Les pixels de la télévision en couleur

Les pixels de la télévision en couleur
Par , le

Introduction

Découvre ici comment les écrans tels que ceux de télévision, de téléphone portables ou d'ordinateur permettent de former des images en couleur et animées. Cette page explique d'abord comment obtenir une image statique en couleur, puis comment afficher un flux vidéo.

Pixels allumés en blanc
Pixels d'une télévision

Une image est approximée par un tableau de pixels

Un écran de téléviseur est une sorte de grand circuit électronique qui permet d'afficher des images. L'écran est fait de millions de petites lampes qui sont placées sous la forme d'un tableau en lignes et en colonnes et qui peuvent être allumées ou éteintes individuellement en fonction de leur position sur l'écran. Ainsi, une image telle que la fraise ci-dessous va être affichée sous la forme d'un tableau de points, des pixels, chacun ayant une couleur donnée. Lorsque les pixels du tableau sont très resserrés et qu'on les observe de loin, on voit alors une image continue, sans voir la sorte de quadrillage. Cette vision continue est due à l'œil qui n'est pas capable de voir des détails très petits.

Zoom sur une image
Une image préparée pour être affichée sur un écran est "découpée" en un tableau de pixels ayant chacun une couleur donnée.

Chaque pixel mélange trois couleurs pour former les autres

Pixel

Un pixel sur un écran est en fait lui même constitué de trois lampes: une rouge, une verte et une bleue:

Zoom sur un pixel
Zoom sur un pixel. Tu peux voir les pixels d'un écran en te rapprochant très près de celui-ci, ou avec une loupe.
C'est cet ensemble de trois lampes qui permet de générer la plupart des couleurs perceptibles par l'œil.

Chaque lampe est contrôlée indépendamment et peut prendre toute une gamme d'intensités entre "éteint" et "allumé très fort". Par exemple, on peut n'allumer que les lampes vertes. Un zoom sur les pixels montre alors ceci:

Pixels verts
Pixels verts

Ces pixels vont donner une image uniforme verte quand on observe l'écran à une distance ou les pixels sont indiscernables.

On peut aussi allumer à la fois les pixels verts et rouges:

Pixels jaunes
Pixels jaunes

Vu de loin, ceci donne aussi une couleur uniforme, mais qui n'est ni du vert, ni du rouge: L'image sera jaune.

Les pixels utilisent ainsi des propriétés d'additivité des couleurs qui permettent, à partir de trois couleurs, de générer un arc-en-ciel de couleurs du rouge au violet. Pour déterminer quelle couleur est obtenue en fonction des lumières allumées, on peut s'aider du schéma ci-dessous qui représente la superposition de trois projecteurs, rouge, vert et bleu:

Addition des couleurs
Addition des couleurs

En superposant du rouge et du vert, on obtient du jaune. En superposant du rouge et du bleu, on voit du magenta. Et en superposant du vert et du bleu, on obtient du cyan. La superposition des trois couleurs donne du blanc. En ajustant l'intensité de chaque projecteur, on peut générer aussi d'autres couleurs comme du gris, du marron, du violet...

L'image ci-dessous montre l'état des trois lampes des pixels en fonction de la couleur affichée:

Etat des pixels en fonction de la couleur
Etat des pixels en fonction de la couleur. (Clique sur l'image pour l'agrandir.) Les images détaillées des pixels montrent que sur l'écran pris en photo, chacune des lampes rouge, verte et bleue d'un pixel est elle-même faite de trois sous-lampes, ce qui permet d'ajuster très finement l'intensité de chaque composante rouge, verte et bleue. Des écrans un peu moins high-tech n'utilisent qu'une lampe de chaque couleur par pixel.

Pourquoi choisir le rouge, le vert et le bleu comme composantes élémentaires?

Pourquoi le rouge, le vert et le bleu suffisent pour générer (presque) toutes les couleurs? Pour bien le comprendre, lis d'abord cette page sur la perception des couleurs. Trois couleurs suffisent, car notre œil détecte les couleurs avec seulement trois types de détecteurs (des cônes). Ainsi, une couleur peut-être définie par trois nombres qui représentent le signal mesuré par chacun des trois types de détecteurs, en réponse à une lumière donnée (un spectre). Le rouge, le vert et le bleu sont un bon choix de couleurs élémentaires, car ils donnent chacun un ensemble de trois nombres mesurés très différents.

Une façon d'avoir une idée de quelles couleurs peuvent être affichées par un écran en fonction des trois couleurs élémentaires est d'utiliser un graphe comme celui-ci:

Espace de couleurs sRGB dans le diagramme xy (CIE 1931)
Espace de couleurs sRGB (triangle) PAR sur Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Ce graphe représente l'ensemble des couleurs perceptibles d'une luminance donnée. (Le graphe qui représente vraiment toutes les couleurs perceptibles a en fait un troisième axe pour la luminance.) Sur un tel graphe, l'ensemble des couleurs affichables (à luminance fixe) sont celles à l'intérieur du triangle dont les pointes sont les trois couleurs élémentaires. On voit qu'en choisissant du rouge et du vert et du bleu, on obtient un grand triangle qui englobe beaucoup de couleurs.


Affichage d'une animation

Pour obtenir une animation, il suffit de faire varier dans le temps l'intensité des lampes de chaque pixel. La façon dont la dépendance temporelle est gérée dépend du type d'écran et du modèle. Mais une caractéristique commune de ces systèmes est que les données qu'ils affichent sont en fait une série d'images statiques. En passant d'une image à l'autre très rapidement, l'appareil visuel (œil + cerveau) interprète un mouvement saccadé des objets d'une image par un mouvement continu. La raison de cette interprétation n'est pas encore bien comprise. Même s'il l'on sait fabriquer des télévisions, on ne sait pas encore totalement pourquoi ça marche...