Luminosité (colorimétrie)

Pour être difficile à définir avec rigueur, une grandeur qui représente sommairement la luminosité, dans des conditions bien définies d'essai d'un écran ou d'une surface, est d'une grande utilité pratique.

La Commission internationale de l'éclairage (CIE) a défini la luminosité L* à partir de la luminance lumineuse Y de la lumière produite par une source primaire ou secondaire, exprimée en candelas par mètre carré (cd/m²), relativement à la luminance lumineuse Y_n du blanc pris comme référence (l'indice « n » signifiant « neutre »). Le rapport Y/Y_n est la luminance lumineuse relative. La luminosité prend dans ce cas une valeur comprise entre 0 et 100 (Sève 2009, p. 178) :

${\displaystyle L^{\star }={\begin{cases}116\cdot \left({\dfrac {Y}{Y_{\mathrm {n} }}}\right)^{1/3}-16&{\text{si }}{\dfrac {Y}{Y_{\mathrm {n} }}}>\left({\dfrac {6}{29}}\right)^{3}=0{,}008\,856\\116\cdot {\dfrac {1}{3}}\cdot \left({\dfrac {29}{6}}\right)^{2}\cdot {\dfrac {Y}{Y_{\mathrm {n} }}}=903{,}3\cdot {\dfrac {Y}{Y_{\mathrm {n} }}}&{\text{sinon}}.\end{cases}}}$

Dans le cas d'une source primaire, le blanc de référence est le blanc (généralement l’illuminant D65) le plus lumineux que peut produire la source (téléviseur, projecteur ou autre). Dans le cas d'une source secondaire, le blanc de référence est le blanc produit par une surface en oxyde de magnésium (MgO), matériau possédant un facteur de réflexion de 97,5 %.

Un gris ayant un facteur de réflexion de 18 % (du point de vue photométrique comme du point de vue radiométrique) aura une luminosité d'environ 50 %.

Cette valeur est assez représentative de la luminosité d'une surface

• de petites dimensions (on calcule la luminance soit pour une surface interceptant un angle de 2°, soit pour une surface interceptant un angle de 10°) ;
• peu colorée, le calcul négligeant le phénomène d'Helmholtz–Kohlrausch ;
• examinée sur un fond neutre de grandes dimensions ;
• dans les conditions de luminosité de la vision photopique (diurne) ;
• vue à proximité de l'axe de la vision ;
• avec un sujet adapté aux conditions de lumière de l'examen, après plusieurs minutes.

Elle est d'un usage beaucoup plus pratique que les autres relations donnant la luminosité, et s'est, pour cette raison, imposée malgré ses insuffisances dans la pratique colorimétrique (Sève 2009, p. 180-181).

L'objet des évaluations colorimétriques, en effet, est en général la comparaison de deux lumières de coloration proches. Il y a assez peu de discussions pour savoir à quel point un bleu foncé est proche d'un rose ; mais un fabricant de peintures peut vouloir vérifier des différences entre deux nuances proches, ou entre deux productions visant la même nuance. Dans ce cadre, on peut donner raisonnablement une tolérance sur la luminosité constante sur l'ensemble de l'échelle, par exemple 1 point, que la couleur soit claire ou sombre.

La loi du contraste simultané constate que la perception d'une couleur dépend de celles qui lui sont contigües. Elle s'applique, en particulier, aux surfaces qui ne diffèrent que par la luminosité.

La luminosité perçue de deux plages de couleur paraît plus différente lorsqu'on les observe juxtaposées que lorsqu'on les observe séparément, sur un fond neutre commun.

Par conséquent, des plages de petites dimensions de même luminance semblent plus claires sur fond sombre que sur fond clair[4].

Les deux petits carrés l'un au-dessus de l'autre dans le secteur de droite ont la même luminance, et apparaissent aussi clairs l'un que l'autre, car ils sont vus sur le même fond clair. Le carré foncé en bas à droite semble presque aussi foncé que le grand carré à gauche. Mais il a la même luminance que le petit carré au milieu du grand carré à gauche, qui semble bien plus clair, parce qu'il est sur un fond sombre[5].

Pour tenir compte de cet effet dans l'évaluation de l'apparence des surfaces, la Commission internationale de l'éclairage a publié en 2002 le modèle CAM (Color Appearance Modeling, en français Modélisation de l'apparence des couleurs)[6].

Le phénomène Helmholtz–Kohlrausch concerne la luminosité et la coloration. Il perturbe un postulat fondamental de la colorimétrie : l'additivité des impressions lumineuses[7], à la base de la synthèse additive des couleurs.

À luminance égale, la luminosité perçue d'une lumière colorée augmente avec la pureté.

L'effet dépend de la teinte. La variation atteint un facteur 2 par rapport à la luminance (Sève 2009, p. 185).

Ce phénomène oblige, quand on a à comparer précisément des surfaces ou des lumières colorées, à effectuer des corrections, pour lesquelles il existe plusieurs méthodes, adoptées par diverses organisations professionnelles et de normalisation.

Au XIX^e siècle, Helmholtz a constaté la non-linéarité de la perception de la clarté, qu'il a pu vérifier avec des dispositifs expérimentaux[8]. D'après ses essais, l'augmentation de l'intensité de la lumière dans une proportion donnée aboutit à la même différence perçue d'intensité. Cette évaluation aboutit à la loi de Weber-Fechner, selon laquelle, en général, la perception suit une loi logarithmique. Richter, en 1962, suit cette ligne de pensée dans une formule de calcul de la clarté à partir de la luminance relative, utilisée dans une norme allemande (Sève 2009, p. 181).

Au XX^e siècle, Munsell établit une courbe régie par une équation polynomiale du cinquième degré[9]. Hunter simplifie la formule avec une simple élévation au carré. Enfin, la CIE choisit une puissance du troisième degré inverse, suivant une modalité de la loi de Stevens déterminée par lui-même (Le Grand 1972, p. 141).

Toutes ces formules doivent admettre un arrangement au pied de courbe, pour les luminances inférieures à un certain seuil, à partir duquel le bruit de fond du système visuel (Eigengrau) a trop d'influence (Gregory 2000, p. 95).

Les évaluations de la perception sont essentiellement imprécises, puisqu'on ne peut mesurer, dans une relation très indirecte, avec beaucoup de variabilité entre sujets, que les réactions de sujets variés à un stimulus. Il en ressort un nuage de points auquel peut correspondre plusieurs types de courbes[10]. On peut d'autre part transformer, par une série de Taylor, la fonction logarithme en polynôme. Le choix de la formule relève donc de principes d'explication généraux. Au XIX^e siècle, les savants allemands recherchaient un principe simple et unificateur ; la progression géométrique et les logarithmes correspondaient à leur attente. Au XX^e siècle, les chercheurs américains influencés par le pragmatisme privilégient le calcul le plus simple qui permette d'arriver à une évaluation « assez bonne » (« good enough » en anglais).

Dans le domaine de la peinture, « luminosité » et « clarté » sont deux notions bien différentes, bien qu'ils concernent l'un et l'autre l'apparence d'une surface colorée. « Sur le plan des sensations picturales, « oh ! Comme c'est lumineux ! » ne signifie pas la même chose que : « oh ! Comme c'est clair ! »[11] ». Comme de nombreux autres termes liés à l'esthétique, ils n'ont pas de définition rigoureuse. La luminosité du rendu d'une peinture[12] est en rapport avec l'opacité de la couche. Une couche transparente, qui laisse voir les couches sous-jacentes, donne une impression de luminosité, autant en rapport avec la scène qu'évoque la surface peinte, qu'avec les caractéristiques de la lumière que celle-ci réfléchit.