Luminance

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Luminance schéma Louvain.png

En photométrie, la luminance est la grandeur mesurable correspondant à la sensation visuelle de luminosité ou de brillance d'une surface.

Elle se définit rigoureusement à partir de l'intensité du rayonnement provenant d'une source étendue dans une direction donnée, divisée par l'aire apparente de cette source dans cette même direction.

La luminance est une grandeur photométrique, dépendante de la sensibilité de l'œil humain. En physique, la visibilité ou non du rayonnement électromagnétique importe peu. La luminance énergétique concerne tous les rayonnements visibles ou non[1].

En technique vidéo couleur, on appelle luminance la partie du signal commune avec la vidéo noir et blanc qui transporte l'information de luminosité de chaque point de l'écran.

Définition et unités[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Étendue de faisceau.

La luminance lumineuse est l'intensité lumineuse d'une source lumineuse étendue dans une direction donnée, divisée par l'aire apparente de cette source dans cette même direction[2].

On peut la définir aussi comme l'intensité de rayonnement par unité de surface perpendiculairement à la direction d'origine de l'émission[3] ou comme la « densité spatiale du flux » lumineux[4]. Sa relation à l'intensité lumineuse est

L= \frac{\mathrm dI}{\mathrm dS \cos\theta}
I est l'intensité lumineuse, S la surface apparente et θ l'angle entre la direction d'émission et la surface émettrice.

La luminance lumineuse s'exprime normalement en candela par mètre carré, symbole cd⋅m-2 ; cette unité est équivalente à celle précédemment recommandée, le lumen par mètre carré et par stéradian, symbole lm⋅m-2⋅sr-1[5].

Autres unités n'appartenant pas au Système international :

  • le nit, 1 nit = 1 cd⋅m-2 ;
  • le stilb (sb), 1 sb = 1 cd⋅cm-2 = 1 kcd⋅m-2 ;
  • l'apostilb ou blondel (asb), 1 asb = 1/π cd⋅m-20,3183 cd⋅m-2 ;
  • la candela per square inch, 1 cd⋅in-21 550 cd⋅m-2 ;
  • la candela per square foot, 1 cd⋅ft-210,764 cd⋅m-2 ;
  • le lambert (L), 1 L = 1/π cd⋅cm-23 183 cd⋅m-2 ;
  • le foot-lambert (fL ou flam), 1 fL = 1/π cd⋅ft-23,426 cd⋅m-2 ;
  • le skot, 1 skot = 1 masb0,3183 mcd⋅m-2.

L'unité de luminance énergétique (qui comprend tous les rayonnements visibles ou non) est le watt par mètre carré et par stéradian, symbole W/(m².sr)[4].

L'unité de luminance énergétique monochromatique est le watt par mètre cube et par stéradian, symbole W/(m³.sr).

Mesure de la luminance[modifier | modifier le code]

On peut comparer visuellement la luminance de deux sources. Les premiers appareils de mesure étaient des appareils optiques qui permettaient d'observer côte à côte une source à évaluer et une source de référence, en faisant varier la transmission de la lumière de l'une des deux, et c'est de cette manière que la photométrie s'est établie dans ses débuts.

Des appareils électriques ou électroniques permettent de mesurer l'éclairement de la surface d'un composant. Des filtres appropriés adaptent la sensibilité du capteur à celle de la vision humaine définie conventionnellement. Un dispositif optique permet de transformer la luminance dans un cône dont l'angle d'ouverture peut être, par exemple, de un degré, en éclairement lumineux du capteur. On mesure donc en définitive la luminance de la surface visée ; en technique photographique cet appareil s'appelle communément un spotmètre.

Perception visuelle de la luminosité[modifier | modifier le code]

Principalement en raison de la sensibilité des récepteurs de la rétine, la sensibilité de l'œil humain n'est pas la même sur l'ensemble du spectre visible, entre 380 et 800 nm.

Cette sensibilité spectrale varie aussi selon la quantité de lumière. En vision diurne, avec une lumière forte qui permet de distinguer les couleurs, le jaune-vert, au centre du spectre, est la couleur pour laquelle il faut le moins d'énergie pour créer la même impression de luminosité. En vision nocturne, on ne distingue pas les couleurs et le maximum de sensibilité se déplace vers le bleu. Entre les deux, la vision des couleurs change progressivement : c'est l'effet Purkinje.

Détermination des courbes d'efficacité lumineuse[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Efficacité lumineuse spectrale.
Fonction d'efficacité lumineuse relative spectrale

La Commission internationale de l'éclairage a défini des systèmes colorimétriques correspondant à la vision de l'observateur de référence, moyenne d'un groupe d'observateurs dénués de défauts de vision. Pour ce faire elle utilisé les travaux effectués précédemment avec deux méthodes :

Comparaison directe 
Les observateurs placés devant un coin réfléchissant, une lumière de couleur monochromatique ou approchant est envoyée de chaque côté. L'observateur règle le niveau d'une des lumières pour qu'elle lui semble également lumineuse à l'autre.
Papillotement 
Les deux lumières se succèdent environ dix fois par seconde. L'observateur ajuste le niveau pour que le papillottement soit minimal.

Les deux méthodes donnent des résultats légèrement différents. Lorsque les couleurs sont trop différentes, l'égalisation est irrégulière et la dispersion des résultats augmente exagérément. On procède donc de proche en proche[6].

Ces mesures, menées par des équipes indépendantes, ont conduit à deux courbes d'efficacité lumineuse spectrale relative légèrement différentes, que la CIE a aggloméré dans un courbe représentant la vision d'un observateur de référence. La valeur du sommet de la courbe a été fixée à 1. Il correspond à la couleur où la sensibilité humaine est la plus forte, vert-jaune situé vers le milieu du spectre des lumières visible, d'une longueur d'onde proche de 555 nm.

Cette fonction de la longueur d'onde \scriptstyle \lambda, notée \scriptstyle V(\lambda), relie la luminance, intensité subjective d'une lumière, à son intensité objective.

Dans le cas d'un spectre continu, les intensités individuelles sont infiniment petites. Ceci conduit à considérer la luminance énergétique spectrale \scriptstyle S(\lambda), densité d'énergie dans un intervalle infiniment petit \scriptstyle \mathrm d\lambda, exprimée en W.sr-1.m-2.m-1. En fonction de celle-ci, la luminance en cd.m-2 se calcule par

\displaystyle L =K.\int\limits_{380~nm}^{780~nm} S(\lambda).V(\lambda). \mathrm d\lambda,

K étant égal à 683 lm.W-1 selon la définition de la candela.

Cette formule relie l'énergie lumineuse (visible) à l'énergie radiante[7].

Mesure[modifier | modifier le code]

La courbe étant déterminée, on mesure en général la luminance avec des appareils dont des filtres ajustent la courbe de réponse à celle définie pour l'observateur de référence[8].

Lorsqu'on dispose de l'information spectrale sur une lumière, on en tire la luminance en appliquant, bande de fréquence par bande de fréquence, en principe au pas de 0,5 nm, les valeurs du tableau qui définit la courbe.

La luminance en vidéo[modifier | modifier le code]

Une image vidéo est captée par les caméras et recrée par l'écran comme une synthèse additive des couleurs de trois canaux respectivement rouge, vert et bleu. Le signal électrique correspondant se compose à ce stade de trois signaux correspondant aux couleurs fondamentales :

  • R pour le rouge ;
  • G pour le vert (green en anglais) ;
  • B pour le bleu.

Ce signal est transmis, pour la diffusion, en deux parties. La luminance est la partie du signal vidéo correspondant à l'intensité lumineuse produite, soit le niveau noir et blanc. La couleur est transmise sous forme d'une combinaison de deux signaux de différence de couleur, appelée chrominance, qui ne nous intéresse pas ici.

Le signal de luminance se calcule à partir de celui des composantes :

Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B[9].

Luminance relative[modifier | modifier le code]

En informatique, lorsqu'un utilisateur travaille devant son écran, par exemple pour traiter une photographie numérique, la notion de luminance n'a pas d'utilité ; on parle alors parfois de luminance relative (en), bien qu'il s'agisse en fait de luminosité relative, par rapport à l'échelle des luminosités que fournit son terminal.

La luminosité relative d'un point, normalisée à 0 pour le noir le plus sombre et 1 pour le blanc le plus clair se calcule ainsi dans l'espace de couleurs sRGB.

Dans l'espace sRGB, la luminance se calcule, sur les coefficients linéarisés, avec les coefficients de la Rec. 709 de l'Union internationale des télécommunications :

Y = 0.2126 r_{lin} + 0.7152 g_{lin} + 0.0722 b_{lin}

Les termes rlin, glin, blin se calculent à partir des valeurs numériques codées sur 8 bits des canaux rouge, vert et bleu. On les convertit en une valeur comprise entre 0 et 1 en divisant par la valeur maximale, 255 ; puis, identiquement pour chaque,

si  x_{RGB}\le{0.03928} (10/255 et moins) x = \frac{x_{RGB}}{12.92},
sinon x = \left(\frac{x_{RGB}+0.055}{1.055} \right)^{2.4}

Ces corrections correspondent à la fonction gamma. Dans les tubes cathodiques, le signal vidéo nécessaire pour produire une certaine luminance physique (donc en candelas par mètre carré) suit une loi non linéaire qui oblige à cette correction.

La plupart des systèmes informatiques devraient utiliser l'espace sRGB. Cependant, le réglage des écrans, optimisé pour une meilleure apparence du texte, correspond rarement aux prescriptions de la norme. Dans ce cas, ou si le système fonctionne avec Adobe RGB, ou si l'affichage est d'un modèle spécial, le sytème doit utiliser les coefficients appropriés[10].

Facteur de luminance[modifier | modifier le code]

Le facteur de luminance est un élément de caractérisation des surfaces pour leur définition colorimétrique.

Le facteur de luminance d'une surface est le rapport de sa luminance à celle du diffuseur parfait éclairé et observé dans les mêmes conditions[11].

Voir par exemple le facteur de luminance d'un marquage routier.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Yves Le Grand, Optique physiologique : Tome 2, Lumière et couleurs, Paris, Masson,‎ 1972.
  • Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam,‎ 2009, p. 308-311
  • Jean Terrien et François Desvignes, La photométrie, Paris, PUF, coll. « Que-Sais-Je » (no 1167),‎ 1972, 1e éd., 128 p.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

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Références[modifier | modifier le code]

  1. Le Vocabulaire électrotechnique international done une définition normative (IEC 60050) en plusieurs langues des termes luminance et luminance énergétique ((en) radiance).
  2. L'aire apparente est, pour une distance suffisamment grande, à peu près égale à l'aire divisée par la distance ; voir Diamètre apparent.
  3. Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck,‎ 2013, p. 406 « luminance ».
  4. a et b Terrien et Desvignes 1972, p. 17.
  5. Le lumen est l'unité de flux lumineux, et 1 lm = 1 cd⋅sr.
  6. Le Grand 1972, p. 40-53
  7. Le Grand 1972.
  8. Terrien et Desvignes 1972, p. 125.
  9. Union internationale des télécommunications, Rec. 601.
  10. (en) W3C, Web Content Accessibility Guidelines 2.0, avril 2008 ; (en) "Standard Default Color Space for the Internet - sRGB," M. Stokes, M. Anderson, S. Chandrasekar, R. Motta, eds., Version 1.10, November 5, 1996 ; et Commission électrotechnique internationale IEC/4WD 61966-2-1: Colour Measurement and Management in Multimedia Systems and Equipment - Part 2.1: Default Colour Space - sRGB. May 5, 1998.
  11. Commission électrotechnique internationale, Commission internationale de l'éclairage, IEC 60050 « Vocabulaire électrotechnique international », Electropedia ; Sève 2009, p. 331, 177