Pourquoi une feuille blanche reste-t-elle blanche dans une pièce sombre ?
― Le charbon en plein soleil est pourtant des dizaines de milliers de fois plus lumineux que la feuille au clair de lune, mais il paraît noir
Une feuille blanche paraît blanche près d'une fenêtre en plein jour comme dans une pièce sombre, le soir. Pourtant, la quantité de lumière qui atteint l'œil peut varier de plusieurs milliers de fois selon l'endroit. Ce que l'œil et le cerveau perçoivent n'est pas la « quantité » de lumière, mais le « rapport » avec ce qui se trouve à côté.
Le soir, dans une pièce dont on a éteint la lumière, vous regardez un cahier posé sur le bureau. Même avec le seul clair de lune, la page paraît blanchâtre et l'écriture au stylo paraît noire.
Le lendemain midi, vous sortez ce même cahier au soleil. La feuille devient éblouissante de blancheur, mais vous n'avez pas l'impression qu'elle a changé de couleur.
Pourtant, en mesurant la lumière avec un appareil, on constate que la feuille au soleil est des centaines de milliers de fois plus lumineuse que la feuille nocturne. Pourquoi avons-nous l'impression d'un même « blanc » ?
Seulement deux raisons
Si la lumière qui éclaire est multipliée par 10, la feuille comme le charbon deviennent 10 fois plus lumineux. Mais le « rapport » entre la luminosité de la feuille et celle du charbon ne change pas. L'œil est particulièrement sensible à ce rapport.
Le cerveau estime, à partir des ombres et de la direction de la lumière, l'intensité de l'éclairage actuel. Il tient compte de cette estimation avant de déterminer la couleur d'un objet.
Grâce à ces deux mécanismes, la « blancheur » ou la « noirceur » d'un objet nous paraît presque inchangée, même quand l'éclairage change. Ce phénomène s'appelle la constance de la clarté.
Le charbon en plein soleil est des dizaines de milliers de fois plus lumineux que la feuille au clair de lune
La quantité de lumière qu'un objet renvoie vers l'œil dépend de deux facteurs multipliés entre eux : l'intensité de la lumière qui l'éclaire, et la proportion de lumière que l'objet réfléchit. Une feuille blanche réfléchirait environ 80 % de la lumière reçue. Le charbon n'en réfléchit que quelques pourcents.
En revanche, l'intensité de la lumière ambiante varie bien plus fortement que ce taux de réflexion. Le soleil direct, par temps clair, atteint environ 100 000 lux. Une nuit de pleine lune n'offre qu'environ 0,2 lux, soit environ 500 000 fois moins.
Déplacez le curseur de la figure 1 pour faire varier la lumière ambiante. La quantité de lumière envoyée par la feuille blanche au clair de lune reste bien inférieure à celle du « charbon en plein soleil », indiquée par la ligne pointillée. L'écart dépasse 20 000 fois.
Pourtant, l'« écart » entre les barres de la feuille et du charbon reste identique partout. L'échelle verticale étant graduée en « facteur multiplicatif », la différence de hauteur des barres représente un « rapport ». Que la lumière soit forte ou faible, la feuille reste 20 fois plus lumineuse que le charbon. C'est ce rapport constant que l'œil capte.
Le cerveau « éclaircit mentalement » ce qui se trouve dans l'ombre
Le rapport seul ne suffit pas à tout expliquer. Pensez par exemple à un champ de neige par une journée ensoleillée. La neige à l'ombre d'un arbre devrait paraître bien plus sombre que la neige en plein soleil. Pourtant, nous la percevons comme « de la neige blanche à l'ombre », pas comme « de la neige grise ».
Le cerveau se sert d'indices comme le flou des bords de l'ombre ou la direction d'où vient la lumière. Il en déduit : « cet endroit est faiblement éclairé », et corrige en conséquence en éclaircissant ce qu'il perçoit.
Une illustration célèbre montre bien cette correction : un échiquier placé dans une ombre, où l'on compare une case blanche et une case noire. En mesurant la quantité de lumière reçue par l'œil, la case blanche dans l'ombre et la case noire en pleine lumière sont strictement identiques. Pourtant, à nos yeux, l'une paraît blanche et l'autre noire. C'est parce que le cerveau soustrait l'effet de l'ombre.
La plupart des appareils photo règlent l'exposition pour que la luminosité moyenne de l'image corresponde à un « gris moyen ». Devant un paysage presque entièrement blanc, l'appareil essaie de ramener cette moyenne vers le bas, et la neige apparaît grise sur la photo. Nos yeux, eux, soustraient l'éclairage ambiant : sur le moment, la neige nous paraît bien blanche. Seule la photo prise devient grise, à cause de cette différence.
En résumé
L'intensité de la lumière ambiante peut varier de plusieurs centaines de milliers de fois entre le jour et la nuit. Pourtant, une feuille paraît blanche dans les deux cas, parce que l'œil capte le rapport avec ce qui l'entoure, et que le cerveau soustrait l'effet de l'éclairage ambiant. Nous essayons de percevoir non pas la lumière qui frappe un objet, mais les propriétés de l'objet lui-même.
Ce que l'œil perçoit, ce n'est pas la quantité de lumière, mais le « rapport ».
C'est pourquoi une feuille blanche reste blanche, même sous la lune.
Pourquoi les couleurs des étoiles s'effacent-elles dans notre œil nocturne ? La réponse est dans Pourquoi les étoiles paraissent-elles blanches ?. La différence d'apparence entre glace et neige est expliquée dans Pourquoi la neige paraît-elle blanche ?.
- Placez côte à côte une feuille blanche et une feuille noire, et comparez-les à deux endroits : près d'une fenêtre lumineuse, puis au fond d'une pièce sombre. Dans les deux cas, le blanc doit rester blanc et le noir, noir.
- Ensuite, posez un tube fin (comme le rouleau de carton d'un rouleau de papier toilette) sur la feuille blanche, et regardez seulement une petite partie de la feuille à travers le tube. Sans pouvoir voir ce qui l'entoure, vous remarquerez que la luminosité de la feuille diffère nettement entre la fenêtre et le fond de la pièce.
- Faites de l'ombre avec la main sur la moitié d'une feuille blanche. Vérifiez que la partie ombragée, bien que recevant moins de lumière, ne vous paraît pas « grise ».
À l'étape 2, « cacher l'entourage » fait disparaître l'élément de comparaison, ce qui affaiblit la correction du cerveau. Ne regardez jamais le soleil direct ou une ampoule à travers le tube : ne l'orientez pas vers une source lumineuse.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules, liens avec les programmes scolairesDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau abordé en sciences au collège
- LycéeNiveau abordé en « physique » ou « biologie » au lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (sciences de la vision, psychologie de la perception)
- RecherchePas encore enseigné comme « établi » même à l'université : sujet actuellement en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Constance de la clarté : la tendance à percevoir la blancheur ou la noirceur d'un objet comme inchangée, même quand l'intensité de l'éclairage varie.
- Éclairement : l'intensité de la lumière qui frappe un objet. Unité : le lux.
- Taux de réflexion : la proportion de lumière reçue qui est renvoyée. Environ 80 % pour une feuille blanche, quelques pourcents pour le charbon.
CollègeLycéeVérification par le calcul : la feuille au clair de lune et le charbon au soleil
L'intensité de la lumière renvoyée par une surface blanche et mate (la luminance) dépend du produit de l'éclairage et du taux de réflexion. Cette formule permet de calculer la hauteur de la ligne pointillée et des barres de la figure 1.
| En notation symbolique | L = E × R ÷ π |
| En mots | Intensité de la lumière reçue par l'œil = intensité de l'éclairage × proportion réfléchie ÷ pi |
| Origine de la formule | Elle découle de la conservation de la lumière : la part réfléchie de la lumière reçue se diffuse de façon égale dans toutes les directions depuis une surface mate. Le ÷ π est le coefficient qui ramène cette diffusion à une seule direction. |
| L (symbole) | Luminance. Unité : candela par mètre carré |
| E (symbole) | Éclairement. Environ 100000 lux pour le soleil direct par temps clair, environ 0.2 lux pour une nuit de pleine lune |
| R (symbole) | Taux de réflexion. Environ 0.8 pour une feuille blanche, environ 0.04 pour le charbon |
| Charbon au soleil (E × R) | 100000 × 0.04 = 4000 |
| Luminance du charbon au soleil (÷ π) | 4000 ÷ 3.14 ≒ 1274 |
| Feuille au clair de lune (E × R) | 0.2 × 0.8 = 0.16 |
| Luminance de la feuille au clair de lune (÷ π) | 0.16 ÷ 3.14 ≒ 0.051 |
| Charbon au soleil ÷ feuille au clair de lune | 1274 ÷ 0.051 ≒ 24980 |
| Feuille ÷ charbon sous le même éclairage (E et π s'annulent) | 0.8 ÷ 0.04 = 20 |
Le charbon au soleil envoie à l'œil environ 25 000 fois plus de lumière que la feuille blanche au clair de lune. Si le blanc et le noir étaient déterminés uniquement par la quantité de lumière, c'est le charbon qui serait « blanc ». En revanche, sous un même éclairage, le rapport entre la feuille et le charbon reste toujours de 20, quelle que soit l'intensité de la lumière. L'œil et le cerveau se fondent sur ce rapport constant.
LycéeLycée+La rétine renforce les « contours » avant de transmettre l'information
LycéeLa rétine contient des cellules alignées qui captent la lumière ; leurs signaux sont regroupés par les cellules ganglionnaires avant d'être envoyés au cerveau. L'œil s'adapte aussi à l'obscurité : sa sensibilité s'ajuste à la hausse ou à la baisse pour suivre les variations globales de luminosité.
Lycée+De nombreuses cellules ganglionnaires réagissent fortement à la différence entre le « centre » et le « pourtour » de leur champ de réception. Ce mécanisme, où les signaux des cellules voisines s'annulent partiellement, s'appelle l'inhibition latérale. Comme la différence subsiste même quand la luminosité globale monte ou descend, le rapport de clarté aux contours parvient plus facilement au cerveau.
UniversitéThéorie du rétinex et estimation de l'éclairage
Edwin Land, aussi photographe, a proposé en 1971 qu'en reliant entre elles les différences de luminosité aux contours sur l'ensemble de l'image, on pouvait retrouver un taux de réflexion indépendant de l'éclairage. C'est la théorie du rétinex. Par la suite, l'« illusion de l'échiquier ombré » d'Edward Adelson, entre autres, a montré que le cerveau n'utilise pas seulement les rapports, mais estime aussi l'éclairage à partir des ombres et de la profondeur. Le même mécanisme existe pour les couleurs : on parle alors de constance des couleurs.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : l'article original de Land et McCann (théorie du rétinex) / Constance des couleurs - Wikipédia (japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien élucidé
- La surface la plus lumineuse du champ visuel sert-elle toujours de référence pour le « blanc » ? Une hypothèse veut que la surface la plus lumineuse du champ visuel serve de référence pour le blanc. Mais on sait aussi que cette référence varie selon la surface de la zone lumineuse, et aucune règle fixe n'a encore été clairement établie.
- À quelle étape se fait la correction ? On débat encore de la répartition entre ce qui se règle déjà au niveau de la rétine et ce que le cerveau corrige à un niveau supérieur en estimant l'éclairage.
- La correction varie selon les personnes. La fameuse photo d'une robe devenue virale en 2015 était perçue tantôt bleue et noire, tantôt blanche et dorée. On pense que cela vient de différences individuelles dans l'estimation de l'éclairage, mais l'origine de ces différences est encore à l'étude.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète aussi « ce que l'on comprend à ce jour ». Le mécanisme de perception des rapports est bien connu, mais la façon exacte dont le cerveau estime l'éclairage reste, dans son ensemble, encore à éclaircir.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie de l'article concernée |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « réflexion de la lumière », « stimulus et réaction (structure de l'œil) » | Taux de réflexion, lumière reçue par l'œil |
| Lycée | Biologie « récepteurs et nerfs » | Cellules de la rétine, adaptation à l'obscurité |
| Lycée+ | Approfondissement de biologie « inhibition latérale » | Mécanisme de transmission du rapport de clarté aux contours |
| Université | Sciences de la vision, psychologie de la perception, photométrie | Théorie du rétinex, formules de luminance et d'éclairement |
| Recherche | Neurosciences de la vision | Référence du blanc, différences individuelles dans l'estimation de l'éclairage |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Photos de paysages enneigés, lecture et écriture en lumière faible |
- Land, E. H. & McCann, J. J. (1971) Lightness and Retinex Theory. Journal of the Optical Society of America 61, 1–11.
- Gilchrist, A. (2006) Seeing Black and White. Oxford University Press.
- Adelson, E. H. (2000) Lightness perception and lightness illusions. In: The New Cognitive Neurosciences, 2nd ed., MIT Press.
- Lafer-Sousa, R., Hermann, K. L. & Conway, B. R. (2015) Striking individual differences in color perception uncovered by 'the dress' photograph. Current Biology 25, R545–R546.
- Wikipédia « Constance des couleurs » (japonais)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. L'éclairement et le taux de réflexion varient fortement selon le temps, l'heure et les matériaux.