La luminance est une grandeur correspondant à la sensation visuelle de luminosité d'une surface. Une surface très lumineuse présente une forte luminance tandis qu'une surface parfaitement noire aurait une luminance nulle.

En photométrie, la luminance lumineuse ou luminance visuelle, couramment nommée luminance, se définit comme le quotient de l'intensité lumineuse de la surface source par l'aire de cette source projetée sur la perpendiculaire à la direction d'observation. Son unité SI est la candela par mètre carré (cd⋅m). Elle dépend de la sensibilité de l'œil humain. Son équivalent radiométrique, la luminance énergétique ou radiance, est utilisé en physique lorsque la visibilité ou non du rayonnement électromagnétique importe peu.

En colorimétrie, de nombreux systèmes de représentation des couleurs décomposent la sensation visuelle d'un stimulus de couleur en deux parties supposées indépendantes, la luminance et la chromaticité (la coloration). L'objet de la colorimétrie étant de comparer des sensations visuelles colorées, la valeur absolue de la luminance des stimulus n'a pas d'importance. On utilise généralement une luminance relative, par rapport à la luminance maximale d'un écran ou d'une surface éclairée. La luminance évolue dans ce cas entre une valeur nulle pour le noir et une valeur de 1 (ou 100 %) pour le blanc pris comme référence. La luminance relative utilisée en colorimétrie est la luminance absolue de la photométrie à un facteur près qu'il est rarement utile de connaître.

En technique vidéo couleur, la luma, couramment nommée luminance, est la partie du signal, commune avec la vidéo noir et blanc, qui transporte l'information de luminosité de chaque élément de l'écran. La luminance est associée à la chroma, couramment nommée chrominance, la partie du signal qui transporte l'information de couleur.

Luminance en photométrie

La photométrie se propose d'associer des grandeurs mesurables à la perception de la lumière. Ce programme implique un étalon auquel comparer les grandeurs. Pour des raisons de commodité, et parce que le premier objectif des études photométriques était de comparer les moyens d'éclairage, cet étalon a été défini comme une source de lumière, une bougie, qui a donné son nom à l'unité d'intensité lumineuse : la candela. Mais par définition, l'intensité lumineuse ne peut être définie que si la source est considérée comme ponctuelle, parce que suffisamment petite ou suffisamment éloignée. Si la source est étendue c'est la luminance qui caractérise la luminosité de chacun de ses éléments de surface, quelle que soit sa forme. La candela est l'une des sept unités de base du Système international d'unités et l'unité fondamentale de la photométrie. C'est pourquoi la luminance doit se définir à partir de l'intensité lumineuse. Les autres grandeurs photométriques s'en déduisent également à partir de raisonnements purement géométriques.

La luminance est, en même temps, la seule grandeur photométrique qui permet des comparaisons visuelles. Toutes les procédures de psychologie expérimentale qui fondent la photométrie se basent sur l'égalisation de la luminance de deux plages lumineuses occupant une petite partie (2% ou 10%) du champ visuel. Cette méthode fait de la luminance une échelle différente de la luminosité perçue. On a résolu, pour simplifier les calculs dans toutes les applications, de faire de la luminance une quantité proportionnelle à l'énergie lumineuse pondérée par la sensibilité visuelle. Ce n'est pas le cas de la luminosité perçue, qui s'obtient à partir de la luminance par une relation non linéaire, même dans les conditions simplifiées des procédures de le psychologie expérimentale.

Définition

Schéma représentant les paramètres de la définition de la luminance.

La luminance, également nommée luminance lumineuse ou luminance visuelle , est l'intensité lumineuse dI d'une surface élémentaire dΣ source dans une direction donnée, divisée par l'aire apparente, dΣ cos αΣ, de cette source dans cette même direction :

On peut aussi la définir comme l'intensité lumineuse par unité de surface perpendiculairement à la direction d'origine de l'émission, ce qui est équivalent, ou comme la densité spatiale de flux lumineux, ou encore comme (BIPM 1983, p. 5)

dΣ et dS sont surfaces élémentaires respectivement émettrice et réceptrice ;

dΦ est le flux élémentaire émis par dΣ en direction de dS ;

dI est l'intensité lumineuse de la surface dΣ dans la direction de dS ;

dG est l'étendue géométrique du pinceau de rayons lumineux qui joint dΣ et dS ;

dΩΣ est l'angle solide élémentaire sous lequel on voit dS depuis le point source ;

αΣ est l'angle entre la normale à la surface émettrice et la droite joignant les deux surfaces.

Unités

Dans le Système international d'unités, la luminance s'exprime en candela par mètre carré, symbole cd⋅m. L'unité de son équivalent radiométrique, la luminance énergétique, est le watt par mètre carré et par stéradian, symbole W·m⋅sr.

le nit, 1 nit = 1 cd⋅m ;

le stilb (sb), 1 sb = 1 cd⋅cm = 10 kcd⋅m ;

l'apostilb ou blondel (asb), 1 asb = 1/π cd⋅m ≈ 0,3183 cd⋅m ;

la candela per square inch, 1 cd⋅in ≈ 1 550 cd⋅m ;

la candela per square foot, 1 cd⋅ft ≈ 10,7** cd⋅m ;

le lambert (L), 1 L = 1/π cd⋅cm ≈ 3 183 cd⋅m ;

le foot-lambert (fL ou flam), 1 fL = 1/π cd⋅ft ≈ 3,426 cd⋅m ;

le skot, 1 skot = 1 masb ≈ 0,3183 mcd⋅m.

Perception visuelle et luminance

La sensibilité de l'œil est caractérisée par la fonction d'efficacité lumineuse spectrale en vision photopique (en bleu) et scotopique (en rouge).

Principalement en raison de la sensibilité des récepteurs de la rétine (les trois types de cônes et les bâtonnets), la sensibilité de l'œil humain n'est pas la même sur l'ensemble du spectre visible, entre 380 nm et 780 nm. Cette sensibilité spectrale varie aussi selon la quantité de lumière.

On parle de vision photopique (vision diurne) quand les luminances lumineuses des objets observés sont comprises entre quelques candelas par mètre carré et quelques milliers de candelas par mètre carré ; au-delà on entre dans le domaine de l'éblouissement. Dans le domaine photopique, la vision des couleurs est possible grâce à la coexistence des trois type de cônes ; les bâtonnets eux sont saturés. Le maximum de sensibilité aux couleurs se situe vers le jaune–vert, au centre du spectre visible.

On parle de vision scotopique (vision nocturne) quand les luminances lumineuses des objets observés sont inférieures à la millicandela par mètre carré. Seuls les bâtonnets sont assez sensibles pour réagir à cette faible lumière. La vision des couleurs n'est pas possible car il n'existe qu'un seul type de bâtonnet. Le maximum de sensibilité se situe vers ce qui serait un vert–bleu à plus forte luminosité.

On parle de vision mésopique (vision crépusculaire) lorsqu'à la fois les cônes et les bâtonnets sont sensibles à la lumière, quand les luminances lumineuses des objets observés sont comprises entre la millicandela par mètre carré et quelques candelas par mètre carré. Le maximum de sensibilité se décale vers le bleu à mesure que la luminance lumineuse diminue, c'est l'effet Purkinje.

La luminosité perçue n'est pas proportionnelle à la luminance lumineuse. Elle dépend de la plus forte luminance de la scène, et dans ce contexte, elle varie, d'après les auteurs modernes depuis Stanley Smith Stevens, selon une loi de puissance. La Commission internationale de l'éclairage définit une luminosité colorimétrique standard.

Cas des surfaces à luminance uniforme

La luminance d'une surface peut généralement varier d'un point à un autre ou selon la direction d'observation ou de mesure. On peut simplifier les relations dans les cas particuliers où

la luminance est identique sur toute la surface : la luminance est alors dite uniforme spatialement ;

la luminance est identique dans toutes les directions : la luminance est alors dite uniforme angulairement, la source est orthotrope ou lambertienne ;

la luminance est identique sur toute la surface et dans toutes les directions : la luminance est uniforme spatialement et angulairement.

Sources à luminance uniforme spatialement

Dans l'hypothèse simplificatrice d'une surface plane d'aire Σ (en m), suffisamment petite pour être supposée ponctuelle, dont la luminance L est uniforme spatialement et présentant un angle α_Σ par rapport à la direction du récepteur, la relation se simplifie :

${\displaystyle I=L\cdot \Sigma \cdot \cos \alpha _{\Sigma }.}$

Au niveau du récepteur, l'éclairement lumineux dû à cette surface vaut alors

${\displaystyle E={\frac {I\cdot \cos \alpha _{S}}{d^{2}}}={\frac {L\cdot \Sigma \cdot \cos \alpha _{\Sigma }\cdot \cos \alpha _{S}}{d^{2}}}=L\cdot \Omega _{S}\cdot \cos \alpha _{S}.}$

stéradian

éclairement lumineux

Si la source ou l'objet sont trop étendus pour qu'on puisse considérer qu'elle comporte un seul élément, visible sous un angle donné avec un angle d'éclairement donné, comme ce serait le cas par exemple pour une grande feuille de papier éclairée de près par un tube fluorescent, on divise les surfaces en éléments aussi petits que nécessaire, et on ajoute tous les résultats dans une opération d'intégration.

Sources orthotropes

Une source lumineuse orthotrope répartit uniformément dans toute la demi-sphère face à lui tout le flux lumineux qu'elle émet. La loi de Lambert en découle : la luminance est égale dans toutes les directions à l'exitance divisée par π. Le corps noir est une source primaire orthotrope et le Soleil en est un assez bonne approximation.

Les surfaces mates ou rugueuses peuvent souvent être considérées comme des sources secondaires orthotropes aussi appelées diffuseurs orthotropes : à l'inverse des miroirs, la part de réflexion spéculaire est négligeable devant la réflexion diffuse. Les particules diffusantes ne doivent pas avoir de forme régulière ou d'orientation privilégiée et doivent baigner dans un milieu de même indice de réfraction que le milieu extérieur, ce qui exclut les tissus et certaines peintures. Les surfaces ne renvoient qu'une fraction de la lumière qui les touche : elles présentent ordinairement un facteur de réflexion ρ variable selon la longueur d'onde du rayonnement (sa couleur). La luminance peut alors s'exprimer

${\displaystyle L={\frac {M}{\pi }}={\frac {\rho \cdot E}{\pi }}.}$

La luminance d'une surface d'un facteur de réflexion ρ illuminée avec un éclairement E est égale à ρE/π.

Les cas plus complexes, tant en ce qui concerne la couleur que le brillant, sont des objets d'étude de la colorimétrie.

Diffuseur parfait

Le diffuseur parfait est un modèle théorique correspondant à un diffuseur orthotrope qui renvoie la totalité du flux lumineux qu'il reçoit, c'est-à-dire pour lequel ρ = 1. Il sert à définir le facteur de luminance.

Mesure de la luminance

La mesure de la luminance peut être effectuée à l'aide d'un luminancemètre (en). Un capteur électronique convertit un éclairement reçu sur sa surface en signal électrique. À la différence des luxmètres qui captent la lumière provenant d'une demi-sphère, les luminancemètre ne prennent en compte que la lumière provenant d'une petite surface, dans un petit cône. Des filtres appropriés adaptent la sensibilité du capteur à celle de la vision humaine définie conventionnellement par l'observateur de référence. L'éclairement lumineux reçu est proportionnel à la luminance de la surface visée.

En technique photographique, l'équivalent de cet appareil s'appelle communément un spotmètre : il permet d'effectuer les réglages afin d'obtenir la bonne exposition pour une surface donnée. Les spectromètres peuvent aussi déterminer la luminance en pondérant la luminance énergétique mesurée par bande de fréquence au pas d'environ 0,5 nm à 1 nm selon la précision, à condition qu'ils n'interceptent qu'un petit cône de lumière.

Les premières mesures furent effectuées par comparaison à l'aide d'appareils optiques qui permettaient d'observer côte à côte une source à évaluer et une source de référence, en faisant varier la transmission de la lumière de l'une des deux : c'est de cette manière que la photométrie s'est établie dans ses débuts.

Ordres de grandeur et exemples

Au niveau de la mer, par temps clair, la luminance énergétique du soleil est de 1,5×10 W⋅sr⋅m et sa luminance vaut 1,5×10 cd⋅m.

Le phénomène d'éblouissement se produit principalement quand une surface très lumineuse de faibles dimensions se trouve isolée sur un fond de luminance beaucoup moindre ; mais une luminance supérieure à 10 000 cd⋅m produit un éblouissement quelle que soit la surface, et au-delà de 30 000 cd⋅m il y a risque de lésion rétinienne (Sève 2009, p. 26).

La limite basse du domaine photopique (vision diurne) se situe entre 1 cd⋅m et 3 cd⋅m.

Les normes légales en France demandent qu'un plan de travail soit éclairé par 300 lux. Une feuille de papier blanc ordinaire, d'une réflectance de 0,4 et d'un brillant suffisamment faible pour qu'on la considère comme un diffuseur parfait et qu'ainsi la loi de Lambert s'applique, a une luminance d'à peu près 40 cd⋅m.

La recommandation sRGB prévoit une luminance (absolue) du blanc des écrans de 80 cd⋅m (IEC 1966 v. 2.1, 1998, p. 6).

Luminance relative

Dans de nombreux domaines on se contente de donner à la luminance une valeur relative à celle du blanc le plus clair. Pour les systèmes d'affichage (informatique, vidéo ou télévisuels), le blanc de référence prendra une valeur de luminance maximale. Pour les mesures par réflexion, c'est-à-dire sur des surfaces éclairées par une ou des sources primaires, la valeur maximale de la luminance est attribuée à la surface diffusante la plus blanche dont on dispose : partie blanche d'une mire, papier blanc vierge, etc.

Luminance en colorimétrie

Du fait de la vision trichromatique de l'être humain, la description des couleurs repose sur trois caractéristiques dont l'une, dans de nombreux cas, décrit la luminance de la couleur.

Plusieurs systèmes colorimétriques utilisent la luminance comme l'une des trois caractéristiques des couleurs. Elle est notée Y dans le système CIE 1931 XYZ qui fut le premier à utiliser cette notion. Elle peut être définie de la même manière qu'en photométrie, mais, dans la plupart des cas pratiques, elle ne lui est égale qu'à un facteur près, essentiellement pour des raisons de simplification des mesures : il s'agit alors d'une luminance relative, bien qu'elle soit nommée simplement « luminance ». En effet, généralement, la luminance est comparée à un blanc de référence, que ce soit le blanc le plus intense que l'on peut produire, celui renvoyé par une mire ou tout autre étalon colorimétrique.

Facteur de luminance des surfaces

Le facteur de luminance est un élément de caractérisation des surfaces pour leur définition colorimétrique : il est le rapport de sa luminance à celle du diffuseur parfait éclairé et observé dans les mêmes conditions.

Indicatrice de luminance

L'indicatrice de luminance, pour un élément de surface et un éclairage donnés, est l'ensemble des vecteurs dont le module est égal à la luminance de cette surface dans sa direction.

Pour un diffuseur parfait, quel que soit l'éclairage, l'indicatrice de luminance est identique dans toutes les directions. Pour une surface brillante sous un éclairage spéculaire, c'est-à-dire qui provient d'une seule direction, l'indicatrice de luminance présente un pic dans la direction où la lumière est réfléchie.

Luma

Dans le domaine de l'audiovisuel, la luma désigne la partie du signal vidéo qui transporte l'information de luminosité.

Le terme « luminance » s'emploie de manière approximative en vidéo et par voie de conséquence, pour les écrans d'ordinateurs. La luma ne représente pas la luminance relative de l'écran, mais une grandeur plus proche de sa luminosité perçue, qui lui est reliée par une fonction non-linéaire (Poynton 2012, p. 122).

Le signal vidéo nécessite une information de luminance et deux informations de chrominance afin de reconstituer les trois couleurs primaires rouge, vert et bleu (RGB) de l'affichage couleur qui utilise le principe de la synthèse additive. Ce choix fut historiquement guidé par la nécessité d'assurer la compatibilité des téléviseurs noir et blanc lors de la naissance des standards NTSC, PAL puis SÉCAM, et après avoir observé que la vision humaine présente une sensibilité moindre à la couleur qu'à la luminosité. Cette dernière observation conduit dans de nombreux cas à sous-échantillonner le signal de chrominance.

Les composantes primaires R, G et B qui forment la luminance relative Y subissent divers traitements effectués (corrections de défaut, accentuation des détails, etc.) par le processeur de signal numérique (DSP) de la caméra suivis d'une correction gamma produisant trois signaux R′, G′ et B′, avant l'opération de matriçage qui construit la luma Y′. Le symbole prime indique la correction gamma.

Correction gamma

Initialement, la correction gamma permet de compenser la non-linéarité des écrans à tube cathodique (CRT) . En effet, l'exitance lumineuse M d'un point de l'écran n'est pas proportionnelle à la tension V qui lui est associée, elle est décrite par une fonction de la forme : M = kV' avec γ ≈ 2,2. Par conséquent, il faut compenser, pour chaque composante primaire R, G et B, la tension électrique source Vs qui lui est associée avec une pré-correction non-linéaire, la correction gamma, de la forme V = k′Vs, de sorte à obtenir une exitance lumineuse correcte M = k″Vs. Il existe un gamma par composante : γR, γG et γB. En général on leur donne la même valeur γ. Si on le le fait pas, la tendance de la couleur obtenue sur l'écran diffère selon la luminance. Par exemple, avec un gamma plus faible sur le canal vert, les plages de luminance moyenne auront une tendance verte par rapport aux plages de luminance élevée ou faible.

Selon les recommandations ITU-R BT 601 (numérisation des vidéos SD) et ITU-R BT 709 (TVHD) de l'Union internationale des télécommunications, la « caractéristique de transfert optoélectronique à la source » de la correction gamma est définie par

${\displaystyle V={\begin{cases}1{,}099\cdot V_{\textrm {s}}^{0{,}450{,}099&{\text{pour}}\ 1\geq V_{\textrm {s}}\geq 0{,}018\\4{,}500\cdot V_{\textrm {s}}&{\text{pour}}\ 0{,}018>V_{\textrm {s}}\geq 0.\end{cases}}}$

Selon la recommandation sRGB, la correction gamma est définie par

${\displaystyle V={\begin{cases}1{,}055\cdot V_{\textrm {s}}^{1/2,40{,}055&{\text{pour}}\ 1\geq V_{\textrm {s}}>0{,}003\,130\,8\\12{,}92\cdot V_{\textrm {s}}&{\text{pour}}\ 0{,}003\,130\,8\geq V_{\textrm {s}}\geq 0,\end{cases}}}$

où

Vs le signal électrique source pour chaque composante R, G et B, entre 0 et 1 ;

V est le signal électrique pré-corrigé non-linéaire (correction gamma), entre 0 et 1.

La correction gamma des trois composantes R, G et B produit trois composantes pré-corrigées non-linéaires R′, G′ et B′.

Matriçage

L'opération de matriçage des composantes R′', G′ et B′' permet ensuite de construire la luma Y′'.

Selon les recommandations ITU-R BT 709, la luma est construite par

${\displaystyle Y'=0{,}212\,6\,R'+0{,}715\,2\,G'+0{,}072\,2\,B'.}$

Selon la recommandation ITU-R BT 601, la luma est construite par

${\displaystyle Y'=0{,}299\,R'+0{,}587\,G'+0{,}114\,B'.}$

Cette opération se justifie d'abord par des choix technologiques historiques. En télévision analogique, elle permettait aux récepteurs noir et blanc d'afficher l'image en n'utilisant que la luma ; les signaux de chrominance permettaient aux récepteurs couleur de reconstruire les composantes R, G et B quel que soit le principe d'affichage (CRT, LCD, projection, etc.).

Cette opération est toujours justifiée à l'heure actuelle car la luma occupe une place prépondérante pour la restitution de la qualité de l'image à diffuser car la vision humaine présente une sensibilité moindre à la couleur qu'à la luminosité. C'est pourquoi de nombreux standards numériques utilisent une structure d'échantillonnage 4:2:2 qui signifie que chaque signal de chrominance (2) contient deux fois moins d'informations que la luma (4) : le sous-échantillonnage de la chrominance permet de réduire le débit des données sans trop affecter la qualité perçue de l’image.

Normalisation du signal

Les valeurs normalisées limitent la valeur de la tension du signal vidéo analogique entre 0 V pour le noir et 0,7 V pour le blanc. Les valeurs inférieures à 0 V et jusqu'à –0,3 V servent pour les signaux de synchronisation.

Pour le signal vidéo numérique, selon la recommandation ITU-R BT 709 (TVHD), le codage peut se faire sur 8 bit (de 0 à 255) ou 10 bit (de 0 à 1023). Sur 8 bit le noir est codé par la valeur 16, le blanc par la valeur 235. Sur 10 bit le noir prend la valeur ** et le blanc la valeur 940.

Luminance des écrans

La luminance des écrans d'ordinateur dérive de celle des écrans de télévision, et les valeurs informatiques de luminance représentent une valeur apparentée à la luma ou luminance vidéo.

En informatique ou en vidéo, lorsqu'un utilisateur travaille devant son écran (infographie ou postproduction), la luminance permet de comparer la luminosité des différents points qui forment l'image par rapport aux valeurs extrémales du blanc et du noir. Étant donné que les utilisateurs peuvent travailler dans des ambiances ou avec des réglages différents, la valeur transmise est une luminosité relative sur l'échelle de celles que produit l'écran. La luminosité relative est obtenue en prenant celle du blanc le plus clair du terminal comme unité de mesure. Elle correspond à un rapport de contraste non-linéaire. La luminance relative d'un point peut s'établir par une mesure de luminance, dont le résultat se divise par la luminance trouvée pour le blanc. Une fonction de puissance permet alors de passer de la luminance relative à la luminosité relative, toujours entre 0 et 1. Le voile (lumière parasite, flare en anglais) est la luminance de l'écran quand les trois canaux sont à zéro. Il vient en partie de l'écran, et en partie de l'éclairage autour de lui, dont la recommandation sRGB précise les valeurs. Il est négligeable pour les valeurs élevées de luminosité, mais important pour les zones les plus sombres.

En pratique la luminance d'un écran peut être modifiée globalement de façon proportionnelle à l'aide du réglage du contraste.

En infographie, selon le système utilisé, la luminosité ou valeur d'une couleur est associée à la lettre L ou V : elle peut facilement être modifiée en agissant sur ce paramètre. On néglige l'influence de la luminosité sur la coloration (effet Bezold–Brücke). Le lien entre les composantes R, G et B de la couleur et la luminosité varie d'un système à l'autre. En postproduction photographique, on peut s'aider d'un histogramme qui est la représentation graphique de la fonction discrète qui associe à chaque valeur de luminosité le nombre de pixels prenant cette valeur.

亮度（luminance）是表示人眼对发光体或被照射物体表面的发光或反射光强度实际感受的物理量，亮度和光强这两个量在一般的日常用语中往往被混淆使用。简而言之，当任两个物体表面在照相时被拍摄出的最终结果是一样亮、或被眼睛看起来两个表面一样亮，它们就是亮度相同。

国际单位制中规定，亮度的符号是L，单位为尼特。

物理表达式

色觉 色盲 色盲检测

色盲

色盲检测

可见光谱

色彩恒常性

色彩语码

色彩理论

互补色

色调

亮度

色度

加色法

减色法

原色

间色

白色

灰色

黑色

红色

粉红

橙色

褐色

黄色

绿色

蓝色

紫色

靛色

金色

银色