Les supports imprimés sous l’œil du microscope
Les imprimantes utilisent généralement quatre encres différentes pour reproduire les couleurs sur du papier : des encres cyan, magenta et jaune (les trois couleurs primaires de la synthèse soustractive) et une encre noire. Cette technique est appelée quadrichromie et ces quatre couleurs sont désignées par les lettres « CMJN ». À partir d’une image numérique (souvent codée en RVB), l’ordinateur envoie à l’imprimante quatre images qui définissent les zones où doivent se faire les dépôts des quatre encres, de sorte que leur « mélange » sur une feuille blanche reproduise l’image initiale.
Mais comment se produit en pratique ce mélange ? Et pourquoi ajouter une encre noire quand les règles de la synthèse soustractive suggèrent que trois couleurs primaires suffisent à reproduire toutes les autres ? C’est ce que nous allons essayer de comprendre sur cette page.
Matériel
- Microscope numérique USB (on en trouve sur des sites de vente en ligne pour une vingtaine d’euros). On ne peut pas obtenir un agrandissement suffisant avec une loupe ou un appareil photo numérique courant.
- Ordinateur avec logiciel permettant de capturer les images du microscope (on peut utiliser le logiciel fourni avec le microscope ou celui qui permet de piloter la webcam de l’ordinateur).
- Imprimante couleur (les observations suivantes ont été réalisées avec une imprimante jet d’encre d’entrée de gamme).
- Supports imprimés divers (magazines, prospectus, affiches, etc.).
Protocole
Réglage du microscope
Connecter le microscope au port USB de l’ordinateur et ouvrir le logiciel de capture d’image.
Allumer les LEDs qui entourent la tête du microscope (se fait généralement en tournant une molette située sur le câble d’alimentation du microscope). Contrairement au cas des écrans lumineux qui émettent leur propre lumière, les supports imprimés observés ici ne font que réfléchir la lumière qu’ils reçoivent, et doivent donc être éclairés par une source extérieure.
Plaquer le microscope contre une zone colorée d’un support imprimé. Tourner la molette de mise au point jusqu’à obtenir une image nette (choisir le réglage donnant l’agrandissement le plus fort).
Planche de couleurs
Afin de mieux comprendre comment les couleurs sont reproduites sur des supports imprimés, nous vous invitons à imprimer cette planche, que vous pouvez télécharger ici au format PDF . Les couleurs des carrés ont été codées spécialement pour l’impression en base CMJN (et non en base RVB comme c’est le cas avec les logiciels classiques comme Paint). Les paramètres C, M, J et N sont exprimés en % et peuvent prendre toutes les valeurs entières entre 0 et 100.
Sur la colonne de gauche, on trouve les trois couleurs primaires (cyan, magenta et jaune) puis les trois couleurs secondaires (rouge, vert et bleu) des mélanges de matières colorées. Chacune de ces couleurs est déclinée horizontalement dans différents degrés de saturation (« désaturation au blanc »). Sur la dernière ligne, on trouve le noir et différents niveaux de gris.
Une fois la planche imprimée, promenez le microscope sur chaque carré de couleur et observez l’évolution des images avec le changement de saturation (horizontal) et de tonalité (vertical).
Remarque
Dans cette page consacrée à l’impression, quand nous parlons de couleurs primaires ou secondaires nous nous référons toujours à celles de la synthèse soustractive.
Observations de la planche imprimée avec une imprimante jet d’encre (qualité d’impression « normale », sur papier ordinaire).
Voici ce que nous avons observé pour les trois couleurs primaires et leurs différentes déclinaisons.
Les différentes déclinaisons de magenta, de jaune et de cyan sont, comme attendu, obtenues respectivement par des dépôts d’encres magenta, jaune et cyan. On remarque cependant la présence de quelques taches d’encres de couleurs différentes. Par exemple, on trouve dans les déclinaisons de cyan quelques taches d’encres magenta et jaune (qui, superposées aux taches cyan, donnent respectivement du bleu et du vert) bien que les paramètres « M » et « J » soient à 0. La diminution de saturation s’obtient par une diminution de la surface couverte par les taches d’encres primaires, qui ne changent pas vraiment de taille mais deviennent moins nombreuses, laissant plus de place au blanc du papier. La zone est presque entièrement recouverte d’encre pour la saturation maximale (paramètres « M », « C » ou « J » à 100 %).
Voici ce que nous avons observé pour les trois couleurs secondaires et leurs déclinaisons.
Conformément aux règles de la synthèse soustractive des couleurs, on retrouve dans les différentes déclinaisons des couleurs secondaires un « mélange » de deux encres primaires : magenta et jaune pour le rouge, cyan et jaune pour le vert, magenta et cyan pour le bleu. Pour comprendre comment ce mélange est réalisé, prenons l’exemple du vert. Aux saturations les plus faibles, par exemple le carré codé (20;0;20;0), les taches d’encres jaune et cyan sont réparties aléatoirement sur la surface, et se retrouvent ainsi en partie superposées et en partie juxtaposées. Quand la saturation augmente, ces taches se superposent de plus en plus, jusqu’à donner un fond vert presque uniforme. Des taches d’encre noire apparaissent pour les saturations les plus grandes (paramètre « V » de 80 % et plus).
Enfin voici ce que nous avons observé pour le noir et les différents niveaux de gris.
Nous pouvons voir que le noir (0;0;0;100) est sans surprise obtenu par un dépôt d’encre noire. Mais les différents niveaux de gris montrent que la traduction du paramètre « N » est complexe. Pour le gris le plus clair, codé (0;0;0;20), on ne trouve pas de trace d’encre noire mais des taches en nombre environ égal d’encres cyan, magenta et jaune. Les différentes taches sont pour la plupart séparées, les superpositions sont limitées. Quand le gris devient plus sombre, les taches d’encres cyan, magenta et jaune se superposent de plus en plus, et l’encre noire n’est utilisée que quand le paramètre « N » est supérieur ou égal à 80 %.
Discussion : trame et résolution
La répartition désordonnée des taches d’encres que nous observons est caractéristique de ce qu’on appelle une « trame aléatoire » : les taches d’encres, qui ont une taille relativement constante, sont disposées au hasard et c’est en faisant varier leur fréquence spatiale (par la distance entre les taches) qu’on obtient les différentes couleurs. Ce type de trame est principalement utilisé par les imprimantes jet d’encre et laser.
La répartition des taches d’encres dépend également d’un paramètre appelé résolution, qui donne le nombre de « points » d’encre que l’imprimante peut aligner sur une longueur d’un pouce, soit 2,54 cm. La résolution s’exprime ainsi en « ppp » (points par pouce), « dpi » (dots per inch) en anglais. Sur nos impressions en qualité normale, la résolution est de 300 dpi, soit une distance théorique minimale entre points d’encre de 85 micromètres. Cette distance n’est pas choisie au hasard puisqu’elle correspond au pouvoir de résolution de nos yeux (distance minimale entre deux points voisins permettant de les distinguer) quand on regarde la feuille au punctum proximum (distance d’observation la plus courte à laquelle nos yeux sont sensés accommoder), soit à environ 25 cm. Une résolution de plus de 300 dpi garantit ainsi une granularité de l’impression suffisamment fine pour qu’elle ne soit pas visible à l’œil nu. Sur nos impressions en qualité normale, la taille des taches et la distance minimale entre les taches sont de l’ordre de 100 micromètres, en accord avec la résolution annoncée de 300 dpi. Pour les couleurs les plus désaturées, comme il y a moins de taches pour laisser visible le blanc du papier, la distance entre les taches augmente, et une très fine granularité est visible en regardant la feuille de près. Si on augmente la résolution de l’impression, l’échelle de longueur associée aux taches d’encres diminue : elle est d’une vingtaine de micromètres pour une impression de résolution 1200 dpi sur du papier photo. Quand on souhaite imprimer une photo, les résolutions de l’impression et de l’image numérique doivent coïncider pour obtenir un résultat optimum.
Enfin, la nature du papier utilisé joue un rôle très important dans la taille et la forme des taches d’encre. En comparant les résultats obtenus avec notre planche de test imprimée sur du papier normal et du papier photo dans les mêmes conditions (qualité normale, 300 dpi), il semblerait que les taches d’encre d’environ 100 micromètres observées sur du papier normal résultent de la fusion de taches plus petites, qui restent séparées sur le papier photo, moins diffusant.
Discussion : reproduction des couleurs
Nos observations montrent que les imprimantes utilisent bien les règles de la synthèse soustractive pour reproduire les couleurs saturées sur une feuille blanche. Les couleurs rouge, verte et bleue sont obtenues en « mélangeant » deux à deux des encres cyan, magenta et jaune, et les différents niveaux de gris en « mélangeant » les trois encres primaires ensemble. Mais ces « mélanges », notamment pour les couleurs les plus désaturées, sont très différents de qu’on fait par exemple en peinture. Avec de la gouache ou de la peinture à l’huile, qui sont des matières souvent opaques, pour désaturer une couleur on y ajoute du blanc et on mélange pour homogénéiser sur la surface à peindre. Avec de l’aquarelle, on utilise la transparence de la peinture et le blanc du papier : pour désaturer on dilue avec de l’eau jusqu’à obtenir la bonne transparence, au contraire pour saturer on applique plusieurs couches successives pour concentrer le pigment. Avec une imprimante, les couleurs les plus désaturées sont obtenues en déposant un petit nombre des taches d’encres primaires, qui sont en partie juxtaposées et en partie superposées, en laissant vierge une grande partie de la feuille blanche.
Pour aller plus loin et comprendre comment les couleurs des encres primaires se mélangent, il faut revenir à notre système de vision des couleurs et au rôle que jouent les différentes encres sur la réflexion et l’absorption des composantes spectrales de la lumière incidente. Pour simplifier, on peut dire que la couleur d’un support dépend des quantités de lumières bleue, verte et rouge qui sont réfléchies vers l’œil de celui qui le regarde. Par exemple, l’encre cyan a la particularité (dans le cas idéal) d’absorber 100 % de la lumière rouge reçue, et de réfléchir 100 % des lumières vertes et bleues, qui ensemble donnent lieu à la perception « cyan ». La feuille blanche est supposée réfléchir 100 % des composantes colorées de la lumière incidente (qu'on suppose ici blanche).
Quand on veut par exemple générer une perception de cyan désaturé, il faut, en partant d’un cyan saturé qui absorberait 100 % de la composante rouge, augmenter la quantité de lumière rouge réfléchie par le support. Avec de l’aquarelle, cela s’obtient en diluant la peinture cyan appliquée sur la feuille. Avec une imprimante, cela se fait en diminuant la surface de la feuille blanche couverte par l’encre cyan. Si les taches d’encre cyan recouvrent par exemple 20 % de la surface, chacune de ces zones absorbant 100 % de la lumière rouge, en moyenne la feuille absorbera seulement 20 % de la lumière rouge et donc en réfléchira 80 %. Si Les taches d’encre sont suffisamment petites pour qu’on ne puisse pas les séparer à l’œil (voir notre discussion précédente sur la résolution de l’impression), la couleur nous parait uniforme : on parle d’un mélange optique. Nous faisons sur nos différents schémas l’hypothèse simplificatrice qu’un paramètre « C » égal à 20 signifie qu’en moyenne 20 % de la surface de la feuille est couverte d’encre cyan.
Le même raisonnement s’applique pour le magenta (l’encre magenta absorbe la composante verte) et le jaune (l’encre jaune absorbe la composante bleue).
Dans le cas des couleurs secondaires les plus désaturées, les taches d’encre des deux primaires utilisées se retrouvent en partie juxtaposées et en partie superposées. Prenons l’exemple du vert désaturé codé (20;0;20;0). Si on dépose de l’encre cyan sur 20 % de la surface, en moyenne 20 % de la lumière rouge sera absorbée. Si on dépose de l’encre jaune sur 20 % de la surface, en moyenne 20 % de la lumière bleue sera absorbée. Ces deux encres absorbant des zones différentes du spectre, l’effet moyen sera le même, que ces taches soient juxtaposées ou superposées (résultat visible : couleur verte). Les règles de mélange d’encres juxtaposées et indiscernables à l’œil nu sont similaires à celles qu'on observe en faisant tourner des toupies coloriées avec ces mêmes encres : une toupie avec des secteurs jaune et cyan parait vert clair quand elle tourne !
Dans le cas des différentes nuances de gris, le principe est le même : les taches d’encres des trois primaires se retrouvent pour les gris les plus clairs en partie juxtaposées et en partie superposées, le résultat global étant une diminution de toutes les composantes de la lumière réfléchie.
Pourquoi une encre noire ?
Pourquoi est-il nécessaire, dans une imprimante couleur, d’avoir une encre noire en plus des trois encres primaires ? Les règles de la synthèse soustractive indiquent pourtant qu’il est théoriquement possible d’obtenir du noir par mélange des trois primaires. Nos observations permettent d’apporter plusieurs éléments de réponse à cette question.
Tout d’abord, comme nous l’avons déjà discuté dans le cas des mélanges de feutres ou de peintures, les encres primaires utilisées dans les imprimantes ne permettent pas d’obtenir par mélange des couleurs suffisamment saturées car leur absorption n’est pas de 100 % dans la gamme spectrale qu’elles sont censées absorber. Par exemple, des dépôts superposés d’encres cyan, magenta et jaune vont donner du gris, et non du noir. L’utilisation d’encre noire, qui a un pouvoir absorbant plus fort que les trois encres superposées, est la seule solution pour obtenir un noir profond. La même chose s’observe pour les couleurs secondaires : les mélanges deux à deux d’encres primaires ne permettent pas d’obtenir des rouges, verts et bleus suffisamment saturés. L’ajout d’encre noire permet dans ce cas d’augmenter (artificiellement) la saturation de ces couleurs, en baissant leur luminosité.
Ensuite, l’utilisation d’encre noire permet de limiter les dépôts d’encres primaires. Une goutte d’encre noire remplace (au moins) trois gouttes d’encres cyan, magenta et jaune. Cela limite le mouillage de la feuille et son temps de séchage. Cela limite aussi les coûts d’impression, l’encre noire étant généralement plus économique que les encres primaires.
On peut alors se demander pourquoi le paramètre « N » dans le code CMJN ne se traduit pas toujours par un dépôt d’encre noire seule. Si on force l’imprimante à imprimer des nuances de gris en utilisant uniquement la cartouche d’encre noire (cette option existe sur la plupart des imprimantes couleurs), c’est bien ce qu’on observe.
L’effet moyen sur la composition spectrale de la lumière réfléchie est le même pour ces deux types d’impression. Mais l’utilisation des trois encres primaires permet d’obtenir, pour les gris les plus clairs, une granularité de l’encre moins marquée : il y a trois fois plus de taches d’encres réparties sur la surface de la feuille. De plus ces taches présentent un contraste moins fort avec le fond blanc. Sur l’impression avec l’encre noire seule (qualité normale, 300 dpi), la granularité du gris le plus clair est nettement visible à l’œil nu. D'une manière générale, une granularité finira toujours par apparaître pour les couleurs les plus désaturées, en raison du faible nombre de taches d’encres déposées sur la feuille. Pour résoudre ce problème, certaines imprimantes utilisent, en plus des quatre encres habituelles, des gris et des encres désaturées (magenta clair, cyan clair, ...).
Ces deux façons de traduire le paramètre « N » du code CMJN (avec les trois encres primaires ou avec l’encre noire seule) se retrouvent aussi quand on baisse la luminosité d’une couleur. Dans l’exemple ci-dessous, on part du jaune (0;0;100;0) et on augmente le paramètre « N » de 0 à 100 % de gauche à droite. Jusqu’à 40 % de noir, la baisse de luminosité s’obtient, en partant du fond d’encre jaune, par ajout de taches d’encres magenta (ce qui donne du rouge) et cyan (ce qui donne du vert), puis à partir de 60 %, de taches d’encre noire.
Observations sur d'autres supports imprimés
Vous pouvez ensuite explorer avec votre microscope d’autres supports imprimés, comme des magazines, qui font appel à des techniques d’impression professionnelles plus élaborées.
Voici par exemple ce que nous avons observé sur un magazine, en choisissant d'abord des couleurs proches des primaires (jaune, magenta, cyan) et secondaires (rouge) : un fond coloré relativement homogène.
L’exploration devient plus intéressante quand on s’intéresse à des couleurs intermédiaires, par exemple un orange, un violet, un jaune-vert ou un beige. Un réseau régulier de taches rondes apparait, dont on peut deviner la couleur d’origine en comparant aux observations précédentes. Les ronds rouges sont obtenus par superposition de ronds magenta sur un fond jaune ; les ronds bleus par superposition de ronds cyan sur un fond magenta, et les ronds verts par superposition de ronds cyan sur un fond jaune. Le cas du beige est plus complexe puisqu’on voit des réseaux de ronds noir, cyan, magenta et jaune, de différentes tailles, plus ou moins superposés.
Ce type d’impression utilise une trame dite « classique », c’est-à-dire un réseau de motifs (ici des ronds) régulièrement espacés dans deux directions perpendiculaires. Les variations de couleur ne sont plus obtenues comme avec la trame aléatoire en densifiant les motifs, mais en changeant leur taille. Cela se voit très bien sur cette photo montrant un ciel bleu presque cyan, de moins en moins saturé en descendant vers l’horizon : la taille des ronds de couleur cyan diminue mais leur nombre ne change pas.
Les différents niveaux de gris sont obtenus, comme pour l’imprimante jet d’encre, en utilisant à la fois les encres primaires et l’encre noire. On remarque aussi sur les gris les plus clairs, où les quatre trames sont visibles en même temps, qu’elles sont orientées dans des directions différentes les unes des autres. Ceci permet notamment d’éviter les effets de moiré.
La sérigraphie et la quadrichromie dans l'art
La reproduction des couleurs à l’aide de trames régulières de taches de couleurs cyan, magenta, jaune et noire est inspirée d’une technique plus ancienne appelée sérigraphie, dans laquelle les encres sont déposées à travers des réseaux de trous (des pochoirs). La sérigraphie est encore largement utilisée aujourd’hui pour reproduire des motifs sur de nombreux supports (papier, tissu, bois, métal, etc.). Elle a inspiré des artistes comme Alain Jacquet, qui ont utilisé ces trames pour transformer des photographies en œuvres d’art. Les trames sont agrandies pour que les ronds deviennent visibles à l’œil nu : ces ronds constituent l’image autant qu’ils la cachent. Des versions plus ou moins agrandies de ce tableau ont été réalisées et sont visibles dans de nombreux musées à travers le monde (Centre Pompidou à Paris, musée de Grenoble, etc.).
