La vision des couleurs est la capacité d’un organisme ou d’une machine à distinguer les objets en fonction des longueurs d’onde (ou des fréquences) de la lumière qu’ils réfléchissent, émettent ou transmettent. Les couleurs peuvent être mesurées et quantifiées de différentes manières; en effet, la perception de la couleur d’une personne est un processus subjectif par lequel le cerveau répond aux stimuli qui sont produits lorsque la lumière entrante réagit avec les différents types de cellules coniques dans l’œil. En substance, différentes personnes voient le même objet illuminé ou la même source de lumière de différentes manières.

Détection de longueur d’onde et de teinte
Isaac Newton a découvert que la lumière blanche, après avoir été divisée en ses couleurs composantes lorsqu’elle passait à travers un prisme dispersif, pouvait, en les faisant passer à travers un prisme différent, être recombinée pour faire de la lumière blanche.

Les couleurs caractéristiques sont, de longues à courtes longueurs d’onde (et, par conséquent, de basse à haute fréquence), rouge, orange, jaune, vert, bleu et violet. Des différences de longueur d’onde suffisantes provoquent une différence dans la teinte perçue; la différence de longueur d’onde juste visible varie d’environ 1 nm dans les longueurs d’onde bleu-vert et jaune, à 10 nm et plus dans les plus longues longueurs d’onde rouges et bleues plus courtes. Bien que l’œil humain puisse distinguer jusqu’à quelques centaines de teintes, lorsque ces couleurs spectrales pures sont mélangées ou diluées avec de la lumière blanche, le nombre de chromaticités pouvant être distinguées peut être assez élevé. [Ambiguë]

Dans les niveaux de lumière très faible, la vision est scotopique: la lumière est détectée par des bâtonnets de la rétine. Les bâtonnets sont extrêmement sensibles aux longueurs d’onde proches de 500 nm et jouent peu ou pas de rôle dans la vision des couleurs. Dans une lumière plus vive, telle que la lumière du jour, la vision est photopique: la lumière est détectée par les cellules coniques responsables de la vision des couleurs. Les cônes sont sensibles à une gamme de longueurs d’onde, mais sont plus sensibles aux longueurs d’onde près de 555 nm. Entre ces régions, la vision mésopique entre en jeu et les deux bâtonnets et cônes fournissent des signaux aux cellules ganglionnaires de la rétine. Le changement dans la perception des couleurs de la faible lumière à la lumière du jour donne lieu à des différences connues sous le nom d’effet Purkinje

La perception du « blanc » est formée par l’ensemble du spectre de la lumière visible, ou en mélangeant des couleurs de quelques longueurs d’onde seulement chez les animaux avec peu de types de récepteurs de couleur. Chez l’homme, la lumière blanche peut être perçue en combinant des longueurs d’onde telles que le rouge, le vert et le bleu, ou simplement une paire de couleurs complémentaires telles que le bleu et le jaune.

Physiologie de la perception des couleurs

La perception de la couleur commence avec des cellules rétiniennes spécialisées contenant des pigments ayant différentes sensibilités spectrales, appelées cellules coniques. Chez l’homme, il existe trois types de cônes sensibles à trois spectres différents, résultant en une vision des couleurs trichromatique.

Chaque cône individuel contient des pigments composés d’apoprotéine d’opsine, qui est liée de manière covalente soit au 11-cis-hydrorétinal soit plus rarement au 11-cis-déshydrorétinal.

Les cônes sont classiquement étiquetés en fonction de l’ordre des longueurs d’onde des pics de leurs sensibilités spectrales: les types de cônes courts (S), moyens (M) et longs (L). Ces trois types ne correspondent pas bien aux couleurs particulières telles que nous les connaissons. Au contraire, la perception de la couleur est réalisée par un processus complexe qui commence avec la sortie différentielle de ces cellules dans la rétine et il sera finalisé dans le cortex visuel et les zones associatives du cerveau.

Par exemple, alors que les cônes L ont été désignés simplement sous le nom de récepteurs rouges, la microspectrophotométrie a montré que leur sensibilité maximale se situe dans la région jaune verdâtre du spectre. De même, les cônes S et M ne correspondent pas directement au bleu et au vert, bien qu’ils soient souvent décrits comme tels. Le modèle de couleur RVB est donc un moyen pratique de représenter la couleur, mais il n’est pas directement basé sur les types de cônes dans l’œil humain.

La réponse maximale des cellules coniques humaines varie, même parmi les individus ayant une vision des couleurs normale; chez certaines espèces non humaines, cette variation polymorphe est encore plus grande et peut très bien être adaptative.

Théories
Deux théories complémentaires de la vision des couleurs sont la théorie trichromatique et la théorie des processus opposés. La théorie trichromatique, ou théorie de Young-Helmholtz, proposée au 19ème siècle par Thomas Young et Hermann von Helmholtz, comme mentionné ci-dessus, indique que les trois types de cônes de la rétine sont préférentiellement sensibles au bleu, au vert et au rouge. Ewald Hering a proposé la théorie du processus de l’adversaire en 1872. Elle affirme que le système visuel interprète la couleur d’une manière antagoniste: rouge contre vert, bleu contre jaune, noir contre blanc. Les deux théories sont maintenant acceptées comme valides, décrivant les différentes étapes de la physiologie visuelle, visualisées dans le diagramme de droite. Vert ← → Magenta et Bleu ← → Jaune sont des échelles avec des limites mutuellement exclusives. De la même manière qu’il ne peut exister un nombre positif « légèrement négatif », un seul œil ne peut percevoir un jaune bleuâtre ou un vert rougeâtre. (Mais de telles couleurs impossibles peuvent être perçues en raison de la rivalité binoculaire.)

Cone cells dans l’oeil humain
Type de cône prénom Gamme Longueur d’onde maximale
S β 400-500 nm 420-440 nm
M γ 450-630 nm 534-555 nm
L ρ 500-700 nm 564-580 nm
Une gamme de longueurs d’onde de la lumière stimule chacun de ces types de récepteurs à des degrés divers. La lumière vert-jaunâtre, par exemple, stimule les deux cônes L et M tout aussi fortement, mais ne stimule que faiblement les cônes S. D’un autre côté, la lumière rouge stimule beaucoup plus les cônes L que les cônes M, et les cônes S guère; la lumière bleu-vert stimule plus les cônes M que les cônes L, et S les cônes un peu plus fortement, et est aussi le stimulant de pointe pour les cellules souches; et la lumière bleue stimule les cônes S plus fortement que la lumière rouge ou verte, mais les cônes L et M sont plus faiblement. Le cerveau combine les informations de chaque type de récepteur pour donner lieu à différentes perceptions des différentes longueurs d’onde de la lumière.

Les opsines (photopigments) présents dans les cônes L et M sont codés sur le chromosome X; encodage défectueux de ces conduit aux deux formes les plus courantes de daltonisme. Le gène OPN1LW, qui code pour l’opsine présente dans les cônes L, est fortement polymorphe (une étude récente de Verrelli et Tishkoff a trouvé 85 variants dans un échantillon de 236 hommes). Un très faible pourcentage de femmes peut avoir un type supplémentaire de récepteur de couleur car elles ont des allèles différents pour le gène de la L-opsine sur chaque chromosome X. L’inactivation du chromosome X signifie que si une seule opsine est exprimée dans chaque cellule conique, les deux types se produisent globalement, et certaines femmes peuvent donc montrer un degré de vision des couleurs tétrachromatiques. Les variations de OPN1MW, qui codent l’opsine exprimée en M cônes, semblent être rares, et les variants observés n’ont aucun effet sur la sensibilité spectrale.

Couleur dans le cerveau humain
Le traitement des couleurs commence à un niveau très précoce dans le système visuel (même à l’intérieur de la rétine) grâce à des mécanismes initiaux de couleur opposée. La théorie trichromatique de Helmholtz et la théorie des processus adverses de Hering sont donc correctes, mais la trichromie se produit au niveau des récepteurs, et les processus adverses apparaissent au niveau des cellules ganglionnaires rétiniennes et au-delà. Dans la théorie de Hering, les mécanismes adverses se réfèrent à l’effet de couleur opposé de rouge-vert, bleu-jaune et clair-obscur. Cependant, dans le système visuel, c’est l’activité des différents types de récepteurs qui sont opposés. Certaines cellules ganglionnaires rétiniennes midget s’opposent à l’activité des cônes L et M, ce qui correspond vaguement à l’opposition rouge-vert, mais court en fait le long d’un axe allant du bleu-vert au magenta. De petites cellules ganglionnaires rétiniennes bistratifiées s’opposent à l’entrée des cônes S à l’entrée des cônes L et M. On pense souvent que cela correspond à une opposition bleu-jaune, mais court en fait le long d’un axe de couleur allant du jaune-vert au violet.

L’information visuelle est ensuite envoyée au cerveau des cellules ganglionnaires rétiniennes via le nerf optique au chiasma optique: un point où les deux nerfs optiques se rencontrent et l’information du champ visuel temporel (controlatéral) passe de l’autre côté du cerveau. Après le chiasma optique, les voies visuelles sont appelées les voies optiques, qui pénètrent dans le thalamus pour synapse au noyau genouillé latéral (LGN).

Le noyau géniculé latéral est divisé en laminae (zones), dont il existe trois types: les M-laminae, constitués principalement de cellules M, les P-laminae, constitués principalement de cellules P, et les lamelles koniocellulaires. Les cellules M et P reçoivent une entrée relativement équilibrée des deux cônes L et M dans la majeure partie de la rétine, bien que cela ne semble pas être le cas à la fovéa, avec des cellules midget synapses dans les P-laminae. Les lames koniocellulaires reçoivent des axones des petites cellules ganglionnaires bistratifiées.

Après la synapse au LGN, le tractus visuel continue sur le cortex visuel primaire (V1) situé à l’arrière du cerveau à l’intérieur du lobe occipital. Dans V1, il y a une bande distincte (striation). Ceci est également appelé « cortex strié », avec d’autres régions visuelles corticales dénommées collectivement « cortex extrastrié ». C’est à ce stade que le traitement des couleurs devient beaucoup plus compliqué.

En V1, la simple ségrégation en trois couleurs commence à s’effriter. De nombreuses cellules de V1 répondent mieux à certaines parties du spectre que d’autres, mais cet « ajustement des couleurs » est souvent différent en fonction de l’état d’adaptation du système visuel. Une cellule donnée qui pourrait mieux répondre à une lumière à grande longueur d’onde si la lumière est relativement brillante pourrait alors réagir à toutes les longueurs d’onde si le stimulus est relativement faible. Parce que l’accord de couleur de ces cellules n’est pas stable, certains croient qu’une population différente, relativement petite, de neurones dans V1 est responsable de la vision des couleurs. Ces « cellules de couleur » spécialisées ont souvent des champs réceptifs qui peuvent calculer les rapports de cônes locaux. De telles cellules «à double adversaire» ont été initialement décrites dans la rétine du poisson rouge par Nigel Daw; Leur existence chez les primates a été suggérée par David H. Hubel et Torsten Wiesel et par la suite prouvée par Bevil Conway. Comme l’ont montré Margaret Livingstone et David Hubel, les cellules doubles opposées sont regroupées dans des régions localisées de V1 appelées blobs, et sont censées avoir deux saveurs, rouge-vert et bleu-jaune. Les cellules rouge-vert comparent les quantités relatives de rouge-vert dans une partie d’une scène avec la quantité de rouge-vert dans une partie adjacente de la scène, répondant le mieux au contraste de couleur local (rouge à côté du vert). Des études de modélisation ont montré que les cellules à double adversaire sont des candidats idéaux pour la machinerie neurale de la constance des couleurs expliquée par Edwin H. Land dans sa théorie du retinex.

A partir des blobs V1, les informations de couleur sont envoyées aux cellules dans la seconde zone visuelle, V2. Les cellules de V2 les plus fortement colorées sont regroupées dans les « fines bandes » qui, comme les taches de V1, colorent l’enzyme cytochrome oxydase (les fines bandes sont séparées par des stries et des bandes épaisses, qui semblent concerner d’autres information visuelle comme le mouvement et la forme à haute résolution). Les neurones dans V2 puis synapse sur les cellules dans la V4 étendue. Cette zone comprend non seulement V4, mais deux autres zones dans le cortex temporal inférieur postérieur, antérieure à la zone V3, le cortex temporal inférieur postérieur dorsal et le TEO postérieur. La zone V4 a été initialement proposée par Semir Zeki pour être exclusivement dédiée à la couleur, mais cela est maintenant considéré comme incorrect. En particulier, la présence dans V4 de cellules sélectives d’orientation conduit à considérer que V4 est impliqué dans le traitement de la couleur et de la forme associées à la couleur. Le traitement des couleurs dans le V4 étendu se produit dans des modules de couleur de taille millimétrique appelés globs. C’est la première partie du cerveau dans laquelle la couleur est traitée en termes de gamme complète de teintes trouvées dans l’espace des couleurs.

Des études anatomiques ont montré que les neurones dans V4 étendu fournissent une entrée au lobe temporal inférieur. On pense que le cortex « IT » intègre l’information de couleur avec la forme et la forme, bien qu’il ait été difficile de définir les critères appropriés pour cette revendication. Malgré cette confusion, il a été utile de caractériser cette voie (V1> V2> V4> IT) comme le flux ventral ou le « quelle voie », distingué du courant dorsal (« où la voie ») qui est censé analyser le mouvement, parmi de nombreuses autres fonctionnalités.

Subjectivité de la perception des couleurs

Rien ne distingue catégoriquement le spectre visible du rayonnement électromagnétique des parties invisibles du spectre plus large. En ce sens, la couleur n’est pas une propriété du rayonnement électromagnétique, mais une caractéristique de la perception visuelle par un observateur. De plus, il existe une correspondance arbitraire entre les longueurs d’onde de la lumière dans le spectre visuel et les expériences humaines de la couleur. Bien que l’on présume que la plupart des gens ont la même cartographie, le philosophe John Locke a reconnu que des alternatives sont possibles, et a décrit un tel cas hypothétique avec l’expérience de pensée du « spectre inversé ». Par exemple, une personne ayant un spectre inversé peut voir le vert en voyant la lumière «rouge» (700 nm) et ressentir le rouge tout en voyant la lumière «verte» (530 nm). La synesthésie (ou l’idéesthésie) fournit des exemples atypiques mais éclairants d’expériences de couleurs subjectives déclenchées par une entrée qui n’est même pas la lumière, telle que des sons ou des formes. La possibilité d’une dissociation nette entre l’expérience des couleurs et les propriétés du monde révèle que la couleur est un phénomène psychologique subjectif.

Le peuple Himba a été trouvé pour classer les couleurs différemment de la plupart des Euro-Américains et sont capables de distinguer facilement les nuances de vert proches, à peine discernables pour la plupart des gens. Les Himba ont créé un schéma de couleur très différent qui divise le spectre en couleurs sombres (zuzu en Himba), très léger (vapa), vif bleu et vert (buru) et en couleurs sèches en tant qu’adaptation à leur mode de vie spécifique.

La perception de la couleur dépend fortement du contexte dans lequel l’objet perçu est présenté. Par exemple, une page blanche sous une lumière bleue, rose ou pourpre reflétera principalement la lumière bleue, rose ou violette dans l’œil, respectivement; le cerveau, cependant, compense l’effet de l’éclairage (basé sur le changement de couleur des objets environnants) et est plus susceptible d’interpréter la page comme étant blanche dans les trois conditions, un phénomène connu sous le nom de constance des couleurs.

Dans d’autres espèces animales
De nombreuses espèces peuvent voir la lumière avec des fréquences en dehors du « spectre visible » humain. Les abeilles et de nombreux autres insectes peuvent détecter la lumière ultraviolette, ce qui les aide à trouver du nectar dans les fleurs. Les espèces végétales qui dépendent de la pollinisation par les insectes peuvent avoir un succès reproductif sur les «couleurs» et les motifs ultraviolets plutôt que sur la façon dont elles apparaissent aux humains. Les oiseaux, eux aussi, peuvent voir dans l’ultraviolet (300-400 nm), et certains ont des marques dépendantes du sexe sur leur plumage qui ne sont visibles que dans l’ultraviolet. Cependant, beaucoup d’animaux qui peuvent voir dans la gamme des ultraviolets ne peuvent pas voir la lumière rouge ou d’autres longueurs d’onde rougeâtres. Par exemple, le spectre visible des abeilles se termine à environ 590 nm, juste avant le début des longueurs d’onde orange. Les oiseaux, cependant, peuvent voir des longueurs d’onde rouges, mais pas aussi loin dans le spectre de la lumière que les humains. C’est une croyance populaire incorrecte que le poisson rouge commun est le seul animal qui peut voir à la fois la lumière infrarouge et ultraviolette, leur vision des couleurs se prolonge dans l’ultraviolet mais pas l’infrarouge.

La base de cette variation est le nombre de types de cônes qui diffèrent entre les espèces. Les mammifères en général ont une vision des couleurs d’un type limité, et ont généralement un daltonisme rouge-vert, avec seulement deux types de cônes. Les humains, certains primates et certains marsupiaux voient une gamme étendue de couleurs, mais seulement en comparaison avec d’autres mammifères. La plupart des espèces de vertébrés non mammifères distinguent différentes couleurs au moins aussi bien que les humains, et de nombreuses espèces d’oiseaux, poissons, reptiles et amphibiens, et certains invertébrés, ont plus de trois types de cônes et une vision des couleurs supérieure.

Dans la plupart des Catarrhinis ( Vieux monde singes et singes-primates étroitement apparentés à l’homme), il existe trois types de récepteurs de couleur (connus sous le nom de cellules coniques), résultant en une vision des couleurs trichromatiques. Ces primates, comme les humains, sont connus comme trichromats. Beaucoup d’autres primates (y compris Nouveau monde singes) et d’autres mammifères sont des dichromates, qui est l’état général de la vision des couleurs pour les mammifères qui sont actifs pendant la journée (c.-à-félins, canines, ongulés). Les mammifères nocturnes peuvent avoir peu ou pas de vision des couleurs. Les mammifères Trichromat non primates sont rares.

De nombreux invertébrés ont une vision des couleurs. Les abeilles mellifères et les bourdons ont une vision des couleurs trichromatique qui est insensible au rouge mais sensible aux ultraviolets. Osmia rufa, par exemple, possède un système de couleur trichromatique, qu’ils utilisent dans la recherche de pollen de fleurs. Compte tenu de l’importance de la vision des couleurs pour les abeilles, on pourrait s’attendre à ce que ces sensibilités aux récepteurs reflètent leur écologie visuelle spécifique; par exemple les types de fleurs qu’ils visitent. Cependant, les principaux groupes d’insectes hyménoptères excluant les fourmis (c.-à-d. Les abeilles, les guêpes et les tenthrèdes) ont principalement trois types de photorécepteurs, avec des sensibilités spectrales similaires à celles des abeilles. Papilio papillons possèdent six types de photorécepteurs et peuvent avoir une vision pentachromatique. Le système de vision des couleurs le plus complexe dans le règne animal a été trouvé dans les stomatopodes (tels que la crevette-mante) avec jusqu’à 12 types de récepteurs spectraux pensés pour fonctionner comme de multiples unités dichromatiques.

Les animaux vertébrés tels que les poissons tropicaux et les oiseaux ont parfois des systèmes de vision des couleurs plus complexes que les humains; ainsi les nombreuses couleurs subtiles qu’ils présentent servent généralement de signaux directs pour d’autres poissons ou oiseaux, et non pour signaler les mammifères. Dans la vision des oiseaux, la tétrachromatie est atteinte jusqu’à quatre types de cônes, selon les espèces. Chaque cône contient l’un des quatre principaux types de photopigments de cônes de vertébrés (LWS / MWS, RH2, SWS2 et SWS1) et présente une gouttelette d’huile colorée dans son segment interne. Des gouttelettes d’huile aux couleurs vives à l’intérieur des cônes modifient ou rétrécissent la sensibilité spectrale de la cellule. Il a été suggéré qu’il est probable que les pigeons soient des pentachromates.

Les reptiles et les amphibiens ont également quatre types de cônes (parfois cinq), et voient probablement au moins le même nombre de couleurs que les humains, ou peut-être plus. En outre, certains geckos nocturnes ont la capacité de voir la couleur dans la pénombre.

Dans l’évolution des mammifères, des segments de vision des couleurs ont été perdus, puis pour quelques espèces de primates, retrouvés par duplication génique. Les mammifères euthériens autres que les primates (par exemple, les chiens, les animaux de ferme mammifères) ont généralement des systèmes de perception des couleurs à deux récepteurs (dichromatiques) moins efficaces, qui distinguent le bleu, le vert et le jaune, mais ne peuvent distinguer les oranges et les rouges. Il existe des preuves que quelques mammifères, tels que les chats, ont redéveloppé la capacité de distinguer des couleurs de plus grande longueur d’onde, au moins d’une manière limitée, via des mutations d’un seul acide aminé dans les gènes d’opsine. L’adaptation pour voir les rouges est particulièrement importante pour les mammifères primates, car elle conduit à l’identification des fruits, et aussi des feuilles rougeâtres nouvellement germées, qui sont particulièrement nutritives.

Cependant, même chez les primates, la vision des couleurs diffère entre le Nouveau Monde et Vieux monde singes. Vieux monde les primates, y compris les singes et tous les singes, ont une vision similaire à celle des humains. Les singes du Nouveau Monde peuvent ou non avoir une sensibilité à ce niveau: dans la plupart des espèces, les mâles sont des dichromates et environ 60% des femelles sont des trichromates, mais les singes chouettes sont des monochromes cônes et les singes hurleurs sont des trichromates. Les différences de sensibilité visuelle entre les mâles et les femelles dans une seule espèce sont dues au gène de la protéine opsin sensible jaune-vert (qui confère la capacité de différencier le rouge du vert) résidant sur le chromosome sexuel X.

Plusieurs marsupiaux tels que le dunnart à queue grasse (Sminthopsis crassicaudata) ont montré une vision des couleurs trichromatique.

Les mammifères marins, adaptés à la vision de faible luminosité, n’ont qu’un seul type de cône et sont donc des monochromates.

Table de vision de couleur
Etat Types de cellules coniques Environ. nombre de couleurs perçues Les transporteurs
Monochromie 1 100 mammifères marins, singe hibou, otarie australienne, primates achromats
Dichromacy 2 10 000 la plupart des mammifères terrestres non primates, des primates non voyants
Trichromacy 3 10 millions la plupart des primates, en particulier les grands singes (tels que les humains), les marsupiaux, certains insectes (comme les abeilles)
Tétrachromacy 4 100 millions la plupart des reptiles, des amphibiens, des oiseaux et des insectes, rarement des humains
Pentachromie 5 10 milliards certains insectes (espèces spécifiques de papillons), certains oiseaux (pigeons par exemple)

Évolution
Les mécanismes de perception des couleurs dépendent fortement de facteurs évolutifs, dont la plus importante est la reconnaissance satisfaisante des sources de nourriture. Chez les primates herbivores, la perception des couleurs est essentielle pour trouver des feuilles (immatures) appropriées. Chez les colibris, les types de fleurs particuliers sont souvent reconnus par la couleur. D’autre part, les mammifères nocturnes ont une vision des couleurs moins développée, car une lumière adéquate est nécessaire pour que les cônes fonctionnent correctement. Il existe des preuves que la lumière ultraviolette joue un rôle dans la perception des couleurs dans de nombreuses branches du règne animal, en particulier les insectes. En général, le spectre optique englobe les transitions électroniques les plus courantes dans la matière et est donc le plus utile pour collecter des informations sur l’environnement.

L’évolution de la vision des couleurs trichromatiques chez les primates s’est produite alors que les ancêtres des singes modernes, des singes et des humains passaient à l’activité diurne (diurne) et commençaient à consommer des fruits et des feuilles de plantes à fleurs. La vision des couleurs, avec discrimination UV, est également présente chez un certain nombre d’arthropodes – les seuls animaux terrestres autres que les vertébrés à posséder ce caractère.

Certains animaux peuvent distinguer les couleurs dans le spectre ultraviolet. Le spectre UV tombe en dehors de la gamme visible humaine, à l’exception de certains patients en chirurgie de la cataracte. Les oiseaux, les tortues, les lézards, de nombreux poissons et certains rongeurs ont des récepteurs UV dans leurs rétines. Ces animaux peuvent voir les motifs UV trouvés sur les fleurs et autres animaux sauvages qui sont autrement invisibles à l’œil humain.

La vision ultraviolette est une adaptation particulièrement importante chez les oiseaux. Il permet aux oiseaux de repérer de petites proies à distance, de naviguer, d’éviter les prédateurs et de se nourrir tout en volant à grande vitesse. Les oiseaux utilisent aussi leur vision à large spectre pour reconnaître d’autres oiseaux et pour la sélection sexuelle.

Mathématiques de la perception des couleurs

Une « couleur physique » est une combinaison de couleurs spectrales pures (dans la gamme visible). Comme il existe, en principe, une infinité de couleurs spectrales distinctes, l’ensemble de toutes les couleurs physiques peut être considéré comme un espace vectoriel de dimension infinie, en fait un espace de Hilbert. Nous appelons cet espace Hcolor. Plus techniquement, l’espace des couleurs physiques peut être considéré comme le cône (mathématique) sur le simplex dont les sommets sont les couleurs spectrales, avec le blanc au centroïde du simplex, le noir au sommet du cône et la couleur monochromatique associée. avec n’importe quel sommet donné quelque part le long de la ligne de ce sommet au sommet en fonction de sa luminosité.

Un élément C de Hcolor est une fonction de la gamme des longueurs d’onde visibles – considérée comme un intervalle de nombres réels [Wmin, Wmax] – aux nombres réels, assignant à chaque longueur d’onde w [Wmin, Wmax] son ​​intensité C (w) .

Une couleur perçue humainement peut être modélisée sous la forme de trois nombres: l’étendue à laquelle chacun des 3 types de cônes est stimulé. Ainsi, une couleur perçue humainement peut être considérée comme un point dans l’espace euclidien 3-dimensionnel. Nous appelons cet espace R3color.

Puisque chaque longueur d’onde w stimule chacun des 3 types de cellules coniques dans une mesure connue, ces extensions peuvent être représentées par 3 fonctions s (w), m (w), l (w) correspondant à la réponse du S, M, et L cellules coniques, respectivement.

Enfin, comme un faisceau de lumière peut être composé de plusieurs longueurs d’onde différentes, pour déterminer dans quelle mesure une couleur physique C dans Hcolor stimule chaque cellule conique, nous devons calculer l’intégrale (par rapport à w), sur l’intervalle [Wmin, Wmax], de C (w) · s (w), de C (w) · m (w), et de C (w) · l (w). Le triplet des nombres résultants associe à chaque couleur physique C (qui est un élément dans Hcolor) une couleur perçue particulière (qui est un point unique dans R3color). Cette association est facilement considérée comme linéaire. On peut aussi facilement voir que de nombreux éléments différents dans l’espace « physique » Hcolor peuvent tous donner la même couleur perçue dans R3color, donc une couleur perçue n’est pas unique à une couleur physique.

Ainsi, la perception des couleurs humaines est déterminée par une application linéaire spécifique et non unique de l’espace de Hilbert de dimension infinie Hcolor à l’espace euclidien 3-dimensionnel R3color.

Techniquement, l’image du cône (mathématique) sur le simplex dont les sommets sont les couleurs spectrales, par ce mapping linéaire, est aussi un cône (mathématique) dans R3color. S’éloigner directement du sommet de ce cône représente le maintien de la même chromaticité tout en augmentant son intensité. Prendre une section de ce cône donne un espace de chromaticité 2D. Le cône 3D et sa projection ou sa section transversale sont des ensembles convexes; c’est-à-dire que tout mélange de couleurs spectrales est également une couleur.

En pratique, il serait assez difficile de mesurer physiologiquement les trois réponses de cônes d’un individu à différents stimuli de couleur physique. Au lieu de cela, une approche psychophysique est prise. Trois lampes de test de référence spécifiques sont généralement utilisées; appelons-les S, M et L. Pour calibrer l’espace perceptif humain, les scientifiques ont permis aux sujets humains d’essayer de faire correspondre n’importe quelle couleur physique en tournant des cadrans pour créer des combinaisons spécifiques d’intensités (IS, IM, IL) pour le S, M, et L s’allume, resp., jusqu’à ce qu’une correspondance soit trouvée. Cela ne devait être fait que pour les couleurs physiques qui sont spectrales, puisqu’une combinaison linéaire de couleurs spectrales correspondra à la même combinaison linéaire de leurs correspondances (IS, IM, IL). Notez qu’en pratique, souvent au moins l’un de S, M, L doit être ajouté avec une certaine intensité à la couleur du test physique, et cette combinaison doit correspondre à une combinaison linéaire des 2 lumières restantes. Chez différents individus (sans daltonisme), les appariements se sont révélés presque identiques.

En considérant toutes les combinaisons d’intensités qui en résultent (IS, JE SUIS , IL ) en tant que sous-ensemble de 3-espace, un modèle pour l’espace de couleur perceptive humaine est formé. (Notez que quand l’un de S, M, L devait être ajouté à la couleur d’essai, son intensité était considérée comme négative.) Encore une fois, cela s’avère être un cône (mathématique), pas un quadrique, mais plutôt tous les rayons l’origine dans 3-espace passant par un certain ensemble convexe. Encore une fois, ce cône a la propriété que s’éloigner directement de l’origine correspond à augmenter proportionnellement l’intensité des lumières S, M, L. Encore une fois, une section transversale de ce cône est une forme plane qui est (par définition) l’espace des « chromaticités » (informellement: des couleurs distinctes); une telle section, correspondant à la constante X + Y + Z de l’espace colorimétrique CIE 1931, donne le diagramme de chromaticité CIE.

Ce système implique que pour toute teinte ou couleur non spectrale qui n’est pas à la limite du diagramme de chromaticité, il existe une infinité de spectres physiques distincts qui sont tous perçus comme cette teinte ou cette couleur. Donc, en général, il n’y a pas de combinaison de couleurs spectrales que nous percevons comme (disons) une version spécifique de tan; Au lieu de cela, il y a une infinité de possibilités qui produisent cette couleur exacte. Les couleurs limites qui sont des couleurs spectrales pures ne peuvent être perçues qu’en réponse à la lumière qui est purement à la longueur d’onde associée, alors que les couleurs limites sur la « ligne des pourpres » ne peuvent être générées que par un rapport spécifique de violet pur et rouge pur aux extrémités des couleurs spectrales visibles.

Le diagramme de chromaticité CIE est en forme de fer à cheval, avec son bord incurvé correspondant à toutes les couleurs spectrales (le locus spectral), et le bord droit restant correspondant aux violets les plus saturés, mélanges de rouge et de violet.

Adaptation chromatique
En science des couleurs, l’adaptation chromatique est l’estimation de la représentation d’un objet sous une source lumineuse différente de celle dans laquelle il a été enregistré. Une application courante consiste à trouver une transformée d’adaptation chromatique (CAT) qui rendra l’enregistrement d’un objet neutre neutre (balance des couleurs), tout en gardant les autres couleurs aussi réalistes. Par exemple, les transformations d’adaptation chromatique sont utilisées lors de la conversion d’images entre des profils ICC avec différents points blancs. Adobe Photoshop, par exemple, utilise le Bradford CAT.

En vision des couleurs, l’adaptation chromatique fait référence à la constance des couleurs; la capacité du système visuel à préserver l’apparence d’un objet sous une large gamme de sources lumineuses.