Conversion entre les espaces colorimétriques RVB et CMJN

En prépresse et en impression, une même image contenant les mêmes informations peut présenter des couleurs différentes selon le moniteur utilisé, et les couleurs peuvent également varier d'une imprimante couleur à l'autre. Une fois imprimée, le résultat peut être très différent de l'aperçu à l'écran. Les mêmes données colorimétriques ne produisent pas la même couleur sur des appareils différents, et il est difficile d'obtenir une couleur identique à différentes étapes de la conception et de la production prépresse. Quelle en est la raison ?

La raison réside dans le fait que ces images utilisent l'espace colorimétrique RVB ou CMJN, qui sont tous deux des représentations dépendantes de l'appareil. Autrement dit, la couleur perçue par l'œil humain à partir d'un ensemble de données RVB ou CMJN dépend étroitement des caractéristiques de l'appareil qui l'affiche. Dans le domaine de la reproduction imprimée, ce phénomène est appelé « dépendance de la couleur à l'appareil » : une même couleur présente des différences notables selon qu'elle est saisie ou affichée sur des scanners ou moniteurs de fabricants différents utilisant le même mode, et il en va de même pour les résultats obtenus sur des imprimantes de fabricants différents utilisant le même mode.

Lors du processus de reproduction prépresse, une même couleur doit être transmise entre différents appareils matériels. L'original (le plus souvent basé sur la synthèse soustractive, tandis que les originaux numériques reposent sur la synthèse additive) est numérisé, traité (synthèse additive), puis finalement restitué sous forme d'épreuve numérique (synthèse soustractive). En raison des différences fondamentales entre la synthèse additive et la synthèse soustractive, il est nécessaire de comprendre la conversion entre l'espace colorimétrique RVB et l'espace colorimétrique CMJN afin de garantir la cohérence des couleurs à chaque étape du processus de reproduction prépresse et de contrôler la qualité de la reproduction des couleurs.

1 Notion d'espace colorimétrique

Un espace colorimétrique désigne un sous-ensemble de photons visibles dans un domaine tridimensionnel de couleurs, contenant toutes les couleurs d'un domaine donné. Par exemple, le modèle RVB est un cube unité dans un système de coordonnées cartésiennes tridimensionnelles. L'utilité d'un modèle d'espace colorimétrique est de spécifier commodément des couleurs dans un domaine donné. Comme chaque domaine de couleurs est un sous-ensemble de la lumière visible, aucun modèle ne peut contenir toutes les couleurs visibles. On décrit généralement les couleurs à l'aide de trois attributs relativement indépendants ; la combinaison de ces trois variables indépendantes constitue naturellement une coordonnée spatiale, c'est-à-dire un espace colorimétrique. Une couleur peut être décrite sous différents angles à l'aide de trois attributs différents, ce qui donne naissance à différents espaces colorimétriques. Cependant, l'objet coloré décrit reste objectif ; les différents espaces colorimétriques ne sont que des manières différentes de mesurer un même objet.

Les espaces colorimétriques se divisent en deux grandes catégories selon leur structure de base : les espaces de couleurs primaires et les espaces séparant la couleur de la luminance. Le représentant typique de la première catégorie est le RVB, qui inclut également CMJ, CMJN, etc. La seconde catégorie comprend YCC/YUV, Lab, ainsi qu'une série d'« espaces colorimétriques de type teinte ».[next]

2 Modèle d'espace colorimétrique RVB

Dans la nature, les trois couleurs primaires de la lumière sont le rouge, le vert et le bleu. L'œil humain perçoit les couleurs par stimulation des cellules coniques de la rétine par ces trois lumières visibles. Ces stimulations atteignent leur maximum aux longueurs d'onde de 630 nm, 530 nm et 450 nm. En comparant l'intensité de chaque stimulation, nous percevons la couleur de la lumière. La majeure partie du spectre visible peut être représentée par le mélange de lumières rouge, verte et bleue dans des proportions et intensités variables. Dans le domaine de la reproduction d'images, on utilise souvent 256 niveaux pour mesurer respectivement R, V et B, chaque canal étant généralement doté d'une valeur décrivant son niveau. 0 correspond à l'absence de lumière, 255 à la lumière maximale. Les trois canaux RVB correspondent respectivement au rouge pur, au vert pur et au bleu pur. Lorsque les trois canaux sont à 255, on obtient de la lumière blanche ; lorsque le rouge est à 255 et le vert et le bleu à 0, on simule une lumière rouge pure.

En prenant les trois paramètres R, V, B comme coordonnées, on obtient un cube unité (figure 1) décrivant le modèle RVB.

Le RVB est un modèle additif : la luminance, la chromaticité et la pureté de la source lumineuse sont mélangées dans les trois paramètres R, V, B. La luminance L de la source est donnée par : L = 0,3R + 0,6V + 0,1B. Bien entendu, ces coefficients ne sont qu'approximatifs ; leur valeur exacte dépend du standard de phosphores utilisé par le moniteur. Pour le standard vidéo NTSC, les trois coefficients sont respectivement 0,299, 0,587 et 0,144. La synthèse additive de lumières colorées, également appelée mélange additif, produit une nouvelle lumière colorée lorsque différentes lumières sont projetées simultanément ; à mesure que la quantité de mélange augmente, la luminance de la lumière résultante augmente et son énergie croît. Le mélange à parts égales de lumière rouge et verte produit de la lumière jaune ; le mélange à parts égales de lumière rouge et bleue produit de la lumière magenta ; le mélange à parts égales de lumière verte et bleue produit de la lumière cyan ; le mélange à parts égales des trois primaires rouge, vert et bleu produit de la lumière blanche. Un mélange inégal des trois primaires produit une gamme de couleurs plus riche.

La diagonale du cube coloré allant du point (0,0,0) au point (1,1,1) représente les différents niveaux de gris obtenus par superposition égale de rouge, vert et bleu. Tous les pixels d'une image en niveaux de gris se situent sur cette diagonale, ce qui montre que l'espace des gris est un sous-ensemble de l'espace RVB. Cette diagonale est appelée ligne des gris.[next]

3 Modèle d'espace colorimétrique CMJN

Pour l'épreuvage numérique et l'impression couleur, on utilise des colorants ou des pigments, c'est-à-dire que l'on superpose ou juxtapose le jaune, le magenta et le cyan pour reproduire les couleurs de l'original. En théorie, selon le principe de la synthèse soustractive, le mélange des trois couleurs soustractives primaires (cyan, magenta, jaune) devrait produire le même nombre de couleurs que le modèle RVB. L'espace CMJ est basé sur la quantité de lumière absorbée pour former différentes couleurs. Les couleurs obtenues par superposition des trois primaires soustractives idéales apparaîtraient également dans le cube de la figure 1 ; ses trois composantes principales peuvent être calculées par la formule :

CMJ = 111 - RVB

En théorie, le mélange à différentes proportions d'encre jaune, magenta et cyan permet de reproduire toutes les couleurs. Le mélange de 100 % de jaune, 100 % de magenta et 100 % de cyan devrait produire du noir. Cependant, les encres utilisées en impression ne sont pas idéales : une encre jaune idéale devrait réfléchir complètement la lumière visible entre 500 et 700 nm et absorber complètement celle entre 400 et 500 nm, mais l'encre jaune réelle ne se comporte pas ainsi ; elle réfléchit insuffisamment entre 500 et 700 nm et absorbe insuffisamment entre 400 et 500 nm, car elle présente une légère composante magenta et cyan. Les autres encres présentent le même problème. En impression ou en sortie d'imprimante, si l'on n'utilise pas d'encre noire, le mélange de 100 % de jaune, 100 % de magenta et 100 % de cyan donne une couleur brunâtre et non un vrai noir. On ajoute donc généralement du noir pour garantir que les tons sombres et les gris ne dérivent pas. C'est pourquoi l'on parle couramment du modèle CMJN et rarement du modèle CMJ. Le mode CMJN est principalement utilisé pour les couleurs exprimées par des colorants, comme les encres d'imprimerie, les sorties d'imprimantes couleur, les peintures, etc.

L'espace CMJN est un espace colorimétrique applicatif ; il désigne en substance la taille des points de trame CMJN imprimés pour reproduire les couleurs. Les valeurs CMJN sont donc exprimées en pourcentage de 0 % à 100 %, et non de 0 à 255. C0% M0% Y0% K0% représente le blanc, C0% M0% Y0% K100% représente le noir.[next]

4 Conversion du RVB vers le CMJN

En prépresse, convertir une image RVB en image CMJN revient à transformer l'image de l'espace colorimétrique RVB vers l'espace colorimétrique CMJN. Bien qu'il s'agisse purement d'une conversion d'espace colorimétrique, on l'appelle habituellement séparation des couleurs.

Deux problèmes complexes se posent lors de cette conversion. Premièrement, les deux espaces colorimétriques n'ont pas la même étendue de reproduction : le gamut RVB est plus large que le gamut CMJN, ce qui nécessite une compression de gamut. Deuxièmement, ces deux espaces sont dépendants de l'appareil et la couleur elle-même n'est pas absolue. Il faut donc effectuer la conversion via un espace colorimétrique indépendant de l'appareil, par exemple l'espace Lab.

1) Conversion des couleurs
Lors du mappage des couleurs d'un espace vers un autre, on peut utiliser trois modes de mappage : la « compression de gamut », la « compression de gradation » et le « mappage du point blanc ».

① Compression de gamut
Trois méthodes sont possibles : la première consiste à conserver inchangées les couleurs à l'intérieur du gamut et à remplacer les couleurs hors gamut par la couleur la plus proche ; la deuxième consiste également à conserver les couleurs intérieures au gamut et à reproduire les couleurs hors gamut avec la saturation la plus élevée possible ; la troisième consiste à projeter les couleurs hors gamut sur le bord du gamut et à comprimer uniformément toutes les autres couleurs dans le gamut, l'angle correspondant restant inchangé, ce qui réduit la saturation.
② Compression de gradation
Deux méthodes existent : la première reproduit exactement la luminance à l'intérieur du gamut et augmente ou diminue la luminance hors gamut jusqu'à ce qu'elle se situe exactement sur le gamut. Cette méthode comprime le contraste dans les hautes lumières ou les ombres. La deuxième fait coïncider les luminances maximales des deux espaces colorimétriques et ajuste dynamiquement les autres luminances, c'est-à-dire une compression uniforme.
③ Mappage du point blanc
Deux méthodes existent : la première projette uniformément les valeurs tonales de l'espace colorimétrique de l'appareil d'entrée sur l'espace colorimétrique de l'appareil de sortie, de sorte que le point blanc obtenu corresponde au point blanc de l'observateur standard (illuminant D50, angle de champ 2°). La deuxième convertit les valeurs tonales de l'espace d'entrée en nouvelles valeurs colorimétriques par rapport au blanc du papier ou du support.[next]

2) Transmission des couleurs lors de la séparation
Les valeurs chromatiques de l'original sont L0, A0, B0. Après numérisation par un scanner ou un appareil photo numérique, le signal numérique entre dans le système de traitement d'images. Généralement, la lumière colorée de l'original est décomposée en trois composantes rouge, verte et bleue, et le signal numérique de l'image est R1, G1, B1.
Ensuite, l'image couleur est affichée à l'écran. L'opérateur corrige les couleurs dans le logiciel de traitement d'image en fonction de l'état de l'image ; le signal devient R2, G2, B2. Pour produire une épreuve numérique couleur, les couleurs sont converties en R3, G3, B3 pour piloter l'imprimante ; les couleurs sont transférées sur le papier et l'épreuve présente les couleurs L1, A1, B1.
Pour répondre aux besoins de la reproduction imprimée, l'image est convertie en mode quadrichromie cyan, magenta, jaune, noir ; les couleurs passent de R2, G2, B2 à des taux de couverture Y1, M1, C1, K1. Après imposition, RIP et sortie sur flasheuse, on obtient des films de sélection avec des taux de couverture Y2, M2, C2, K2. Après insolation, la plaque offset présente des taux de couverture Y3, M3, C3, K3. Finalement, sur la presse, les points d'encre sont transférés de la plaque au support, les taux de couverture deviennent Y4, M4, C4, K4, et déterminent avec le support la couleur finale imprimée L2, A2, B2.

3) Calcul de la séparation

Lors de la séparation, il faut d'abord calculer la valeur du noir, puis les trois autres composantes YMC. Il existe de nombreuses méthodes pour générer la plaque noire. Dans Photoshop, les méthodes de génération du noir sont l'UCR (retrait des couleurs de fond) et le GCR (remplacement des composantes grises). Prenons l'exemple du retrait des couleurs de fond : la conversion théorique de l'espace RVB vers CMJN nécessite de lire les valeurs R, V, B, de générer les valeurs intermédiaires c, m, y, k, puis d'utiliser la fonction de génération du noir selon le principe UCR pour créer la plaque noire. La fonction de génération du noir et la fonction de retrait des couleurs de fond dépendent de la combinaison papier/encre sélectionnée, des fonctions d'élargissement des points de trame en demi-teintes de chaque plaque, de la limite de noir et de la limite totale d'encre.

Par exemple, étant donné un jeu de valeurs R, V, B (RVB représentant la position de la couleur dans le cube unité), on peut calculer les valeurs intermédiaires y, m et c par les formules suivantes :
c = 1 - R, m = 1 - G, y = 1 - B

La valeur du noir déterminée par le retrait des couleurs de fond est :

k = min(c, m, y)

Après avoir obtenu les quatre valeurs intermédiaires c, m, y et k, on tient compte de la fonction de génération du noir et de la fonction de retrait des couleurs de fond, puis on ajuste avec les formules suivantes pour obtenir les valeurs finales C, M, Y et K :

C = min(0, c - UCR(k))
M = min(1.0, max(0.0, m - UCR(k)))
Y = min(1.0, max(0.0, y - UCR(k)))
K = min(1.0, max(0.0, BG(k)))

3) Réglages de séparation dans Photoshop
Photoshop permet de choisir le type de séparation : on peut opter pour le retrait des couleurs de fond (UCR) ou le remplacement des composantes grises (GCR). Le retrait des couleurs de fond consiste à retirer l'encre couleur des composantes grises dans les ombres et à la remplacer par de l'encre noire. Ses avantages typiques : utiliser une encre noire bon marché pour remplacer les encres couleur coûteuses afin de reproduire les composantes grises des ombres, ce qui réduit le coût d'impression ; cela réduit également l'épaisseur totale de la couche d'encre, favorise un repérage rapide, répond aux besoins de l'impression à grande vitesse et contribue à l'équilibre et à la reproduction des gris neutres. Le taux de retrait est généralement limité, ce qui détermine la longueur de la gradation de la plaque noire ; il est généralement de l'ordre de 30 % à 40 %.

La « limite maximale d'encre noire (Black ink limit) » désigne la quantité maximale d'encre noire autorisée dans les zones d'ombres de l'image. Elle correspond en substance à un calibrage des ombres sur la sélection noir et influence la courbe de génération de la plaque noire. On la fixe généralement entre 90 % et 100 %. La « limite totale d'encre (Total ink limit) » désigne la somme des quantités d'encre jaune, magenta, cyan et noire. Une limite totale trop élevée nuit au séchage de l'encre et réduit la vitesse d'impression. On la fixe généralement entre 220 % et 300 %.

Le remplacement des composantes grises repose sur le principe qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser les trois encres primaires jaune, magenta et cyan pour produire un gris neutre que l'encre noire seule peut obtenir. Ce procédé réduit le temps de séchage de l'encre, augmente la vitesse d'impression et diminue les coûts. Dans Photoshop, plusieurs modes de génération de la plaque noire sont disponibles : None, Light, Medium, Heavy, Maximum et personnalisé.

L'« ajout de couleur de fond (Under color addition) » consiste à ajouter de l'encre couleur dans les zones d'ombres de l'image, aux endroits où l'encre noire se superpose, afin de restaurer la neutralité des couleurs et d'augmenter les détails dans les ombres. En général, le taux d'ajout de couleur de fond est d'environ 10 %. L'ajout de couleur de fond dérive du retrait des couleurs de fond ; il n'est efficace que sur les zones de gris neutre de l'image et non sur les parties colorées.

Le remplacement des composantes grises et le retrait des couleurs de fond sont deux concepts différents : le retrait des couleurs de fond n'agit que sur les zones d'ombres de l'image, tandis que le remplacement des composantes grises agit sur toute l'image et sur la structure des couleurs composées. Le retrait des couleurs de fond a une portée relativement limitée, alors que le remplacement des composantes grises peut s'appliquer à toute la gradation.