David MacAdam a entrepris un travail de pionnier dans le domaine de la perception des différences de couleur dans les années 1940. Il a notamment conçu l'appareil et affiné le processus statistique permettant de quantifier les tolérances de chromaticité autour d'une couleur cible.
MacAdam a utilisé la correspondance des couleurs par écart standard (SDCM) pour définir dans quelle mesure (ou non) la couleur émise par deux sources lumineuses correspondait l'une à l'autre. Au fur et à mesure que l'écart type entre deux échantillons augmente, la différence de couleur entre eux devient apparente pour un plus grand nombre de personnes.
Pourquoi la correspondance des couleurs avec écart standard est-elle importante ? Pour l'ingénieur en éclairage, une tolérance de couleur est exprimée sous la forme d'une ellipse MacAdam à 1 étape, 2 étapes, 3 étapes (etc.).
Deux sources lumineuses n'émettront jamais exactement la même couleur de lumière, mais comme plusieurs lumières sont généralement installées les unes à côté des autres, un degré de cohérence est très souhaitable. Par conséquent, les éclairagistes ont besoin d'un moyen d'exprimer une tolérance autour d'une couleur cible, de la même manière qu'un ingénieur en mécanique exprimera une tolérance autour d'une dimension.
Cet article explique le travail de David MacAdam qui a donné lieu à l'utilisation désormais universelle de l'ellipse de MacAdam comme moyen d'exprimer une tolérance autour d'une couleur cible.
Histoire. David MacAdam était un scientifique travaillant pour Kodak dans leur laboratoire de recherche à Rochester, New York. Dans les années 40, Kodak s'est intéressé à la précision avec laquelle l'œil humain pouvait différencier des couleurs similaires.
La correspondance des couleurs est-elle facile ?
La correspondance des couleurs est-elle facile ? Non, la correspondance des couleurs n'est pas facile du tout. Nous pouvons percevoir deux couleurs différentes comme étant très similaires, ou nous pouvons percevoir deux couleurs similaires comme très différentes car plusieurs facteurs interviennent dans la vision des couleurs.
Luminance, ou, en termes simples, à quel point quelque chose est brillant. La même source de lumière rouge, par exemple, apparaîtra très différemment en fonction de la luminosité avec laquelle elle brille. De même, deux couleurs différentes peuvent sembler similaires si l'une brille plus que l'autre. L'appareil de David MacAdam a été conçu de manière à ce que, quelle que soit la couleur des deux sources lumineuses comparées, la luminance soit maintenue à un niveau constant.
Teinte. C'est la couleur de la source lumineuse, déterminée par sa longueur d'onde. Dans la nature, la plupart des couleurs que nous voyons consistent en une longueur d'onde dominante plus quelques autres.
Pureté, ou saturation. Deux sources lumineuses peuvent toutes les deux avoir la même luminance et la même longueur d'onde dominante, mais si l'une d'elles était une source lumineuse très pure (c'est-à-dire qu'elle était très saturée, ce qui signifie que la majeure partie de l'énergie dans le faisceau lumineux était concentrée au niveau ou à proximité de l'onde dominante longueur) et l'autre contenait un plus grand mélange de différentes longueurs d'onde, elles semblent être différentes.
Avant la publication des travaux de David MacAdam, la communauté de l'éclairage avait tenté d'exprimer la capacité humaine à discriminer entre des couleurs similaires en termes de seuils de longueur d'onde (pour les couleurs spectrales ou saturées comme les rouges, verts et bleus purs) et les seuils de pureté (pour les non -couleurs spectrales comme le marron, le rose et le magenta).
Des travaux antérieurs, menés par d'autres chercheurs, avaient tenté de mesurer la perception des couleurs en recherchant une « différence juste perceptible ». Cette technique avait l'avantage d'être facile à mettre en œuvre et de ne nécessiter aucun équipement très spécialisé. Cependant, il a produit des résultats erratiques dans toute la gamme de couleurs évaluées.
D'autres chercheurs (Wright et Pitt dans "Hue discrimination in normal color-vision") avaient suggéré qu'une meilleure approche serait de faire un grand nombre de correspondances à chaque point du nuancier, puis d'analyser la répartition des observations, mais ils ont commenté que ce serait « un processus incroyablement long ».
Les recherches de David MacAdam – un résumé
MacAdam a reconnu que Wright et Pitt avaient raison en ce sens que de multiples observations étaient nécessaires et qu'un processus statistique était nécessaire pour analyser à quel point les correspondances tentées étaient proches (ou non) des couleurs cibles.
Pour surmonter les difficultés que Wright et Pitt espéraient créer « un processus incroyablement long », MacAdam a conçu et construit un instrument ingénieux pour tester la capacité d'un observateur à faire correspondre une couleur de test réglable à une couleur de référence fixe (ou cible) simplement en ajustant un cadran unique. Au cours de quelque 25 000 lectures, la capacité de l'assistant de David MacAdam, M. Perley G. Nutting, Jr., a été testée sur 25 couleurs de référence.
MacAdam a commencé par choisir 25 points largement répartis dans le diagramme d'espace colorimétrique CIE 1931 - voir la figure 48, ci-dessous, de l'article original de MacAdam.
Le point central de chaque ellipse est une couleur cible sélectionnée par David MacAdam.
Dans son article, MacAdam fait référence au diagramme de chromaticité standard ICI 1931. ICI est la Commission Internationale de l'Eclairage, plus connue aujourd'hui sous son acronyme français, CIE (Commission Internationale d'Eclairage).
Ellipses de MacAdam dessinées sur une version colorée du diagramme d'espace colorimétrique CIE 1931.
Chacun de ces points de couleur pourrait être produit par l'utilisation d'un seul filtre, disponible dans le commerce à l'époque. Certains des points de couleur choisis par MacAdam sont plus saturés (étant proches du bord du diagramme de l'espace colorimétrique) que d'autres qui sont plus proches du milieu. Ces points de couleur devaient être les 25 couleurs cibles avec lesquelles un observateur tenterait de créer une correspondance.
Filtres pour reproduire les couleurs cibles
Les filtres de couleur supplémentaires créés par MacAdam, tracés sur le diagramme d'espace colorimétrique CIE 1931.
Chaque couleur cible (ci-dessus) pourrait être reproduite en combinant la lumière (dans des proportions variables) de jusqu'à 8 paires de ces filtres supplémentaires.
MacAdam a ensuite créé une série d'environ 100 filtres de couleur supplémentaires. Ceux-ci ont été conçus de manière à ce que chacune des couleurs cibles (ci-dessus) puisse être reproduite (en teinte et en pureté) en mélangeant (dans les proportions nécessaires) la lumière d'une paire de filtres supplémentaires. En règle générale, chaque couleur cible pourrait être reproduite par jusqu'à 8 paires différentes de filtres supplémentaires s'ils étaient ajustés aux bonnes proportions.
Appareil de MacAdam pour générer la cible et les couleurs réglables
L'appareil conçu par MacAdam est détaillé ci-dessous. En bref, il se compose d'une seule source lumineuse (à droite) avec des filtres colorés (7& 8), d'un arrangement de prismes et de lentilles (au centre) et d'un oculaire (à gauche).
À partir de la source lumineuse unique (à l'extrême droite), l'appareil produit deux paires de faisceaux. Une paire est polarisée verticalement, l'autre horizontalement. Les deux paires se composent d'un faisceau du filtre 7 et d'un faisceau du filtre 8.
La vue présentée à l'observateur à l'oculaire (extrême gauche) était comme ci-dessous.
Le champ de test était en deux parties : d'un côté était la couleur cible produite par une paire de faisceaux dans des proportions qui avaient été fixées à l'avance pour correspondre à l'une des couleurs cibles sur le diagramme d'espace colorimétrique CIE 1931 avec un éclairement de 48 cd/m²
De l'autre, une couleur réglable, également produite par une paire de faisceaux provenant des mêmes filtres que l'observateur pouvait régler en tournant un seul cadran. Le cadran rotatif était connecté à un prisme et lorsque le prisme tournait, la proportion de lumière provenant des filtres 7& 8 changé en conséquence. Quel que soit le réglage effectué, la luminance est restée à 48 cd/m².
Prendre 25 000 lectures
Avant que les lectures puissent commencer, une paire de filtres a été sélectionnée et la position des prismes a été ajustée par calcul et observation de sorte que les faisceaux de lumière convergents correspondent à la couleur cible. Les observations ont alors commencé et c'était la tâche de l'observateur (le patient M. Nutting, qui a fait cela environ 25 000 fois) d'ajuster le cadran pour que la couleur à droite du champ de test corresponde à la couleur à gauche (voir schéma ci-dessus) .
Lorsque Nutting a réalisé ce qu'il considérait comme une correspondance, la position du cadran (et donc des prismes) a été notée. Selon la conception de l'appareil de MacAdam, tout changement de position des prismes correspondait à un changement de chromaticité.
Les lectures ont été répétées 50 fois pour chacune des 5 à 8 paires de filtres capables de produire une correspondance de couleur avec la cible.
Pour chaque série de 50 lectures, les résultats ont été enregistrés et l'écart type a été calculé et tracé sur le diagramme d'espace colorimétrique CIE 1931. Pour chacune des 25 couleurs cibles, le résultat était essentiellement le même, l'écart type de toutes les correspondances de couleurs tentées dans chaque ensemble tombait dans un motif qui décrivait une ellipse centrée sur la cible.
Les ellipses de MacAdam, telles que présentées dans son article original en 1942.
Au centre de chaque ellipse se trouvent les 25 couleurs de référence avec lesquelles il a tenté de créer une correspondance de couleurs. L'écart type des correspondances tentées par rapport aux couleurs de référence est décrit par les ellipses, dessinées ici à la taille réelle 10x.
Pourquoi les ellipses de MacAdam sont-elles importantes ?
Les ellipses de MacAdam sont importantes car les techniques qu'il utilise nous ont donné le moyen d'exprimer une tolérance autour d'une couleur cible.
En génie mécanique, on dit qu'une dimension sans tolérance n'a pas de sens. En éclairage, il en est de même. Une correspondance de couleur ne peut jamais être parfaite, les tolérances sont donc essentielles.
Lorsque nous décrivons un luminaire comme ayant un SDCM<3 (par="" exemple),="" cela="" signifie="" que,="" lorsqu'il="" est="" neuf,="" la="" couleur="" de="" la="" lumière="" émise="" par="" l'un="" de="" ces="" luminaires="" tombera="" à="" l'intérieur="" de="" la="" limite="" décrite="" par="" 3="" écarts="" types="" de="" correspondance="" des="" couleurs="" à="" partir="" du="" point="" central,="" ou="" couleur="" cible.="" pour="" la="" grande="" majorité="" des="" gens,="" ce="" niveau="" de="" variation="" est="" imperceptible.=""><5 est="" une="" norme="" plus="" souple="" et="" présentera="" des="" niveaux="" de="" variabilité="" plus="" élevés="" mais="" reste="" parfaitement="" acceptable="" pour="" de="" nombreuses="">
Que ne font pas les ellipses de MacAdam ?
MacAdam se préoccupait de décrire une méthode de définition des tolérances. Il ne se préoccupait pas de quantifier l'exactitude de la perception des couleurs dans l'ensemble de la population humaine. Bien que ses travaux aient indiqué que les observations de Nutting n'étaient pas anormales (elles ont été reproduites par un petit nombre d'autres observateurs), MacAdam n'a fait aucune étude systématique de l'exactitude de la perception des couleurs entre les différents sexes, âges ou ethnies.
