Introduction to the Primary Colors

Les trois couleurs primaires de la lumière sont considérées comme étant le rouge, le bleu et le vert, car elles jouent un rôle fondamental dans la perception de l’œil humain. Dans cet article, nous expliquons comment l’œil humain traite la couleur, le spectre de la lumière visible, la différence entre les couleurs primaires additives et les couleurs primaires soustractives, et comment les couleurs primaires sont utilisées dans des applications concrètes.

Que sont les couleurs primaires ?

La lumière du soleil est composée d’un spectre presque continu de rayonnement électromagnétique, la plupart de l’énergie étant concentrée dans des longueurs d’onde comprises entre 220 et 3 200 nanomètres. Lorsqu’elles traversent l’atmosphère terrestre, la majorité des ondes lumineuses supérieures à 2 000 nanomètres (longueurs d’onde du rayonnement infrarouge) sont absorbées par le dioxyde de carbone, la vapeur d’eau et l’ozone, de sorte que la plupart n’atteignent jamais le sol. Les ondes ultraviolettes plus courtes sont également absorbées par la couche d’ozone. En raison de cet effet de filtrage de l’atmosphère, le spectre des ondes lumineuses qui atteignent le sol se limite à celles dont la longueur d’onde est comprise entre 320 et 2 000 nanomètres.

L’œil humain est sensible à une bande étroite de rayonnement électromagnétique située dans la gamme de longueurs d’onde comprise entre 400 et 700 nanomètres, communément appelée spectre de la lumière visible, et qui constitue la seule source de couleur. Lorsqu’elles sont combinées, toutes les longueurs d’onde présentes dans la lumière visible, soit un tiers environ de la distribution spectrale totale qui parvient à traverser l’atmosphère terrestre, forment une lumière blanche incolore qui peut être réfractée et dispersée dans les couleurs qui la composent à l’aide d’un prisme. Le rouge, le vert et le bleu sont généralement considérées comme les couleurs primaires, car elles jouent un rôle fondamental dans la perception de l’œil humain.

Couleurs primaires additives

L’œil contient des photorécepteurs à cellules coniques (voir figure 1) intégrés dans la fovéa de la rétine, qui sont conçus pour réagir aux longueurs d’onde réparties dans ces trois régions (rouge, vert et bleu) grâce à des protéines pigmentaires spécialisées. Toutes les couleurs du spectre de la lumière visible, allant du violet au rouge, peuvent être produites en additionnant ou en soustrayant diverses combinaisons des trois couleurs primaires. La lumière est perçue comme blanche par l’homme lorsque les trois types de cellules coniques sont stimulés simultanément par des quantités égales de lumière rouge, verte et bleue. L’addition de ces trois couleurs produisant de la lumière blanche, les couleurs rouge, verte et bleue sont appelées des couleurs primaires additives.

Comment l’œil humain perçoit les couleurs

Lorsque seuls un ou deux types de cônes sont stimulés, la gamme de couleurs perçues est limitée. Par exemple, si une bande étroite de lumière verte (540 à 550 nanomètres) est utilisée pour stimuler tous les cônes, seules ceux qui contiennent des photorécepteurs au vert réagiront et produiront un signal de perception de la couleur verte. La perception humaine des couleurs additives non primaires, comme le jaune, peut se faire de deux manières. Si les cônes sensibles au rouge et au verte sont stimulés simultanément par une lumière jaune monochrome d’une longueur d’onde de 580 nanomètres, les récepteurs des cônes réagissent de manière presque égale, car le chevauchement de leur spectre d’absorption est plus ou moins le même dans cette région du spectre de la lumière visible. Le même signal de couleur peut être obtenu en stimulant individuellement les cônes sensibles au rouge et au vert avec un mélange de longueurs d’onde rouges et vertes distinctes sélectionnées dans certaines régions des spectres d’absorption des récepteurs qui ne présentent pas un chevauchement important. Dans les deux cas, il en résulte une stimulation simultanée des cônes sensibles au rouge et au verte produisant un signal de couleur jaune, même si le résultat est atteint par deux mécanismes différents. La capacité de percevoir d’autres couleurs nécessite la stimulation d’un, de deux ou des trois types de cône selon un degré variable avec la palette de longueurs d’onde appropriée.

Couleurs complémentaires

Si des portions égales de lumière verte et bleue sont additionnées, la couleur obtenue est appelée cyan. De même, des portions égales de lumière verte et rouge produisent du jaune, et des portions égales de lumière rouge et bleue produisent du magenta. Le cyan, le magenta et le jaune sont communément appelées couleurs complémentaires, car chacune d’elles complète l’une des couleurs primaires dans un mélange de lumière blanche. Le jaune (rouge plus vert) est le complément du bleu, car l’addition de ces deux couleurs produit une lumière blanche. De même, le cyan (vert plus bleu) est le complément du rouge, et le magenta (rouge plus bleu) est le complément de la lumière verte.

Couleurs primaires soustractives

Les couleurs complémentaires (cyan, jaune et magenta) sont également communément appelées couleurs primaires soustractives, car chacune d’elles peut être produite en soustrayant l’une des couleurs primaires additives (rouge, vert et bleu) de la lumière blanche. Par exemple, on obtient de la lumière jaune lorsque toute la lumière bleue est soustraite de la lumière blanche, le magenta s’obtient en soustrayant le vert, et le cyan en soustrayant le rouge. La couleur observée en soustrayant une couleur primaire de la lumière blanche s’explique par le fait que le cerveau additionne les couleurs restantes pour produire la couleur complémentaire ou soustractive correspondante. La figure 2 représente les cercles de couleur superposés des couleurs primaires additives et soustractives. Les zones de chevauchement représentent les nouvelles couleurs qui sont produites par l’addition et la soustraction de diverses combinaisons utilisant ces six couleurs primaires et montrent également de quelle façon les couleurs primaires additives et soustractives se complètent.

Lorsque deux couleurs primaires soustractives sont additionnées, elles produisent une couleur primaire additive. Par exemple, l’addition de magenta et de cyan produit du bleu, tandis que l’addition de jaune et de magenta produit du rouge. De la même manière, l’addition de jaune et de cyan produit du vert (voir la figure 2). Lorsque les trois couleurs primaires soustractives sont additionnées, les trois couleurs primaires additives sont soustraites de la lumière blanche ne laissant que du noir (absence de toute couleur). Il est impossible de produire du blanc en combinant les couleurs primaires soustractives, ce qui explique pourquoi aucun mélange de peintures ou d’encres colorées ne peut être utilisé pour imprimer en blanc.

Addition et soustraction de couleur

Les variations observées au niveau de la couleur de la lumière du soleil entre le moment où il se lève et se couche constituent un bon exemple d’addition et de soustraction de couleurs. La couleur de la lumière du soleil change lorsqu’elle traverse l’atmosphère terrestre, car la collision des photons avec les densités variables des molécules d’air élimine certaines des couleurs. Lorsque le soleil est haut dans le ciel en fin de matinée et en début d’après-midi, la lumière paraît jaune. À mesure que le soleil approche de l’horizon, la lumière doit traverser une plus grande partie de l’atmosphère et commence à devenir orange, puis rouge. Cela s’explique par le fait que l’air absorbe une quantité croissante de lumière bleue du soleil, ne laissant que les longueurs d’onde les plus longues dans la région rouge du spectre de la lumière visible.

Variation des couleurs en fonction de l’éclairage

La série de photographies présentée dans la figure 3 comprend les images d’une carte à jouer (le 3 de cœur), d’un poivron vert et d’une grappe de raisins bleu violet superposés sur un fond noir. Sur la photographie de gauche (figure 3[a]), les trois objets sont éclairés par une lumière blanche et se présentent tels que nous les attendons sous un éclairage naturel. Sur la deuxième photographie (figure 3[b]), les objets sont éclairés par une lumière rouge. Notez que la carte à jouer reflète toute la lumière rouge qui la touche, alors que seule la tige de la grappe de raisin et les reflets blancs du raisin et du poivron la reflètent. La majorité de la lumière rouge qui touche le raisin et le poivron est absorbée.

La troisième photographie de la série (figure 3[c]) représente les objets éclairés par une lumière verte. Les symboles sur la carte à jouer sont maintenant noirs, et le corps de la carte reflète une lumière verte. Le raisin reflète une légère lumière verte, tandis que le poivron paraît normal (mais avec des reflets verts). La quatrième photographie (figure 3[d]) représente les objets sous un éclairage bleu. La grappe de raisin paraît normale avec des reflets bleus, mais la tige est devenue noire et est désormais invisible. La carte à jouer reflète une lumière bleue avec des symboles noirs, et le poivron ne reflète une lumière bleue qu’au niveau des points saillants. Cette série d’images illustre de quelle façon un objet qui apparaît rouge (par exemple, sous une lumière blanche) absorbe les longueurs d’onde bleues et vertes, mais reflète les longueurs d’onde dans la région rouge du spectre. L’objet est ainsi perçu comme étant rouge.

Teinte, saturation et luminosité

L’œil humain est sensible aux très légères différences de couleur et est vraisemblablement capable de distinguer entre 8 et 12 millions de nuances individuelles. La plupart des couleurs contiennent une certaine proportion de toutes les longueurs d’onde du spectre visible. La distribution des longueurs d’onde dans une couleur donnée est la seule chose qui varie réellement d’une couleur à l’autre. La palette de longueurs d’onde prédominantes détermine la teinte de base de la couleur (violet, bleu sarcelle, beige, rose ou orange). Le rapport entre les longueurs d’onde dominantes et les autres longueurs d’onde détermine la saturation de la couleur de l’échantillon et s’il apparaît pâle ou profondément saturé. L’intensité de la couleur et la réflectivité de l’objet photographié déterminent la luminosité de la couleur (bleu foncé ou clair, par exemple). Ce principe est parfaitement illustré ci-dessous dans le nuancier de Munsell, où chaque couleur est représentée par une position distincte sur l’arbre (voir figure 4). La valeur de la couleur est représentée par sa position sur la circonférence, la saturation par la distance horizontale de la couleur par rapport à l’axe central, et la luminosité par sa position verticale sur le tronc.

Soustraction de couleurs

Une grande partie de cette discussion a porté sur les propriétés de la lumière visible en ce qui concerne l’addition et la soustraction de la lumière visible transmise qui peut être visualisée sur l’écran d’un ordinateur ou d’une télévision. Cependant, l’essentiel de ce qui est en fait observé correspond à la lumière réfléchie par les objets qui nous entourent, tels que les autres individus, les bâtiments, les voitures, les paysages, etc. Ces objets ne produisent pas de lumière par eux-mêmes, mais émettent de la couleur par un processus connu sous le nom de soustraction de couleurs, par lequel certaines longueurs d’onde de la lumière sont soustraites (absorbées), et d’autres sont réfléchies (comme illustré dans la figure 3). Par exemple, une feuille verte apparaît de cette couleur sous la lumière naturelle du soleil parce qu’elle reflète les longueurs d’onde vertes et absorbe toutes les autres couleurs. La teinte, la luminosité et la saturation de la lumière verte réfléchie sont déterminées par le spectre exact des longueurs d’onde réfléchies.

Couleurs primaires dans le monde réel

Les pigments et les colorants sont responsables de la plupart des couleurs que nous percevons dans le monde réel. Les yeux, la peau et les cheveux contiennent des pigments protéiques naturels qui reflètent les couleurs qu nous perçevons chez les personnes qui nous entourent (en plus de toute contribution apportée par le maquillage sur le visage et les teintures capillaires). Les livres, les magazines, les panneaux et les affiches sont imprimés avec des encres qui créent des teintes par le biais du processus de soustraction des couleurs. De même, les automobiles, les avions, les maisons et autres bâtiments sont recouverts de peintures contenant divers pigments. Comme évoqué plus haut, le concept de soustraction de couleurs est à l’origine de la plupart des couleurs produites par les objets que nous venons de décrire. Depuis de nombreuses années, les artistes et les imprimeurs recherchent des substances contenant des colorants et des pigments particulièrement efficaces pour soustraire des couleurs spécifiques.

Impression à partir des couleurs primaires

Toutes les photographies en couleur, ainsi que les autres images peintes ou imprimées, sont produites à l’aide de quatre encres ou colorants : le magenta, le cyan, le jaune (les couleurs primaires soustractives) et le noir (voir la figure 5). Le mélange d’encres ou de colorants comportant ces couleurs dans des proportions variables permet d’obtenir les couleurs nécessaires à la reproduction de pratiquement n’importe quelle image ou couleur. Si les trois couleurs primaires soustractives peuvent (en théorie) être utilisées seules, les limites de la plupart des colorants et des pigments nécessitent d’ajouter du noir pour obtenir de véritables tons de couleur. Lorsqu’une image est préparée pour être imprimée dans un livre ou un magazine, elle est d’abord décomposée en ses composantes primaires soustractives, soit photographiquement, soit à l’aide d’un ordinateur, comme illustré ci-dessus dans la figure 5. Chaque composante est transformée en film utilisé pour préparer une plaque d’impression spécifique à cette couleur. L’image finale est créée en imprimant les couleurs de manière séquentielle l’une sur l’autre au moyen de chaque plaque de couleur avec l’encre appropriée pour former un composite qui recrée l’apparence de l’original. La peinture est également produite d’une manière assez similaire. Les pigments de base contenant les couleurs primaires soustractives sont mélangés pour former les différentes couleurs utilisées dans les peintures finales.

Utilisation des couleurs primaires dans les microscopes et les appareils photo

Cette discussion a couvert les différents aspects des couleurs primaires additives et soustractives. Dans le cadre de l’utilisation d’un microscope pour visualiser et prendre des images en couleur, les concepts de couleurs primaires additives et soustractives sont très importants. Les sources de lumière des microscopes peuvent émettre une lumière vive dont la température de couleur peut varier de 3 200 à 5 500 K, selon le type de source de lumière. La lumière émise apparaît comme une lumière blanche qui peut être absorbée, réfractée, réfléchie, polarisée et/ou transmise par un échantillon sur la platine du microscope. Les règles des couleurs primaires s’appliquent en fonction de la façon dont l’échantillon interagit avec la lumière du microscope et déterminent les couleurs que l’on voit lorsqu’on observe cet échantillon à travers les oculaires. Ces règles s’appliquent également au film d’un appareil photo classique ou d’un dispositif d’imagerie numérique fixé au microscope, qui dépendent tous deux des interactions entre les couleurs primaires pour prendre les images.