Approches colorimétriques des peaux ethniques

  « Toutes les couleurs s’accordent dans l’obscurité. » Francis Bacon Le but de ce travail consiste à étudier les différentes caractéristiques colorimétriques de jeunes femmes noires, métissées et caucasiennes, au niveau du front et de l’avant-bras (zone photoexposée et photoprotégée). Nous nous intéressons plus particulièrement à l’étude des spectres de réflectance et aux paramètres colorimétriques (L*a*b*) qui en découlent. Ces résultats sont complétés par une analyse factorielle destinée à mettre en évidence les paramètres les plus discriminants. De nouvelles représentations colorimétriques sont ensuite modélisées afin d’aider la comparaison visuelle des différences mesurées entre et à l’intérieur des groupes. Ces simulations informatiques présentent le grand avantage de pouvoir synthétiser des continuums de couleurs de manière intuitive et globale.   Pigments et couleurs de peau La couleur cutanée résulte d’un compromis évolutif entre une peau suffisamment claire pour permettre de bénéficier de la pénétration d’une quantité suffisante d’UV nécessaire à la production de vitamine D, mais suffisamment sombre pour empêcher une photocarcinogenèse cutanée. La couleur de la peau s’explique par la superposition de 3 pigments ou chromophores : le bêta-carotène qui donne la couleur jaune aux téguments, l’hémoglobine contenue dans les vaisseaux sanguins, rouge lorsqu’elle est oxygénée et bleue lorsqu’elle est réduite, et enfin la mélanine contenue dans les mélanocytes, qui donne une couleur brune à la peau. La mélanine se présente sous forme de particules solides sphériques de 20 à 40 nm de diamètre. Il existe 2 types de pigments mélaniques : les eumélanines, pigments noirs ou marrons, pauvres en soufre qui sont présents chez les sujets bruns ou noirs et qui ont des propriétés photoprotectives maximales, et les phéomélanines, riches en soufre, associées à la couleur jaune ou rouge qui prédominent chez les sujets roux. Dans la peau noire, l’excellente photoprotection est due à la mélanine qui est présente non seulement en grande quantité, avec prédominance des eumélanines, mais également à une répartition particulière qui protège les noyaux cellulaires et leurs acides nucléiques. La répartition entre phéomélanines et eumélanines varie suivant les individus et conditionne leur phototype.   Groupes ethniques Dans cette étude, 74 jeunes femmes ont été incluses, dont 27 femmes noires africaines ou antillaises, 24 femmes caucasiennes européennes et femmes métisses issues du mariage inter-ethnique d’un parent noir africain ou antillais et d’un parent caucasien européen. Les femmes noires étaient majoritairement originaires d’Afrique de l’Ouest, de même que les parents noirs des femmes métissées. Les femmes caucasiennes étaient majoritairement originaires de l’Europe de l’Ouest. Les critères de sélection incluaient donc des sujets féminins d’âge compris entre 20 et 32 ans, de phototype III à IV (inclus).   Analyse spectrocolorimétrique de la peau Un spectrophotomètre ou spectrocolorimètre (figure 1) analyse la composition spectrale d’un échantillon de couleur. Il mesure, sur toute l’étendue du spectre visible, le flux énergétique réfléchi (réflectance) ou transmis (absorption) par l’échantillon pour chaque longueur d’onde du spectre (une couleur se définit par l’addition de ses composantes spectrales). La courbe de réflectance est calculée dans une zone de longueur d’onde spécifique habituellement comprise entre 360 et 740 nm.   Figure 1. Spectrocolorimètre Konica Minolta CM-2600d. Document Konica Minolta®.   Cet appareil permet l’analyse de la composition spectrale d’un échantillon de couleur comme la peau. À raison d’une mesure tous les 10 nm, il calcule le spectre de réflectance compris entre 360 et 740 nm. La zone de mesure a un diamètre de 8 mm. Plus l’échantillon est blanc (figure 2), plus il renvoie de la lumière, plus sa luminosité est élevée et donc plus sa réflectance est proche de 100 % sur l’ensemble du spectre. Au contraire, une surface noire absorbe toute la lumière et sa réflectance est nulle (ou quasiment).   Figure 2. Courbes de réflectance (exprimée en %) obtenues à partir d’un papier noir standard type Canson® 90 g (papier noir), d’un papier blanc de photocopie (papier blanc) certainement traité avec un azurant optique (pic à 450 nm), et d’un gris neutre de calibration à 18 % utilisé en photographie pour corriger l’exposition.   Au niveau de la peau (figure 3), les courbes de réflectance ont des allures très caractéristiques, avec un point d’inflexion autour de 570 nm. Plus la peau est sombre, plus la courbe tend à se simplifier en s’incurvant au niveau de ce point. Figure 3. Courbes de réflectance (exprimée en %) moyennes obtenues pour les volontaires de notre étude au niveau du front. PC : peaux caucasiennes (n = 24) ; PM : peaux métissées (n = 25) ; PN : peaux noires (n = 27). On notera le point d’inflexion caractéristique entre 550 et 600 nm.   Si le spectrocolorimètre sélectionne certaines longueurs d’onde spécifiques d’un chromophore ou pigment (une molécule colorée), il peut en déterminer la densité dans le tissu traversé à partir de sa rétrodiffusion (le chromophore absorbe l’énergie des photons dans une gamme du spectre visible, tandis que les autres longueurs d’onde sont transmises ou diffusées). La concentration d’un pigment varie en effet comme l’inverse de la réflectance (ou proportionnellement à l’absorption), on utilise pour la mesurer le logarithme de cet inverse. C’est le principe des réflectomètres, qui n’utilisent que des longueurs d’onde spécifiques de l’oxyhémoglobine (pics à 544 et 573 nm) et de la mélanine (dans le rouge) (figure 4). Figure 4. Spectres d’absorption des hémoglobines, de la bilirubine, et de la mélanine (physiologie de la peau et explorations fonctionnelles cutanées, Agache). À l’absorption linéairement décroissante de la mélanine sur toute la longueur du spectre, se surajoute, entre 500 et 600 nm, le double pic d’absorption de l’oxyhémoglobine. L’analyse spectrale permet également de calculer les paramètres L*a*b* (CIELAB 1976 avec un illuminant D65) (figures 5 et 6). Cet espace couleur est actuellement l’un des plus utilisés pour mesurer la couleur des objets dans pratiquement tous les domaines.   Figure 5. Représentation du solide des couleurs pour l’espace couleur L*a*b* (CIELAB 1976). Document Konica Minolta®. L* indique la clarté, a*et b* sont les coordonnées de chromaticité. +a* va vers le rouge, - a* vers le vert ; +b* va vers le jaune, - b* vers le bleu. Le centre du diagramme est achromatique. Au fur et à mesure que les valeurs a* et b* augmentent, et que l’on s’éloigne du centre, la saturation augmente.   Figure 6. Diagramme de chromaticité a*b* obtenu en faisant une coupe horizontale du solide des couleurs de la figure précédente (pour une valeur de L* donnée). Document Konica Minolta®.   Analyse statistique des données D’un point de vue statistique, nous sommes dans une situation où nous avons des données fortement corrélées (les données spectrales et les paramètres colorimétriques) provenant de groupes connus : les 3 types de peaux. Nous aimerions connaître les principales différences entre ces peaux, accessibles à partir des variables mesurées. Peut-on, par exemple, déterminer le groupe d’appartenance d’une nouvelle observation uniquement à partir des variables déjà mesurées ? Quelles sont les variables les plus pertinentes, ou au contraire les moins pertinentes ? Dans ce contexte, la régression PLS (Partial Least Squares) est la technique principale de modélisation prédictive. Cette analyse factorielle va nous permettre de déterminer les variables ou prédicteurs les plus puissants pour discriminer les groupes ethniques. On observe (figure 7) que les paramètres b* et Saturation sont les plus pertinents pour discriminer les groupes entre eux, de même que les premières longueurs d’onde du spectre (360-400 nm qui correspondent au bleu) et a*. Figure 7. Importance des variables pour discriminer les 3 groupes ethniques au niveau de l’avant-bras. Régression PLS (algorithme NIPALS) sur les variables continues L*, a*, b*, Saturation et sur les données spectrales. La saturation est définie par :   C’est donc avant tout la saturation (figure 8) et la pigmentation (b*) qui vont permettre de séparer les peaux ethniques entre elles, et non la luminosité (L* qui arrive loin derrière). Figure 8. Projection des sujets en fonction du type de peau et de la saturation (avant-bras). PC : peaux caucasiennes (n = 24) ; PM : peaux métissées (n = 25) ; PN : peaux noires (n = 27). Les peaux les plus saturées sont les peaux métissées.   Simulation et reconstruction de la couleur Par définition, l’espace L*a*b* représente toutes les couleurs que nous pouvons voir. C’est un système de codification pouvant représenter fidèlement les écarts entre les couleurs tels qu’ils sont perçus par l’œil et le cerveau, c’est-à-dire un système dans lequel 2 couleurs numériquement distantes sont perçues par l’œil comme effectivement éloignées, et inversement. C’est ce que l’on nomme un espace colorimétrique « perceptuel » ou uniforme au plan de la perception visuelle. À partir de cet espace reconnu comme pivot de référence, il est tout à fait possible de reconstituer informatiquement (sur l’écran calibré d’un ordinateur ou sur une imprimante calibrée elle aussi) les couleurs mesurées à partir de leurs valeurs L*a*b*. Ces reconstructions informatiques (figures 9 et 10) permettent une comparaison intuitive et immédiate des sujets entre eux, avec une visualisation complète des données colorimétriques de l’étude. Figure 9. Représentation des sujets à peau noire (PN) (a), peau métissée (PM) (b) et à peau caucasienne (PC) (c) dans le même sous-espace a*b* (afin de permettre la comparaison). Les sujets sont représentés sous forme de segments (front en noir et avant-bras en blanc). Le dégradé situé à l’arrière-plan est calculé à partir des valeurs a* et b* correspondantes et d’un L* moyen pour le groupe considéré. On note que 2 sujets caucasiens présentent des valeurs atypiques au niveau du front (b* < 10,8). Ce résultat s’explique par la prise en compte d’un grain de beauté dans la zone de mesure. On remarque que les mesures réalisées sur l’avant-bras sont globalement plus homogènes que sur le front (où la dispersion est plus importante). Les sujets à peau métissée présentent peu de différence entre les 2 zones (les segments sont plus petits), alors que les peaux caucasiennes présentent une différence maximale. Figure 10. Comparaison entre les groupes (PC : peaux caucasiennes, PM : peaux métissées et PN : peaux noires) en fonction des zones (front et avant-bras). Chaque sujet est représenté par une colonne (avec alignement pour les 2 zones) dont la couleur a été calculée à partir de ses valeurs L*a*b*. On note la présence de discontinuités à l’intérieur des groupes. L’avant-bras qui est une zone photoprotégée apparaît nettement plus clair et plus homogène que le front qui est photoexposé. Il semble globalement plus difficile de discriminer les peaux métissées des peaux noires (par rapport aux peaux caucasiennes).   Conclusion Ce travail sur les caractéristiques colorimétriques des peaux ethniques associe plusieurs outils : analyse spectrocolorimétrique, analyse factorielle, gestion informatique de la couleur. La richesse de ces différentes méthodes permet de mieux comprendre les différences observées au niveau de la peau et d’en saisir toutes les implications. Ce n’est pas la luminosité mais la saturation qui permet de discriminer le plus efficacement les groupes ethniques. Les peaux métissées sont ainsi plus saturées que les peaux noires, elles-mêmes plus saturées que les peaux caucasiennes. On remarque également que le paramètre b* (habituellement assimilé à la pigmentation de la peau) et les premières longueurs d’onde du spectre de réflectance (360-380 nm) permettent une séparation pertinente des groupes. Dans une optique de classification, la composante chromatique (la chrominance) de la peau s’avère donc plus utile que la luminance (la luminosité), source de beaucoup plus de variations. Les résultats tendent à montrer que les peaux métissées sont globalement plus proches des peaux noires d’un point de vue colorimétrique que des peaux caucasiennes. Cette similitude explique pourquoi il n’est pas possible d’obtenir une classification parfaite de nos sujets (certains sujets métissés restent systématiquement confondus avec des sujets noirs et inversement). Les mesures réalisées sur le front (zone photoexposée) montrent une plus grande dispersion que celles réalisées sur l’avant-bras (zone photoprotégée), notamment chez les sujets à peau noire. Les différences entre les 2 zones sont maximales chez les sujets caucasiens, alors qu’elles sont minimales chez les sujets métissés. La zone de mesure du spectrocolorimètre n’étant que de 8 mm, on peut se demander jusqu’à quel point elle est vraiment représentative de la zone étudiée. On doit en effet garder à l’esprit que la mesure peut être perturbée par des états de surface (grains de beauté, taches de pigmentation). Ces perturbations peuvent modifier la quantification de la couleur en assombrissant une peau claire ou au contraire en éclaircissant une peau sombre. La prise en compte de ces perturbations passe par la réalisation d’un masque de repérage transparent qui va détailler la zone de mesure et en permettre un repérage et une délimitation précise. Dans cet esprit, une photographie standardisée, étalonnée et calibrée (afin de limiter les dérives dues au système photographique ou à l’éclairage) constituerait un complément intéressant à ce travail. Nous pourrions ainsi confronter les mesures colorimétriques ponctuelles réalisées par le spectrocolorimètre sur des régions de dimension forcément réduite (front et avant-bras) à des zones plus vastes et plus informatives, comme les joues ou les pommettes par exemple.