantages de la portabilité, il est plus difficile de trouver une application qui ne le supporte pas que l’inverse. En revanche, si l'on veut augmenter la luminosité de #af127e de 1%, le code hexadécimal correspondant sera #b21881. Rien à voir et pas vraiment intuitif.

Il existe une deuxième façon de coder les couleurs, il s'agit du système LCh. Le L correspond à lightness (luminosité), le C à chroma (saturation), et le h correspond à hue (tonalité). Le codage LCh se base sur le disque chromatique : la tonalité 0° c’est rouge, 360° aussi. Lorsqu'on a l'organisation de la roue chromatique en tête, il est assez intuitif de cibler une couleur particulière. On peut facilement mémoriser la suite : 60°₌ jaune ; 120°₌ vert ; 180°₌ cyan ; 240°₌ bleu ; 300°₌ magenta. Une fois la teinte définie, il ne reste qu'à régler la saturation et la luminosité pour obtenir la couleur souhaitée. L'autre avantage du code LCh est qu'il est très simple de le décliner pour trouver par exemple la complémentaire (il suffit d'ajouter ou de retirer 180°), pour les complémentaires adjacentes, on visera ± 120° et 240°. Le logiciel GIMP propose aussi d'accéder au modèle alternatif TSV (Teinte/Saturation/Valeur). Dans ce système, la réduction de la saturation est sensiblement différente. L'effet produit est similaire à ce que l’on obtient en rajoutant du blanc dans une couleur. Baisser la valeur produit un effet similaire à ce que l’on obtient en ajoutant du noir. Les deux options (LCh/TSV) sont complémentaires.