Synthèse soustractive

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Synthèse soustractive
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La synthèse soustractive des couleurs est le procédé consistant à combiner l'absorption d'au moins trois couleurs primaires pour obtenir toutes celles d'une gamme.

Le terme soustractif vient du fait qu'un objet coloré absorbe une partie de la lumière incidente. Il soustrait donc une partie du spectre de celle-ci. En retirant successivement certaines parties du spectre, les couleurs de la synthèse soustractive en laissent d'autres prépondérantes. Celles-ci déterminent la couleur résultante.

La photographie argentique en couleurs et l'impression en couleurs utilisent des procédés de synthèse soustractive.

Les trois colorants primaires généralement utilisés pour la synthèse soustractive sont un cyan, un jaune et un magenta, dont le spectre d'absorption doit convenir au procédé et dont la couleur exacte peut varier.

Théorie[modifier | modifier le code]

La perception des couleurs dépend de la longueur d'onde des rayonnements lumineux qui parviennent à la rétine, au fond de l'œil. Les trois sortes de cônes qui la tapissent sont inégalement sensibles aux différentes régions du spectre lumineux. Le système nerveux transforme les différences de réponse de ces cônes en sensation de couleur ; de sorte que des lumières qui créent la même réponse dans les cônes ont la même couleur, même si elles sont physiquement différentes. Quand il n'y a pas de différence, il n'y a pas d'impression de couleur, ou, si l'on veut, la couleur est blanche ou grise. La trichromie tire parti de cette particularité pour créer, avec seulement trois couleurs, toutes les couleurs intermédiaires.

Il y a deux façons de mettre en œuvre un procédé trichrome. Soit on part du noir (aucune lumière) et on y ajoute des quantités réglées de lumières des couleurs primaires : c'est la synthèse additive des couleurs ; soit on part du blanc de la lumière qui illumine un écran ou une feuille de papier, et on en retire des couleurs, pour qu'il ne réfléchisse plus que les quantités désirées de chacune des mêmes primaires : c'est la synthèse soustractive des couleurs.

Couleurs optimales et teintures bloc[modifier | modifier le code]

La théorie de la synthèse soustractive des couleurs suppose qu'on utilise des teintures bloc ((en) block dyes)[1]. Il n'en existe que des lointaines approximations dans la réalité ; mais elles permettent des explications et des calculs simplifiés. Ces teintures blocs se définissent comme des filtres parfaits. Entre deux longueurs d'onde,

  • soit ils laissent passer tous les rayonnement lumineux, et dans ce cas, ils bloquent absolument tout le reste,
  • soit ils bloquent absolument tous les rayonnements lumineux, et dans ce cas, ils laissent passer tout le reste.

Les longueurs d'onde limite des trois primaires doivent coïncider, divisant l'ensemble du spectre, de 400 nm (extrémité bleu-violet) à 700 nm (extrémité rouge) en trois parties à peu près égales. Les limites des secteurs peuvent être à 490 nm et 580 nm[2].

On appelle couleur optimale une couleur répondant aux mêmes conditions qu'une une teinture bloc. Une couleur optimale a la particularité d'être la plus lumineuse possible pour une impression colorée donnée[3].

Division du spectre en trois[modifier | modifier le code]

Théorie de la synthèse soustractive : Position sur le diagramme de chromaticité des teintures élémentaires et des primaires avec des couleurs optimales, transitions à 490 nm et 580 nm.
Les teintures, au milieu des côtés, sont moins saturées que les primaires obtenues par mélange, aux sommets du triangle.

Les deux limites de domaine du spectre vont délimiter trois couleurs optimales, primaires possibles pour une synthèse additive[4] :

  • toutes les longueurs d'onde de 400 nm à 490 nm, rien au delà : couleur optimale primaire bleue (longueur d'onde dominante 460 nm, pureté d'excitation 98 %) .
  • toutes les longueurs d'onde de 490 nm à 580 nm, rien ailleurs : couleur optimale primaire verte (longueur d'onde dominante 540 nm, pureté d'excitation 77 %) .
  • toutes les longueurs d'onde de 580 nm à 700 nm, rien en deçà : couleur optimale primaire rouge (longueur d'onde dominante 602 nm, pureté d'excitation 99 %).

L'objectif de la synthèse est de créer des couleurs équivalant à un mélange de ces primaires. Par exemple, un mélange de deux tiers de rouge avec un tiers de vert donnera un orangé. Pour y parvenir, on va utiliser des teintures bloc qui en transmettent deux à la fois.

  • la teinture bloc cyan transmet toutes les longueurs d'onde de 400 nm à 580 nm, rien au delà : elle absorbe la couleur optimale primaire rouge.
  • la teinture bloc magenta transmet toutes les longueurs d'onde de 400 nm à 490 nm et de 580 nm à 700 nm : elle absorbe la couleur optimale primaire verte.
  • la teinture bloc jaune transmet toutes les longueurs d'onde de 490 nm à 700 nm : elle absorbe la couleur optimale primaire bleue.

De cette façon, chacune des teintures bloque une des primaires, et on procède par soustraction.

Pour éviter les confusions dans la discussion théorique, on les appelle les couleurs de ces teintures couleurs fondamentales associées à une primaire[5]. Cette distinction est importante en ceci que, à la différence des lumières de la synthèse additive, pour lesquelles le spectre lumineux n'a pas d'importance pourvu que la couleur perçue soit convenable,

pour une synthèse soustractive des couleurs, le spectre d'absorption de la teinture, et non sa couleur, détermine la possibilité de son emploi.

Exemple — la teinture cyan  :

La teinture bloc cyan transmet toutes les longueurs d'onde de 400 nm à 580 nm. On peut, à l'aide des tables de fonctions chromatiques de la CIE, calculer que sa longueur d'onde dominante est de 490 nm avec une pureté d'excitation de 45 %[6].

Une teinture qui transmettrait parfaitement les longueurs d'onde de 480 nm à 495 nm et 5 % de toutes les autres longueurs d'ondes pourrait donner la même impression visuelle colorée, caractérisée par la longueur d'onde dominante et la pureté d'excitation, mais il serait impossible de s'en servir pour la synthèse soustractive, même sans compter le fait qu'elle serait beaucoup moins lumineuse que la teinture bloc, dont la couleur optimale est la plus lumineuse possible pour une pureté d'excitation donnée.

En l'absence de la teinture qui la bloque, la primaire est au maximum. L'application de la teinture réduit son niveau à proportion.

Combinaison des teintures[modifier | modifier le code]

Synthèse soustractive — Combinaison de teintures

On retrouve facilement les primaires additives :

  • pour ne garder que du rouge à partir du blanc qui contient rouge, vert et bleu, il faut supprimer le bleu, avec la teinture jaune, et le vert, avec la teinture magenta ;
  • pour n'obtenir que du vert, il faut enlever du blanc initial le rouge, avec la teinture cyan, et le bleu, avec la teinture jaune ;
  • pour ne laisser que du bleu, il faut enlever le rouge avec la teinture cyan et le vert avec la teinture magenta.

Pour les couleurs intermédiaires, on applique des quantités calculées de teintures. Par exemple, supposons un marron correspondant à la synthèse additive de 50 % de rouge et 25 % de vert. Il n'y a aucun bleu : on applique donc la teinture jaune à 100 %. Pour conserver 25 % de vert, il faut en enlever 75 % : on applique la teinture magenta à 75 %. Il n'y a que 50 % de rouge : on applique donc la teinture cyan à 50 %.

(r = 0,5 ; v = 0,25 ; b = 0) ≈ (c= 1-r = 0,5 ; m= 1-v = 0,75 ; j = 1-b = 1)

Pour un orange correspondant à 90 % de rouge, 50 % de vert et 10 % de bleu en synthèse additive, il faut garder les 9/10 du rouge présent dans le blanc, on n'applique donc que 10% de teinture cyan ; pour supprimer la moitié du vert, 50 % de teinture magenta, et pour ne garder qu'un dixième de bleu, il faut une teinture jaune à 90 %.

(r = 0,90 ; v = 0,5 ; b = 0,1) ≈ (c = 1-r = 0,1 ; m = 1-v = 0,5 ; j = 1-b = 0,9)

Pour chacun des secteurs des couleurs optimales primaires, on soustrait au maximum, 100 %, la quantité indiquée par la teinture qui en est la complémentaire. Le mélange des trois teintures bloc absorbe toute la lumière, et il ne reste que du noir.

Caractéristiques fondamentales de la synthèse soustractive[modifier | modifier le code]

On remarque

  1. que pour la synthèse soustractive, ce n'est pas seulement la couleur de la teinture qui compte, mais son spectre ; même les couleurs fondamentales idéales de la synthèse soustractive ne peuvent être monochromatiques ;
  2. que les couleurs primaires obtenues par superposition de deux couleurs fondamentales blocs à 100 % sont plus saturées que les couleurs de ces teintures bloc, puisque la plage de longueurs d'onde qu'elles laissent passer est plus étroite.

Le rendu dépend de la qualité du blanc de départ, constitué par la lumière, et le support, feuille de papier ou écran de projection.

Application[modifier | modifier le code]

Domaines[modifier | modifier le code]

L'expression « synthèse soustractive des couleurs » ne s'applique en général qu'aux procédés industriels de reproduction des images, photographie argentique en couleurs et surtout impression en couleurs.

La combinaison de colorants pour l'obtention de teintes de peintures, qui utilise, à cette fin, potentiellement l'ensemble des colorants disponibles, et étudie, en plus du résultat coloré, les possibles réactions chimique, la stabilité dans le temps et la résistance à la lumière des produits, n'est pas considérée comme une synthèse de couleurs.

L'activité des artistes peintres, qui disposent sur un support généralement blanc des pigments pour obtenir des images, suit ses propres règles, qui sont plutôt celles de l'interaction, que celles de la synthèse des couleurs. Les artistes ne limitent pas, la plupart du temps, leur palette à trois couleurs. Ils n'exploitent pas, en général, toutes les combinaisons des couleurs de base ; mais travaillent certaines familles de couleurs correspondant aux ton général et aux tons locaux de leur ouvrage.

Écarts à la théorie[modifier | modifier le code]

Les colorants qui existent dans la réalité sont loin d'être des teintures bloc, et la synthèse soustractive réelle est loin d'être parfaite. Pendant toute la période de l'usage généralisé de la photographie en couleurs, les fabricants ont rivalisé pour essayer d'améliorer le procédé. Les chimistes ont travaillé, pendant la première moitié du XXe siècle, à améliorer les colorants pour l'imprimerie. On arrive à de bonnes approximations pour le jaune, d'assez bonnes pour le cyan, mais les courbes d'absorption du magenta sont toujours éloignées de l'optimum.

Les principaux effets de l'imperfection des colorants se font sentir pour les teintes saturées, quand la concentration des colorants est forte. Comme, sauf le jaune, ils absorbent de la lumière dans les régions où ils devraient la laisser passer, la luminosité diminue. C'est ainsi que les imprimeurs connaissent toujours des difficultés avec les orange à la fois vifs et lumineux. Pour la même raison, il existe un maximum de la saturation à une certaine concentration de colorant ; au delà, la couleur s'assombrit et la saturation diminue.

Alors qu'une teinture bloc passe, dans le monde théorique, d'une transmission totale à une absorption totale sans transition, les colorants réels, et principalement le magenta, passent progressivement d'une transmission imparfaite à une absorption importante. En conséquence, la longueur d'onde dominante varie légèrement avec la concentration, en même temps que la saturation. On considère que les primaires du système additif associé au procédé soustractif ne sont pas stables[7]

Les laboratoires photographiques et les imprimeurs connaissent les minutieux réglages nécessaires pour parvenir au meilleur résultat possible, compte tenu de la nature de l'image à reproduire.

Photographie en couleurs[modifier | modifier le code]

Courbes de sensibilité spectrale des couches sensibles d'un film argentique couleur

La photographie argentique en couleurs est une application historique de la synthèse soustractive des couleurs. Pour la captation des images, le flux lumineux est divisé par des filtres en trois parties, l'une regroupant les lumières de faibles longueurs d'onde (bleus), la seconde les lumières de longueurs d'onde moyenne (les verts) et la troisième les lumières de longueurs d'onde longues (rouges).

La photographie argentique est un procédé essentiellement négatif : plus l'objet photographié est lumineux, plus l'image résultante est dense, donc sombre. Dans le procédé négatif-positif, l'épreuve inverse les valeurs une seconde fois, donnant sur l'image une clarté similaire à celle de l'objet ; dans le procédé inversible, avec lequel on produit les diapositives, on élimine chimiquement l'image négative après le développement, et on se sert de ce qui reste des cristaux d'argent sensibles pour développer une nouvelle image. Lorsqu'on veut photographier en couleurs, le flux lumineux de l'image traverse successivement trois couches d'émulsion sensible.

Schéma des couches d'un film négatif couleur

Les filtres correspondants à chaque couche ont des teintes complémentaires aux primaires. Par exemple, la première couche est sensible au bleu. Plus la lumière est bleue, plus la couche est exposée ; comme elle est négative, c'est dire que plus la lumière est bleue, plus la première couche doit être jaune, bloquant les bleus. Idéalement, ces filtres devraient être de couleurs optimale ; en pratique, seul le filtre jaune s'en approche assez.

Des colorants sensibilisateurs rendent les cristaux d'argent de chacune des couches sensibles à une zone de radiations. D'autres colorants filtrent la lumière d'une couche à l'autre, et enfin, des colorants dits coupleurs vont permettre de remplacer les cristaux insolés, de chaque couche, par un colorant, au cours d'une opération chimique appelée développement chromogène.

Tous ces colorants influent sur la représentation des couleurs. Les colorants finaux sont créés au cours du développement chromogène, et les conditions de cette opération influent aussi notablement sur le résultat. Dans l'hypothèse d'un traitement parfaitement conforme aux attentes, les colorants finaux restent assez différents de l'idéal d'une teinture-bloc. Les colorants absorbent une partie des longueurs d'ondes qui devraient les traverser sans atténuation, amenant un déplacement des primaires lorsque la concentration en colorant croît : les jaunes tendent vers l'orangé, les magentas vers le rouge et les cyans vers le bleu[8]. Pour compenser ces écarts, le développement inclut la création, soit dans les parties exposées, soit dans les parties non exposées, la formation de masques qui en corrigent une partie[9].

Les professionnels compensent autant que possible ces écarts : les éclairagistes en tiennent compte dans le filtrage des lumières, les techniciens de laboratoire privilégient en général le rendu des tons de peau, auxquels les spectateurs sont plus sensibles, au détriment de l'exactitude du rendu des couleurs plus vives.

Imprimerie[modifier | modifier le code]

Courbes de réflectance des encres cyan, magenta et jaune MY et du support papier pour l'impression quadrichromie.
Articles connexes : Impression en couleurs et Quadrichromie.

La norme ISO 2846 définit la couleur et la transparence des gammes d’encre d’impression en quadrichromie dans des conditions précises de laboratoire pour garantir une homogénéité des processus d'impression.

Ces courbes s'éloignent plus que celles de la photographie en couleurs d'un idéal de teintures bloc. En conséquence, il est impossible de retrouver les primaires à partir des couleurs fondamentales.

Exemple — Jaune et magenta  :

Les teintures bloc de la théorie jaune et magenta absorbent respectivement le bleu et le vert, et leur superposition devrait laisser le rouge.

Les colorants réels absorbent, ensemble, environ la moitié du rouge, et ils laissent paser un peu de bleu et surtout de vert. Le rouge formé est moins pur et plus orangé que ce l'idéal.

Les gamuts sont des triangles en synthèse additive, pas en synthèse soustractive.

En conséquence, la séparation quadrichromique, c'est-à-dire l'établissement des quantités d'encres nécessaires pour l'obtention des couleurs, est notablement plus compliquée que dans les calculs théoriques avec des teintures blocs.

L'ajout du noir[modifier | modifier le code]

En théorie, les trois couleurs primaires permettent d'imprimer toutes les couleurs existantes à l'intérieur du gamut. Cependant en imprimerie on ajoute le noir aux trois couleurs primaires pour plusieurs raisons :

  • Le noir est une composante fréquente de toutes les images. Il y a beaucoup plus de couleurs grisées que de couleurs éclatantes. Pour faire du noir avec les teintures des couleurs fondamentales, il faut trois fois plus de teinture qu'en le faisant directement avec du noir. L'excès d'encre est un problème en imprimerie.
  • Les trois encres de couleurs fondamentales ne permettent pas l'obtention d'un noir neutre et profond. Les pigments des encres primaires ne sont pas rigoureusement des teintures bloc (surtout le magenta) et leur transparence est inégale (problème de superposition).
  • Augmenter le contraste du fichier correspondant au noir permet d'augmenter le rendu des détails de l'image et des noirs profonds.
  • Les encres colorées sont plus coûteuses.
  • Les encres colorées sont moins stables dans le temps.
  • L'encre noire permet avantageusement dans les tons noirs et les teintes tertiaires sombres et désaturées de se substituer à elles par un traitement spécial appelé « retrait de sous-couleurs » ou mieux par la « stabilisation des gris » plus complexe et qui nécessite l'emploi d'un logiciel adapté.

À l'inverse, lorsqu'une illustration prévoit dans une quadrichromie de placer un bandeau d'aplat noir, on applique généralement une quantité de cyan ou de magenta (généralement 40 % de la primaire pour 100 % de noir) sous le noir pour le rendre plus puissant, c'est ce que l'on appelle un noir avec soutien.

Hexachromie[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Hexachromie.

Une qualité de reproduction supérieure s'obtient en augmentant le nombre de couleurs fondamentales. L'hexachromie en utilise cinq plus le noir. Si ces couleurs sont prises en dehors de celles qui peuvent être rendues par les trois premières, elles étendent le champ chromatique possible. On peut aussi choisir des pigments de teintes pâles. En général l'imprimerie ne mélange pas les pigments, mais les juxtapose dans des trames de points[10]. Lorsque les couleurs sont pâles, les points, plus petits, deviennent plus visibles. Des pigments plus pâles permettent de grossir les points, avec une trame moins visible. C'est pour cette raison que des imprimantes à jet d'encre ajoutent deux à cinq teintes pastel aux trois fondamentales.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam,‎ 2009

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Les teintures sont transparentes, les pigments sont opaques.
  2. selon Sève 2009, p. 201.
  3. Sève 2009, p. 224.
  4. Il n'est pas nécessaire que les primaires de la synthèse additive soient des couleurs optimales, mais rien ne l'empêche. La captation trichrome des couleurs nécessite idéalement des filtres de couleur optimale.
  5. René Dennilauler, La photographie en couleurs,‎ 1990, p. 32.
  6. Illuminant D65 ; voir Sève 2009 pour la méthode de calcul et les tables.
  7. Sève 2009, p. 199-201.
  8. Sève 2009, p. 201.
  9. Dennilauler 1990, p. 36sq.
  10. L'héliogravure, parce qu'elle utilise des couleurs plus fluides qui diffusent, laisse moins voir la trame.