Une étude récente menée par le laboratoire national de Los Alamos aux États-Unis prétend avoir résolu la théorie erronée de la perception des couleurs proposée par le physicien Erwin Schrödinger il y a près d'un siècle, en fournissant une description mathématique complète de la nature géométrique de la façon dont les humains perçoivent la couleur. L'équipe de recherche a utilisé des méthodes géométriques pour décrire l'expérience de l'œil humain en matière de teinte, de saturation et de luminosité, prouvant que ces dimensions perceptuelles sont les propriétés fondamentales du système de couleurs lui-même, plutôt que le résultat d'une culture acquise ou d'une expérience d'apprentissage.
Les travaux, dirigés par Roxana Bujack, scientifique au Laboratoire national de Los Alamos, ont été rapportés lors de conférences majeures dans le domaine de la science de la visualisation et publiés dans la revue Computer Graphics Forum, comblant ainsi un chaînon manquant clé dans la vision de Schrödinger d'un modèle de couleur complet. La recherche montre que dans le nouveau cadre mathématique, la teinte, la saturation et la luminosité peuvent être entièrement définies par la relation géométrique entre les couleurs, fermant ainsi conceptuellement ce système théorique en attente depuis longtemps.
La vision humaine des couleurs repose sur trois types de cellules coniques dans la rétine qui sont sensibles aux bandes rouges, vertes et bleues. Ensemble, ils forment un « espace colorimétrique » tridimensionnel utilisé pour organiser et distinguer différentes couleurs. Dès le XIXe siècle, le mathématicien Riemann proposait que l'espace perçu par l'homme n'était peut-être pas « droit », mais présentait une courbure. Dans les années 1920, Schrödinger a donné les définitions mathématiques de la teinte, de la saturation et de la luminosité dans le cadre de la géométrie riemannienne, jetant ainsi les bases de la science des couleurs ultérieure.
Cependant, lors du développement d'algorithmes de visualisation scientifique, l'équipe de Los Alamos a découvert que la théorie de Schrödinger présente des faiblesses évidentes dans sa structure mathématique, ce qui rend difficile la prise en charge de certaines applications précises. Cette découverte les a incités à mener une réflexion systématique sur le modèle traditionnel, et finalement à proposer un cadre géométrique révisé et élargi pour rendre la théorie plus cohérente avec les données mesurées.
Dans la recherche, un problème clé à surmonter est ce que l'on appelle « l'axe neutre », qui est l'axe des gris du noir au blanc. La définition de Schrödinger dépendait fortement de la position de la couleur à proximité de cet axe, mais il n'a jamais donné une caractérisation mathématique stricte de cet axe, ce qui fait que le modèle dans son ensemble manque d'une base formelle complète. La percée de l'équipe de Los Alamos a été que, pour la première fois, l'axe neutre a été strictement défini mathématiquement, uniquement sur la base des propriétés géométriques de la mesure de la couleur elle-même, et ce faisant, il a brisé les limites du cadre riemannien traditionnel.
Les chercheurs ont intégré les résultats d'un grand nombre d'expériences précédentes sur les couleurs dans des espaces colorimétriques standard tels que le CIERGB et ont découvert que les gens ont l'impression subjective que la surface isochromatique formée par des couleurs ayant « la même teinte » ne se déplace pas le long d'une ligne droite vers un certain sommet. Cela montre que les hypothèses sur la structure géométrique de l'espace colorimétrique dans le modèle classique sont trop idéales et que des structures non droites plus complexes sont nécessaires pour représenter les véritables différences de perception des humains.
En corrigeant les failles théoriques, l’équipe a également corrigé deux autres problèmes de longue date. L'un d'eux concerne l'effet Bezold-Brugge, dans lequel les changements d'intensité lumineuse modifient la perception subjective de la teinte par les gens. Les chercheurs ont abandonné la description géométrique originale basée sur des lignes droites et ont plutôt utilisé le « chemin le plus court » (géodésique) dans l'espace colorimétrique perceptuel pour décrire la distance entre les couleurs, reflétant ainsi plus précisément le changement de teinte qui se produit avec les changements de luminosité.
La même idée du « chemin le plus court » a également été introduite dans un espace colorimétrique non riemannien pour expliquer le phénomène dit de « retours décroissants de perception » : lorsque la différence de couleur devient de plus en plus grande, la sensibilité de l’œil humain à la différence n’augmente plus linéairement, et tend même vers la saturation. Le nouveau modèle peut fournir des explications quantitatives dans un cadre unifié, rendant la théorie plus cohérente avec les résultats expérimentaux psychophysiques.
Bujak a déclaré que l'équipe a conclu que les attributs de couleur traditionnels tels que la teinte, la saturation et la luminosité ne sont pas des étiquettes attachées aux couleurs qui reposent sur le contexte culturel ou l'expérience d'apprentissage, mais sont des propriétés intrinsèques codées dans la structure géométrique de la mesure des couleurs elle-même. À son avis, le nouveau modèle définit géométriquement la « distance des couleurs », c'est-à-dire la distance que les observateurs ressentent subjectivement entre deux couleurs. Il fournit à l'idée originale de Schrödinger une pierre angulaire mathématique qui manquait depuis près de cent ans.
La recherche, présentée lors de la conférence Eurographics Visualization de cette année, est l'une des premières étapes d'un projet de vision des couleurs à long terme au Laboratoire national de Los Alamos. Ce projet a publié un article important dans les Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS) dès 2022. Sur cette base, ces travaux font progresser la modélisation de l'espace colorimétrique non riemannien et jettent les bases d'une recherche informatique visuelle plus sophistiquée à l'avenir.
On pense qu’un modèle de perception des couleurs plus précis aurait de larges perspectives d’application dans de nombreux domaines. De la technologie photographique et vidéo à l’imagerie scientifique et à la visualisation de données, la précision des modèles de couleurs affecte directement la clarté et la fiabilité de la présentation des informations. L'équipe de recherche a souligné que la simulation précise de la « distance de couleur » dans les yeux humains aidera les scientifiques et les ingénieurs à réaliser des conceptions visuelles et des jugements plus fiables lorsqu'ils sont confrontés à des données complexes, servant ainsi de nombreux domaines clés, depuis la simulation haute performance jusqu'à la science de la sécurité nationale.
L'article « La géométrie de la couleur à la lumière d'un espace non riemannien » a été réalisé par Bujak et ses collaborateurs Emily N. Stark, Terece L. Turton, Jonah M. Miller et David H. Rogers, et sera officiellement publié en mai 2025. Le projet a reçu un financement du programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire national de Los Alamos et du programme avancé de simulation et de calcul de la National Nuclear Security Administration.