Balance des blancs et température de couleur

Par Charles VASSALLO

Cette page est un essai de présentation à l’usage des débutants des tenants et des aboutissants de la question.

La couleur des rayonnements

L’expérience de base est due à Isaac Newton (1665). Un faisceau de lumière « blanche » qui entre dans un prisme se décompose à la sortie en couleurs allant du rouge au violet — les couleurs de l’arc en ciel.

Vers la même époque, Christiaan Huyghens pressentait que la lumière était un phénomène vibratoire, mais il a fallu attendre les années 1800 pour en être certain, avec Augustin Fresnel et Thomas Young. Un rayonnement élémentaire est caractérisé par sa longueur d’onde (c.à.d. le chemin qu’il parcourt pendant un période de vibration), et toute lumière visible est une somme de rayonnements élémentaires avec des longueurs d’onde allant de 0,4µm à 0,8 µm. Ce qui se passe dans l’expérience de Newton est que le faisceau de lumière « blanche » est en fait une superposition de tels faisceaux élémentaires, qui sont chacun déviés par le prisme sous un angle particulier dépendant de la longueur d’onde et ainsi se séparent les uns des autres à la sortie. Ce qui nous intéresse plus particulièrement est que l’œil associe spontanément une couleur à chacun de ces faisceaux élémentaires, c.à.d. à chacune de ces longueurs d’onde. Réciproquement, on parle de rayonnement « monochromatique » (une seule couleur) pour dire qu’il ne contient qu’une seule longueur d’onde.

Le mystère de la couleur des objets

La couleur d’un objet vient du fait qu’il ne renvoie qu’une partie des rayonnements élémentaires qu’il reçoit. L’œil reçoit ainsi un mélange particulier des diverses longueurs d’onde et il interprète cela comme une couleur. Le grand mystère est que la couleur ainsi perçue est associée à l’objet, indépendamment de la lumière qui baigne cet objet — enfin, presque. Un objet jaune ou vert reste jaune ou vert qu’on le regarde sous la lumière électrique ou sous le soleil, et tout spécialement un objet neutre, gris ou blanc, reste toujours neutre. Or la lumière du soleil contient beaucoup plus de radiations bleues que la lumière électrique et cet excès de bleu se retrouve forcément dans la lumière renvoyée par une feuille de papier blanc. Pourtant, l’œil voit toujours du blanc dans ce papier.

Il y a donc un mécanisme dans l’œil ou dans le cerveau qui compare inconsciem­ment la composition de la lumière ambiante et celle de la lumière renvoyée par l’objet. En quelque sorte, l’oeil en fait le rapport et traduit ce rapport en termes de couleurs. Il n’y a rien de tel pour le capteur d’un appareil numérique et celui-ci enregistre fort bien que le papier renvoie plus de bleu sous le soleil que sous une lampe tungstène. C’est le logiciel associé qui devra faire le rapport avec la lumière ambiante pour restituer la vérité des couleurs perçues par l’œil, mais encore faut-t-il lui décrire cette lumière ambiante : c’est précisément ce qu’on va faire avec le réglage de balance des blancs.

Le réglage de balance des blancs (ou « de température de couleur »)

On accède à ce réglage par un menu « Balance des blancs » ou parfois par un bouton d’accés direct repéré par l’abbréviation « WB » (White Balance). On a alors généralement le choix entre différentes options décrivant de grands types d’éclairage : ensoleillé, nuageux, ombre, éclairage artificiel, le tout variant selon les appareils (et les hasards de la francisation). Les appareils plus savants donneront aussi souvent des indications chiffrées à côté de ces appellations, genre 2700 K, 5000 K , etc… où le « K » signifie « degré Kelvin » et où le nombre est la température de couleur. On se doute bien que ce nombre très limité d’options ne permet pas une caractérisation très fine de cette lumière ; le soleil de midi n’est pas celui du soir, et on se doute bien qu’il devrait y avoir plusieurs intermédiaires entre « soleil » et « nuageux » . Une imprécision sur cette lumière ambiante se traduit par une capture des couleurs imprécise, allant jusqu’à l’apparition de grosses dominantes bleues ou rouges en cas d’erreur grave.

Pour travailler plus finement, les appareils proposent généralement une position « automatique » où le logiciel se débrouille pour deviner quel est l’éclairage ambiant ; ça marche souvent pas mal du tout avec les appareils récents, mais hélas pas toujours. Le fin du fin est lorsqu’on a une position « blanc mesuré » où on l’appareil part d’une première photo d’une feuille blanche pour caractériser la lumière ambiante, qu’il utilise ensuite pour les photos suivantes, tant qu’on le laissera sur ce réglage « blanc mesuré ».

Qu’est-ce que cette température de couleur ?

D’après l’introduction pragmatique que nous venons de faire, on voit que cette température de couleur est un nombre unique qui sert à caractériser de nombreux éclairages naturels. Nous allons essayer d’expliquer de quoi il s’agit.

Tous les corps qui supportent d’être élevés à une température élevée (métaux, briques ou céramiques réfractaires) se mettent à émettre de la lumière, d’abord du rouge, puis du jaune… puis finissent par se volatiliser. En parlant du fer, on dit communément qu’on peut le chauffer « à blanc », mais c’est une illusion ; en fait ça se passe généralement dans un local clos pas trop éclairé où il devient si aveuglant que l’œil ne peut plus discerner de couleur ; en fait, si on pouvait faire l’opération sous un soleil généreux, on verrait que la lumière émise reste plutôt jaune.

Les physiciens se sont emparés du phénomène et ils en ont extirpé la « théorie du corps noir ». Ce corps noir est une abstraction théorique où on néglige toute réflexion par le matériau (autrement dit, la couleur naturelle du matériau) et où on ne tient compte que des radiations émises par le matériau.

Reste ensuite à voir comment cette belle théorie colle à la réalité. Pas si mal ! Dans la gamme 2000-3500 K, on trouve souvent un excellent accord, notamment avec les matériaux réfractaires comme le tungstène de nos ampoules d’éclairage. On trouve aussi que la lumière émise par la surface du Soleil colle très bien à celle d’un corps noir à 5800 K.

Attention toutefois à ne pas confondre cette lumière solaire directe à la lumière ambiante dans nos scènes de tous les jours. Ces scènes sont éclairées par le Soleil, mais aussi par le ciel, le tout étant filtré par l’atmosphère qui absorbe plus ou moins selon les longueurs d’onde.

La figure ci-contre montre « l’illuminant D-50 », une certaine moyenne de ce qui arrive sur terre à midi par beau temps, en comparaison du rayonnement du corps noir à 5000 K. Il y a des différences, mais qui n’auront pas beaucoup d’influence sur notre perception : on dit que cette lumière a une température de couleur de 5000 K.

On sait que cette lumière ambiante peut changer considérablement. En fin ou en début de journée, les rayons du soleil ont bien davantage d’atmosphère à traverser, ce qui arrête les bleus au profit des rouges ; le résultat ressemble toujours au rayonnement d’un corps noir, mais à une température plus basse — 4000 K ou moins. A l’opposé, les nuages peuvent s’opposer la lumière directe du soleil et favoriser l’éclairage par le ciel (ou bien on peut travailler par grand beau temps mais à l’ombre d’un mur) : à nouveau, on reste près d’un rayonnement de corps noir, mais à une température plus haute — 6000 K ou plus. Bref, dans tous ces cas, on parle toujours de lumière naturelle et on la caractérise par une température de couleur, entendant par là que cette lumière est très voisine de celle qu’émettrait un corps noir à cette température.

Quelle importance d’avoir une balance des blancs exacte ?

A ce stade de l’histoire, on peut lâcher un peu la théorie et se demander ce qui se passe quand on fait une erreur dans la balance des blancs. A titre d’expérience, j’ai photographié une charte de couleurs (ci-après à gauche) dans une ambiance piège, à savoir à l’intérieur d’une pièce avec de grandes fenêtres laissant entrer un grand beau temps, mais aussi avec un tissu mural en brun léger ne pouvant que réchauffer les couleurs. L’image montre les images JPEG obtenues en réglant la balance des blancs sur « lumière artificielle » (3000 K) ou sur « beau temps » (5500K).

La question suivante est de savoir si on peut rattraper une balance des couleurs incorrecte. L’image suivante montre les résultats de plusieurs essais (on trouvera les détails des essais effectués dans notre deuxième article) :

Forçage du premier gris à sa valeur théorique (celle de la charte photographiée) : les autres gris restent colorés, et les plages de couleur ne sont pas identiques


Forçage au blanc pur ou au noir pur du premier gris et du dernier: les autres gris restent colorés et les couleurs sont trop flatteuses. En fait, dans ce cas précis, ce premier gris ne devrait pas être mis au blanc pur…

Forçage (difficile !) de tous les gris aux valeurs théoriques: les gris sont évidemment corrects, mais on ne trouve pas les mêmes couleurs dans les autres plages. Celles-ci sont donc incorrectes, probablement dans les deux cas

Aucun n’est complètement satisfaisant si on compare à l’objet original ! Bien sûr, le photographe ne sera pas toujours d’une exigence aussi extrême sur la véracité des couleurs que dans ce test, mais la leçon est claire : autant que faire se peut, faire une balance des couleurs correcte ! On pourra facilement rattraper une petite erreur, mais pas une grosse

A titre de comparaison, voici ci-contre ce qu’on obtient en enregistrant l’image en RAW puis en jouant uniquement sur le réglage de température de couleur pour que le premier gris devienne neutre.

J’ai dû prendre 4000 K pour ce réglage. Tout n’est pas parfait, mais c’est maintenant le moment d’avouer que « l’original photographié » dans les figures précédentes était ce qu’il aurait dû être dans l’idéal ; dans la pratique, sa fabrication s’est accompagnée de quelques imperfections — notamment, ses gris n’étaient pas aussi rigoureusement neutres qu’ils auraient dû l’être

Enregistrer en RAW est le seul moyen efficace de se prémunir contre une balance des blancs incorrecte en ce début 2007. En fait, la correction après coup est parfaitement envisageable sur le plan théorique, mais à ma connaissance, elle n’a jamais été implantée dans un logiciel graphique.

La température de couleur ne suffit pas pour caractériser complètement une lumière ambiante

Répétons que la donnée de la température de couleur n’est qu’une première approximation pour décrire un éclairage. Nous avons dit à plusieurs reprises que les lumières naturelles étaient « plus ou moins proches » d’un rayonnement de corps noir ; certaines lumières en sont encore plus loin, par exemple la plupart des éclairages fluorescents. C’est pourquoi la balance des blancs dans les logiciels RAW comporte un deuxième réglage en plus de la température de couleur ; alors que le réglage de la température de couleur déplace les couleurs vers le jaune ou le bleu , ce deuxième réglage ajoute une correction vers le vert ou le rouge. En principe, ces deux réglages sont automatiquement ajustés à leur bonne valeur dans l’appareil photographique lui-même quand on utilise la position « blanc mesuré » de sa balance des blancs.

Il y a un dernier point à savoir sur certains éclairages artificiels fluorescents qui s’écartent parfois fortement du corps noir.

La figure ci-contre correspond à une lampe qui se vante d’offrir une « lumière naturelle » à 6500 K et on voit qu’on en est assez loin (et on rencontre parfois bien pire).

Ce qui va se passer est que certaines couleurs vives vont être faussées, selon que la lumière de la lampe sera riche ou pauvre dans les longueurs d’ondes correspondant aux couleurs de ces objets. Par contre, l’œil ne pourra pas faire la différence entre cette lampe et le corps noir à 6500 K si on éclaire une feuille blanche. Le résultat est qu’on aura une image globalement équilibrée si on régle la balance des blancs à cette température, mais avec des couleurs parfois bizarres, sans qu’on puisse faire mieux. Le seul conseil général qu’on puisse donner est d’éviter de telles sources de lumière, du moins si on compte restituer les couleurs avec précision.