Espace colorimétrique CIE 1931

Espace colorimétrique CIE 1931 – Système colorimétrique standard définissant les fonctions de correspondance des couleurs

Vue d’ensemble

L’espace colorimétrique CIE 1931, établi par la Commission Internationale de l’Éclairage (CIE) en 1931, est le fondement de la colorimétrie et de la science moderne des couleurs. Il fournit un moyen standardisé et quantitatif de décrire chaque couleur visible par l’œil humain moyen, reliant les propriétés physiques mesurables de la lumière à la perception visuelle humaine. Ce système est essentiel pour les industries exigeant une reproduction précise des couleurs, telles que la fabrication d’écrans, les peintures et revêtements, la conception d’éclairage, l’imagerie numérique, le textile et l’impression.

L’espace colorimétrique CIE 1931 repose sur le concept de valeurs tristimulus — X, Y et Z — dérivées d’un ensemble de fonctions de correspondance des couleurs qui modélisent la sensibilité colorée de l’observateur humain moyen. Il permet une spécification, une mesure et une reproduction précises des couleurs, indépendamment du dispositif, et constitue la base des systèmes et normes colorimétriques ultérieurs.

Contexte historique

Avant le XXe siècle, la couleur était principalement décrite en termes subjectifs ou qualitatifs. Dans les années 1920, les expériences de W. D. Wright et J. Guild ont mesuré la façon dont les observateurs humains faisaient correspondre des lumières monochromatiques à l’aide de mélanges de trois primaires. La CIE a synthétisé ces données empiriques pour définir un observateur standard et un espace colorimétrique mathématique, assurant la reproductibilité et l’universalité.

Étapes clés :

• Années 1920 : Expériences de correspondance des couleurs de Wright et Guild.
• 1931 : Publication par la CIE des fonctions de correspondance des couleurs RGB et XYZ et établissement de l’espace colorimétrique CIE 1931.
• Décennies suivantes : Adoption du CIE 1931 comme fondement international pour la mesure et la communication des couleurs.

Fonctions de correspondance des couleurs (CMFs)

Les fonctions de correspondance des couleurs (CMFs) décrivent la quantité de chacune des trois primaires imaginaires nécessaire pour égaler toute longueur d’onde visible, selon la vision humaine moyenne. L’ensemble le plus utilisé est celui des fonctions de correspondance des couleurs CIE 1931 XYZ — x̅(λ), y̅(λ), z̅(λ) — tabulées tous les 1 nm sur le spectre visible (360–830 nm).

• x̅(λ) : Liée à la sensibilité au rouge.
• y̅(λ) : Correspond à la perception humaine de la luminosité (efficacité lumineuse).
• z̅(λ) : Liée à la sensibilité au bleu.

Ces fonctions sont le fondement mathématique de tous les calculs colorimétriques ultérieurs, garantissant que toutes les couleurs visibles peuvent être décrites par des valeurs positives — essentiel pour la mesure pratique des couleurs.

Valeurs tristimulus (X, Y, Z)

Les valeurs tristimulus (X, Y, Z) spécifient numériquement un stimulus coloré :

• X : Réponse liée au rouge.
• Y : Réponse liée au vert, correspondant aussi à la luminance (luminosité).
• Z : Réponse liée au bleu.

Elles se calculent comme suit :

X = k ∫ S(λ) x̅(λ) dλ
Y = k ∫ S(λ) y̅(λ) dλ
Z = k ∫ S(λ) z̅(λ) dλ

où :

• S(λ) est la distribution spectrale de la source lumineuse ou de l’objet.
• k est une constante de normalisation.
• x̅(λ), y̅(λ), z̅(λ) sont les fonctions de correspondance des couleurs CIE.

Y est particulièrement importante car elle représente la luminance — directement liée à la luminosité perçue de la couleur.

Coordonnées de chromaticité (x, y, z)

Pour décrire la couleur indépendamment de la luminosité, on dérive les coordonnées de chromaticité à partir de XYZ :

• x = X / (X + Y + Z)
• y = Y / (X + Y + Z)
• z = Z / (X + Y + Z) = 1 – x – y

En pratique, seules x et y sont nécessaires, z étant déterminée par les deux autres.

Le diagramme de chromaticité CIE 1931

Le diagramme de chromaticité CIE 1931 (x, y) est une représentation en deux dimensions de toutes les teintes et saturations perceptibles pour l’observateur standard. Points clés :

• Locus spectral : Bordure courbe extérieure représentant les couleurs monochromatiques (d’une seule longueur d’onde).
• Ligne des pourpres : Bord droit reliant les extrémités du locus spectral ; représente les pourpres non spectraux.
• Intérieur : Toutes les couleurs physiquement réalisables, y compris celles obtenues par mélange de lumières spectrales.

Le diagramme est indispensable pour :

• Visualiser la gamme des dispositifs (ex. : triangle formé par les primaires RVB d’un écran).
• Évaluer les différences et relations de couleurs.
• Spécifier les normes d’éclairage et de couleur.

Locus spectral

Le locus spectral trace les coordonnées de chromaticité des couleurs spectrales pures (d’environ 380 nm à 700 nm). Il définit la limite du diagramme de chromaticité, avec les couleurs les plus saturées à chaque longueur d’onde. La ligne droite des pourpres relie les extrémités du locus (violet et rouge), englobant toutes les chromaticités perceptibles.

Observateur colorimétrique standard CIE

L’observateur standard CIE 1931 de 2° représente la capacité moyenne de correspondance des couleurs d’un humain typique observant un champ de vision de 2° (rétine centrale). Cela est complété par l’observateur CIE 1964 de 10°, tenant compte d’un champ de vision plus large.

Les deux sont définis par des tables publiées de fonctions de correspondance XYZ et sont essentiels pour la normalisation des mesures colorimétriques dans l’industrie.

Fonction d’efficacité lumineuse V(λ)

V(λ) est la courbe standard d’efficacité lumineuse photopique (vision diurne), avec un maximum à 555 nm (vert). La fonction CIE 1931 y̅(λ) correspond à V(λ), de sorte que la valeur Y du tristimulus correspond à la luminosité perçue (luminance), mesurée en candelas par mètre carré (cd/m²).

Métamérisme

Le métamérisme se produit lorsque deux distributions spectrales différentes produisent la même sensation colorée pour un observateur sous un illuminant donné. De tels couples sont appelés métamères. Bien que fondamental pour l’appariement pratique des couleurs (ex. : imprimerie ou teinture textile), le métamérisme peut entraîner des échecs d’appariement si l’éclairage ou l’observateur change — on parle alors de défaillance métamérique.

Couleurs primaires en colorimétrie

En CIE 1931, les primaires sont des constructions mathématiques, non des lumières physiquement réalisables :

• Les primaires RGB originales (rouge 700 nm, vert 546,1 nm, bleu 435,8 nm) ont été utilisées lors des expériences.
• Les primaires XYZ sont imaginaires mais garantissent que toutes les couleurs visibles peuvent être représentées par des valeurs positives.

Illuminants standards

Les illuminants standards sont des sources lumineuses de référence à distribution spectrale connue, assurant la cohérence des mesures de couleur :

• Illuminant A : Simule la lumière incandescente (~2856 K).
• Illuminant D65 : Représente la lumière du jour moyenne (~6504 K).

Ils sont essentiels pour des spécifications de couleur reproductibles et significatives.

Distribution spectrale de puissance (SPD)

Une SPD décrit l’intensité lumineuse pour chaque longueur d’onde. Elle est fondamentale pour calculer l’apparence d’une source ou d’un objet, car la SPD, les fonctions de l’observateur standard et l’illuminant standard déterminent les coordonnées colorimétriques résultantes.

Mélange additif des couleurs

Le mélange additif (utilisé dans les écrans, projecteurs, etc.) consiste à combiner des lumières de différentes longueurs d’onde. Le modèle CIE 1931 est intrinsèquement additif, car les valeurs tristimulus représentent les quantités de primaires nécessaires pour reproduire une couleur.

Espace colorimétrique

Un espace colorimétrique est un modèle décrivant un ensemble de couleurs (gamme). Le CIE 1931 XYZ est la référence ; d’autres espaces (sRGB, Adobe RGB, CIELAB) en sont dérivés pour des dispositifs spécifiques ou l’uniformité perceptuelle.

Luminance

La luminance est la luminosité perçue, représentée par la valeur Y dans l’espace CIE 1931. C’est un paramètre clé en éclairage, étalonnage d’écrans et ergonomie visuelle.

Illuminant

Un illuminant est toute source lumineuse caractérisée par sa SPD. Les illuminants standards comme D65 sont utilisés pour une évaluation et un étalonnage cohérents des couleurs.

Formules de différence de couleur (ΔE*)

Le ΔE* quantifie la différence perceptuelle entre deux couleurs, généralement via l’espace CIELAB. Des corrections (CIE94, CIEDE2000) améliorent la précision pour les non-uniformités de la vision humaine.

Gammes de couleurs des dispositifs et mise en correspondance des gammes

La gamme de couleurs d’un dispositif est le sous-ensemble de couleurs qu’il peut reproduire. Sur le diagramme de chromaticité CIE, les gammes sont souvent représentées par des triangles (pour les écrans RVB). La mise en correspondance des gammes assure la reproduction cohérente des couleurs entre dispositifs aux gammes différentes.

Indice de rendu des couleurs (IRC) et température de couleur corrélée (TCC)

• IRC : Mesure la fidélité avec laquelle une source lumineuse restitue les couleurs par rapport à une référence.
• TCC : Spécifie l’apparence colorée d’une source lumineuse, en la comparant à un corps noir à une température donnée.

Ces métriques sont calculées via le système CIE 1931 et sont essentielles pour la conception et la spécification de l’éclairage.

Variabilité de l’observateur et défaillance métamérique

Les différences individuelles de sensibilité des cônes, de santé oculaire et de vieillissement entraînent des variations de perception des couleurs. Ainsi, les correspondances basées sur l’observateur standard peuvent ne pas être parfaites pour tous ou sous tous les éclairages, donnant lieu au métamérisme d’observateur et au métamérisme d’illuminant.

Transformations vers d’autres espaces colorimétriques

XYZ sert de référence universelle. Les espaces spécifiques aux dispositifs (ex. : sRGB) sont des transformations matricielles de XYZ ; les espaces perceptuellement uniformes (CIELAB, CIELUV) sont des transformations non linéaires conçues pour l’uniformité visuelle.

Instruments de mesure : colorimètres et spectroradiomètres

• Colorimètres : Utilisent des filtres pour simuler l’observateur standard et mesurer rapidement les valeurs tristimulus.
• Spectroradiomètres : Mesurent la SPD complète pour une analyse colorimétrique précise et flexible.

Les deux sont essentiels pour le contrôle qualité des couleurs, l’étalonnage des écrans et la spécification de l’éclairage.

Applications et impact

L’espace colorimétrique CIE 1931 est indispensable pour :

• Étalonnage d’écrans : Assurer une reproduction cohérente des couleurs sur tous les écrans.
• Conception d’éclairage : Spécifier la température de couleur, le rendu et la luminosité.
• Industrie : Garantir la cohérence des couleurs dans le textile, les plastiques, les peintures et l’impression.
• Imagerie numérique : Fonder les systèmes et flux de gestion des couleurs.
• Recherche : Offrir un langage commun pour la science des couleurs, la vision et la psychophysique.

Résumé

L’espace colorimétrique CIE 1931 est la norme internationale pour décrire, mesurer et communiquer la couleur telle que perçue par l’humain. Grâce à des fonctions de correspondance des couleurs, des valeurs tristimulus et des coordonnées de chromaticité définies mathématiquement, il permet une spécification précise et reproductible des couleurs en science, ingénierie et industrie.

Que ce soit pour étalonner un écran, spécifier une source lumineuse ou accorder des peintures, le système CIE 1931 est la référence universelle pour la mesure colorimétrique objective et indépendante du dispositif.

Pour aller plus loin

• Site officiel de la CIE
• Wikipédia – Espace colorimétrique CIE 1931
• Color and Vision Research Laboratory – Fonctions de correspondance des couleurs CIE
• Understanding Color – Bruce Lindbloom

Voir aussi

• Colorimétrie
• Espace colorimétrique CIELAB
• Illuminants standards
• Métamérisme (couleur)

Mots-clés : CIE 1931, espace colorimétrique, diagramme de chromaticité, fonctions de correspondance des couleurs, valeurs tristimulus, luminance, métamérisme, différence de couleur, illuminant standard, science des couleurs, photométrie, colorimétrie, XYZ, gamme de couleurs.