Les images rémanentes

Afin d’illustrer ce qu’est une image rémanente, nous vous invitons à regarder fixement pendant une vingtaine de secondes la croix noire située en haut des arcs de couleurs ci-dessous, puis à déplacer rapidement votre regard sur la croix située à droite.

 

Bien que rien n'ait été dessiné autour de la croix de droite, vous voyez un arc-en-ciel qui s'atténue lentement pour disparaître après une dizaine de secondes.  Cette « trace » de l’image de gauche est appelée image rémanente (« afterimage » en anglais).

Nous vous proposons sur cette page de vous livrer à une série d’observations qui vous permettront d’explorer ce phénomène décrit de façon erroné ou incomplète sur certains sites internet et ouvrages scientifiques. Nous verrons en particulier que l’explication habituellement proposée (la fatigue rétinienne)  ne permet pas de tout expliquer !

Matériel

Toutes les observations que nous vous proposons peuvent se faire directement sur l’écran d’un ordinateur ou en projetant les images sur un écran à l’aide d’un vidéoprojecteur. Les effets seront d’autant plus prononcés que la luminosité de votre écran sera forte. Vous pouvez également imprimer les images sur une feuille de papier, puis faire les observations en éclairant cette feuille avec une lumière blanche suffisamment puissante. Les couleurs des images (et donc des images rémanentes) pourront varier légèrement suivant le rendu des couleurs de votre écran, vidéoprojecteur ou imprimante.

Observations

 Commencez par fixer la croix de gauche au centre du carré ROUGE pendant 20s environ. Puis fixez la croix de droite.

Vous devriez voir un carré de couleur CYAN centré sur la croix de droite, qui s’atténue lentement au cours du temps (il est difficilement visible après une dizaine de seconde). Il se déplace avec le regard si on ne fixe plus la croix.

A l’aide de cette même image, il est possible de faire d'autres tests :

  • Ne pas regarder la croix de gauche fixement mais au contraire déplacer son regard en permanence en différents points du carré rouge. Le carré cyan n’apparait plus en fixant la croix de droite.
  • Changer le temps pendant lequel on fixe la croix de gauche entre une et trente secondes et comparer ce qui est vu en fixant la croix de droite. Plus le temps de fixation est grand, plus la couleur qui apparait est saturée et plus elle dure longtemps (pour un temps de fixation de 1s, l’image rémanente est à peine visible).
  • Regarder la croix de gauche avec un seul œil, puis celle de droite avec l'autre œil.  Le carré CYAN n’apparait pas, ce qui veut dire que cette image rémanente ne se transfère pas d’un œil à l’autre.

Vous pouvez facilement renouveler l’expérience précédente avec d’autres formes colorées : vous retrouverez toujours la forme de départ. Sur l'image ci-dessous, l’étoile ROUGE devient une étoile CYAN.

Cherchons à présent à associer les couleurs de l'image de départ et celles de image rémanente produite. Nous vous proposons pour cela de tester en une fois les six couleurs ROUGE, BLEU, VERT, CYAN, JAUNE et MAGENTA, qui sont respectivement les couleurs primaires et secondaires de la synthèse additive. Nous avons utilisé le code RVB pour les représenter correctement mais le rendu des couleurs (et donc les couleurs des images rémanentes) peuvent varier légèrement d’un écran à l’autre.

Vous devez voir, en fixant la croix de droite après avoir fixé celle de gauche, que les couleurs s’échangent entre la colonne de gauche et la colonne de droite. Autrement dit :

  • ROUGE devient CYAN et CYAN devient ROUGE ;
  • BLEU devient JAUNE et JAUNE devient BLEU ;
  • VERT devient MAGENTA et MAGENTA devient VERT.

Une fois ces « règles » connues (conservation de la forme, changement de couleurs) il est possible de fabriquer des images rémanentes plus élaborées et de jouer avec, comme par exemple en mettant ce poisson dans un bocal (avant de faire l'expérience, essayez de deviner la couleur du poisson dans le bocal !) :

ou en donnant l’illusion de la couleur à une image en noir et blanc :

Discussion

D'après les observations précédentes, une image rémanente présente les caractéristiques suivantes :

  • elle a la même forme et la même taille que l'image de départ, mais pas la même couleur ;
  • elle se déplace avec le regard ;
  • elle n'apparait que si l'image de départ est fixée pendant un temps suffisamment long, et disparait après une dizaine de seconde.

De plus, les modifications de couleurs entre l'image rémanente et l'image de départ mettent en jeu des couples de couleurs bien précis : ROUGE – CYAN, BLEU – JAUNE et VERT – MAGENTA. Ces couples de couleurs associent ce qu’on appelle des couleurs complémentaires : une lumière ROUGE mélangée à une lumière CYAN donnera une lumière BLANCHE. Ils se retrouvent également quand on cherche à relier la couleur d’un filtre aux couleurs lumières pures ou longueurs d’ondes absorbées par ce filtre : un filtre CYAN absorbe la partie ROUGE du spectre de la lumière blanche.

Une hypothèse permettant d'expliquer les propriétés des images rémanentes exposées ci-dessus est celle de la fatigue rétinienne. Notre vision des couleurs repose sur les signaux émis par des photorécepteurs situés sur notre rétine et appelés cônes. Ces cônes sont de trois types, « bleu », « vert » et « rouge », en fonction de leur gamme de sensibilité à la longueur d’onde de la lumière reçue. L’hypothèse de la fatigue rétinienne consiste à dire que si un type de cône est fortement stimulé pendant un temps suffisamment long, il devient moins sensible à la lumière reçue (il se « fatigue »). Prenons l’exemple de notre carré ROUGE. Si nous analysions la lumière émise par l’écran au niveau de ce carré, nous verrions qu’elle contient essentiellement des couleurs lumières pures dans la zone « rouge » du spectre. Donc quand nous fixons la croix au centre du carré ROUGE, dans toute la zone de la rétine qui récolte la lumière rouge renvoyée par le carré, les cônes de type rouge sont plus fortement sollicités que les cônes de types vert et bleu. Les cônes de type rouge deviennent ainsi moins sensibles que les autres. Quand nous déplaçons notre regard pour fixer la croix sur fond BLANC, la lumière qui atteint la rétine dans la zone précédemment éclairée de ROUGE contient maintenant aussi des longueurs d’onde dans les zones bleue et verte du spectre. Les cônes de type rouge qui ont déjà été sollicités depuis un moment étant moins sensibles que les cônes de type bleu et vert, nous avons l’illusion qu’il y a plus de lumière VERTE et BLEUE que de lumière ROUGE. Un mélange de lumière BLEUE et de lumière VERTE générant une sensation colorée CYAN, nous voyons un carré CYAN qui s’atténue progressivement avec l’adaptation des cônes de types bleu et vert. Nous pouvons ainsi comprendre pourquoi les couleurs associées entre image de départ et image rémanente sont les couleurs complémentaires, et pourquoi l'image rémanente a la même forme que l'image de départ et se déplace avec le regard (elle est associée à une zone précise de la rétine).

Cette hypothèse proposée dès 1786 par George Palmer est reprise par la plupart des sites internet et par de nombreux ouvrages scientifiques qui discutent les images rémanentes. Mais une observation rarement présentée (pourtant très simple à mettre en œuvre) démontre qu’elle est insuffisante. Reprenons l’expérience ci-dessus avec le carré ROUGE mais regardons à présent ce qui se passe si nous déplaçons le regard sur un fond NOIR. Sur un fond NOIR, il n’y a plus de lumière émise par l’écran, et donc les trois types de cônes ne sont plus stimulés. Les différences de sensibilité qui s’établissent suite à l’observation du carré ROUGE ne devraient donc pas se traduire par l’apparition d’une image rémanente sur le fond NOIR ! Or un carré CYAN apparait bel et bien, d’intensité comparable à ce qu’on peut voir sur fond BLANC. Certains chercheurs suggèrent que l’origine des images rémanentes colorées ne se limiterait pas à une fatigue des photorécepteurs de la rétine mais aurait aussi une origine corticale.

Étonnamment, on trouve également dans de très nombreux sites et ouvrages une description fausse des images rémanentes. Il est souvent écrit que le ROUGE et le VERT sont associés : une image rémanente VERTE succèderait à une image ROUGE, et réciproquement. Or les observations précédentes nous montrent clairement que le ROUGE est associé au CYAN et non au VERT, et le VERT au MAGENTA et non au ROUGE. Au-delà d’une question de vocabulaire (le CYAN est « proche » du VERT, le MAGENTA « proche » du ROUGE) ces descriptions erronées se sont probablement propagées sur la base d’une théorie physiologique de la vision des couleurs dite des couleurs opposées, introduite à la fin du 19ème siècle par Hewald Hering et qui repose sur l’existence des quatre couleurs fondamentales opposées deux à deux : ROUGE – VERT et JAUNE – BLEU.

Plus généralement, de nombreuses études montrent que notre système visuel s'adapte à la composition spectrale de la lumière perçue. Ce phénomène, qui serait l'un des éléments expliquant la constance des couleurs, est appelée adaptation chromatique. Cette adaptation peut être locale, c’est-à-dire liée aux détails de la scène observée, ou globale et liée à l’ensemble de la scène. Par ailleurs, une part importante de cette adaptation s'établit sur des temps longs, de plusieurs dizaines de secondes et plus.

Expérience bonus

Il est également possible de faire apparaître une image rémanente colorée à partir d'un objet BLANC, si celui-ci est placé sur un fond coloré. C'est ce que vous montre l'image ci-dessous, pour laquelle nous vous invitons à reproduire le procédé habituel (fixer la croix du haut, puis celle du bas).

En fixant la croix du bas, le carré BLANC du dessus prend la couleur du contour et devient un carré ROUGE. ! Les mécanismes expliquant ce phénomène ne sont pas parfaitement compris mais une hypothèse consiste à dire que le contour ROUGE induirait une image rémanente CYAN sur l'image du bas (visible quand le fond n'est pas très étendu) qui par un effet de contraste simultané induirait une sensation colorée ROUGE dans le carré.