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Introducción
En este artículo y los artículos relacionado hablaremos sobre el color.
¿Qué es el color? ¿Cómo percibimos los humanos el color? ¿Cómo lo captan las cámaras?
¿Existe algo así como el color captado por la cámara o el espacio de color de la cámara?
Bueno, lo primero decir que el color no es una realidad física (aunque les pueda sorprender a muchos y algunos se me tiren a la yugular).
El color es algo psicológico, es la forma en que los humanos percibimos determinados estímulos electromagnéticos (ondas electromagnéticas) que tienen determinadas longutudes de onda (entre los 400 nm y 800 nm).
El color lo compone nuestro cerebro. Y tampoco hay ninguna garantía de que nuestra psicológica sea igual ante los mismos estímulos (de hecho habrá diferencias, aunque podamos establecer algo así como una media o un observador normalizado).
Otros animales también perciben el color, pero su forma de percepción será completamente diferente a la nuestra, y también las longitudes de onda lumínica que son capaces de apreciar (los insectos ven mucho más del espectro violeta y ultravioleta de longitudes de onda más corta, otros animales son más sensibles a los infrarojos que nosotros no podemos ver pero sí sentir en forma de calor).
Representación de los colores visible para el observador humano medio recogidos en el espacio CIE XYZ 1931 (De Usuario PAR creative commons)
Luego…
¿Qué es el color?
En corto podríamos decir que cuando el estímulo está generado por una onda simple sinusoidal (algo así como la luz de un laser) el color está asociado a la longitud de onda de dicha onda (o lo que viene a ser lo mismo su frecuencia).
Pero la onda es la realidad física, el color es cómo responde nuestro cerebro y nuestro ojo (los conos y bastoncilos de la retina) a un estímulo provocado por una onda electromagnética de esa longitud, generando una respuesta que es interpretada por el cerebro.
Por consiguiente el color es una percepción psicológica, no estrictamente una realidad física.
La realidad nunca es tan simple, las cosa se complican.
La luz que llega a una escena nunca es monocromática, no es una onda sinusoidal simple de una determinada longitud o frecuencia.
La luz que ilumina una escena es mucho más compleja, está formada por la superposición de infinidad de ondas de diferentes longitudes (o si se prefiere la interpretación corpuscular, está compuesta por infinidad de fotones de diferentes energías, que corresponden a diferentes longitudes de ondas o colores).
La superposición de todas esas ondas y las amplitudes relativas de cada una de ellas (o si se prefiere la candidad relativa de fotones de cada nivel de energía) componen lo que se conoce como espectro de emisión de esa luz.
Si representamos la cantidad de energía emitida frente a la longitud de onda obtenemos un gráfíco como el que se representa a continuación (espectro de emisión de la luz):
Espectro de emisión de luz solar (Imagen obtenida de Linazasoro Optika)
Diferentes fuentes de luz pueden tener diferentes espectros de emisión
Por consiguiente aunque muchas veces hablamos de que una luz tiene un color determinado, en realidad las luces raramente son monocromáticos (únicamente la luz laser es monocromática).
El color de la luz dependerá de cuáles son las longitudes de onda dominantes en el espectro correspondiente y también de la respuesta del ojo a dichos colores.
Diferentes tipos de luz
Ya hemos explicado que la luz no se compone de una única longitud de onda, sino de muchas simultáneas que se combinan.
Es por ello que el espectro de emisiónd e cada emisor es diferentes.
Cuando el nivel de emisión es más o menos uniforme en todo el rando de longitudes de onda visibles, hablamos de luz blanca.
El espectro de emisión del sol lo consideramos luz blanca (millones de años de evolución y adaptación a un medio iluminado por nuestro astro han hecho que nos adaptemos a esa luz y sea la que considermos neutra).
Realmente como vimos en la imagen anterior no es una luz blanca desde el punto de vista físico, no tiene exactamente el mismo nivel den energía en cada longitud de onda, tiene una mayor emisión en los azules, y también verdes y amarillos.
Pero nosotros interpretamos esa luz como blanca y es la que te toma normalmente de referencia.
Para definir entonces esa luz blanca, parecida a la del sol (al mediodía en Europa), tenemos que estandarizar o normalizar el espectro que consideramos blanco.
Ahí es donde entran las normas de iluminación.
El iluminante D65 corresponde a un espectro concreto con una componente de luz un poco fría, como la luz solar, con una temperatura de color de 6500 K.
Distribución espectral del iluminante CIE D65 (obtenida de waveforminglight)
No será fácil conseguir una iluminación que siga exactamente esa distribución, por eso hay normativa para definir cuánto se desvía nuestro espectro de emisión del patrón y cuáles son las máximas desviaciones admitidas para poder definir nuestra iluminación como acorde a un iluminante D65 estándard.
Cuando compras una bombilla D65 estas comprando una iluminación que pretende generar una luz parecida a la luz solar habitual, y que te permitirá observar las cosas (tus fotos impresas por ejemplo) con colores similares a los que verías en el exterior al mediodía.
Una lámpara incandescente normal y corriente tendrá un espectro completamente diferente con unas componentes azules mucho más débiles y un corrimiento del espectro hacia los tonos rojos ya amarillos.
El espectro de emisión de la bombilla incandescente corresponde al espectro de emisión generado por un filamento de tungsteno, con una temperatura de color entorno a los 3000 K y definido por CIE como iluminante CIE C.
Las luces fluorescentes tienen picos de emisión en tonalidades definidad (en función de la composición del gas que compone el tubo) generalmente verdes y amarillentas. Por eso no son unas luces agradables para la iluminación en fotografía (darán tonos de piel verdosos) y necesitamos compensarlo con un balance de color que las neutralice.
Las peores luces son las correspondientes a las lámapras de sodio y similares, habituales en la iluminación nocturna de nuestras ciudades, por tener una tonalidad muy marcada anaranjada y una distribución espectral muy estrecha y poco parecida a la iluminación solar.
CIE define también diferentes tipos de iluminantes para definir los espectros de emisión de fluorescentes, lámparas de sodio y otros tipos de iluminación.
En la siguiente figura podemos ver los espectros de diferentes tipos de iluminantes.
Espectros de emisión de diferentes tipos de iluminantes (obtenida de freepng)
¿Cómo percibimos los colores?
Para entender cómo percibimos los colores y la visión humana en general hemos de comprender que nuestra percepción se puede separar en dos fases:
- la fase de captación del estímulo lumínico y conversión en impulsos nerviosos que tiene lugar en el ojo y en la retina. Esta fase tiene una componente principalmente física, el ojo funciona como una lente y la retina como un sensor de luz con filtros de color, parecido a una cámara.
- una fase de interpretación y composición de esa imagen captada llena de imperfecciones y elementos que la deforman y degeneran. Dicha interpretación tiene lugar en el cerebro a partir de los estímulos nerviosos que le llegan de las células captoras de la retina a través del nervio óptico.
Esta fase no tiene una componente física importante, no sigue reglas físicas que se puedan medir con experimentos, es mucho más compleja y es lo que podemos llamar componente psicolótica de la visión.
Captación de la imagen por el ojo
El globo ocular tiene una forma más o menos esférica. En su parte delantera se encuentra la cónea, el humor acuoso, la pupila, el iris y el cristalino.
La misión de este conjunto es permitir la entrada de luz en el globo ocular y conseguir enfocar los rayos luminosos en el fondo ocular, sobre la retina en una reducida zona donde se encuentran las células sensibles a la luz.
Trabaja de forma similar a un objetivo.
Sección del ojo humano mostrando sus partes principales (De Sathiyam2k et al.)
La córnea y el humor acuoso crean una primera lente que hace converger los rayo y pasan luego a través de la pupila atavesando el cristalino para regular la convergencia y conseguir el enfoque sobre el fondo del ojo a diferentes distancias.
El iris regula el diámetro de la pupila regulando así la cantidad de luz que entra en el ojo (y como curiosidad afectando también a la profundidad de campo, motivo por el cuál cuando vemos mal entornamos los ojos y tratamos de cerrarlo los párpados para que el haz de luz sea más estrecho y conseguir así un mejor enfoque).
Tras la pupila y el iris se encuentra el cristalino cuya curvatura es variable y regulada por el músculo ciliar lo que permite regular la mayor o menor convergencia de la luz y enfocar así los rayos procedentes de diferentes distancias sobre el fondo del ojo.
Es lo que nos permite concentrar la visión cambiando de objetos cercanos a otros más lejanos, al conseguir enfocar la luz procedente de diferentes distancias sobre el fondo del ojo.
Esos rayos luminosos atraviesan el espacio del globo ocular relleno de humor acuoso y donde también hay capilares sanguíneos que interfieren en su trayectoria.
Al final del recorrido el rayo luminoso llega al fondo del ojo concentrándose sobre la retina.
La retina es la parte sensible del ojo al fondo del globo ocular.
Está compuesta por células sensibles a la luz que generan un impuslo nervioso recogido por el nervio óptico que lo lleva al cerebro.
En la retina hay dos tipos de células:
-
bastoncillos: son células sensibles a la luz en todo el espectro visible, no distinguiendo colores.
Se encuentran distribuidas por una zona más amplia de la retina y son los responsables de nuestra visión nocturna, puesto que son más sensibles a la luz que los conos.
Estructura celular de un bastoncillo (De Madhero88) -
conos: son células sensibles a la luz pero que contienen unos pigmensos denominados opsinas que están compuestas por proteínas y un derivado de la vitamina A (de ahí que la vitamina A sea importante para tener una buena visión).
Estructura celular de un cono (De Ivo Kruusamägi )
Estos pigmentos absorven parte de la luz que los atraviesa, absorviendo más de una longitudes de onda que de otras según su composición.
Hay tres tipos de conos nombrados en función de la longitud de onda a la que son sensible, que contienen opsinas (pìgmentos) de diferente composición:
- conos largos (L): sensibles a las longitudes de onda más largas, en el entorno de los 580-580 nm.
El pigmento que los compone se llama eritropsina.
Cuando estos conos se activan percibimos la sensación que hemos dado en llamar color rojo, ya que hemos identificado esta sensación con el color correspondiente a las longitudes más largas del espectro visible. - conos medios (M): sensibles a las longitudes de longitud media, entorno a los 530-540 nm, que es el rango que deja pasar principalmente el pigmento que los compone llamado cloropsina.
Esas longitudes de onda son las que conocemos con el nombre de color verde. - conos cortos (S): sensibles a las longitudes de onda más cortas del espectro visible, entorno a los 420-440 nm que es la que identificamos como azul. El pigmento que los compone se llama cianopsina.
Hay unos 7 millones de conos distribuidos en una zona entorno al eje óptico en el fondo del ojo conocida como fóvea y unos 125 millones de bastoncillos distribuidos en un entorno más amplio.
La fóvea tiene una apertura angular de unos 2º (sólo los rayos que inciden con menos de 2º de desviación con respecto al eje óptico llegan a la zona de la retina donde se encuentran los conos).
Es por ello que sólo tenemos percepción del color en la zona central de la imagen y nuestra visión lateral es en blanco y negro.
Interpreatación de la imagen por el cerebro.
Todos las ramificaciones nerviosas de conos y bastoncillos se junta en un punto de la retina conocida como punto ciego, donde se juntan formando el nervio óptico que lleva los estímulos nerviosos al cerebro, a los lóbulos occipitales.
Lóbulos occipitales del cerebro ([De Anatomography[(https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23212490))
Recibe el nombre de punto ciego porque en esa zona donde se conecta con el nervio óptico no hay (lógicamente) células sensibles a la luz, or lo que es una zona ciega del ojo.
La podremos visualizar si mantenemos la vista fija a una luz brillante más o menos uniforme.
Cada uno de estos conos está conectado mediante una fibra nerviosa que se juntan todas en el nervio óptico y conectan con el cerebro donde se unen con las células neuronales que procesan la información para generar nuestra experiencia visual.
Imagen de la conexión nerviosa entre ojo y cerebro (De OpenStax College)
La conexión con el cerebro se realiza a nivel del tálamo que conecta con las mayoría de los células sensitivas (excepto el olfato) y distribuye la información sensorial a otras zonas del cerebro, como por ejemplo en el caso de la vista al núclo geniculado lateral encargado del procesamiento primario de la información visual (de reacciones rápidas e inconscientes como agachar la cabeza cuando vemos un balón que nos va a dar en la cabeza) y que posteriormente serán procesadas a un nivel consciente por otras zonas del córtex cerebral.
Imagen en 3D del tálamo y el cerebro (De Life Science Databases(LSDB))
No ahondaré mucho en este campo porque por una parte lo desconozco casi por completo y por otra es un mundo muy complejo y aún bastante desconocido.
El caso es que el cerebro se encarga de procesar toda esa información visual proviniente de conos y bastoncillos, generando la sensación de color, identificando objetos (comparando colores y contrastes) procesar la información de los dos ojos y compararla de forma que tengamos visión binocular y percibamos también la profundidad y distancia. A ello ayuda tanto la comparación de las diferencias en posición de los objetos en la imagen percibida por cada uno de los ojos al estar separados entre sí (visión binocular basada en los principios geométricos de la esteroscopia) como la apreciación de la dirección e intensidad de las sombras.
Si pudiéramos ver realmente una reproducción de qué le llega al cerebro como imagen, sustituyendo la retina por un sensor quedaríamos muy sorprendidos.
Lejos de la creencia que tenemos esa imagen en muy confusa con muy poca definición (no hay tantos conos) y deformada.
Para empezar la retina es curva, pero es que además los capilares del ojo, restos de diferentes cosas en suspensión en el humor acuoso, hacen que esa imagen esté completamente distorsionada y con una componente rojiza debida a la hemoglobina de la sangre.
Para ello el cerebro ha de procesar esa información al igual que lo hace nuestra cámara en una primera instancia (que sería el equivalente a la combinación del ojo y el tálamo) y el revelador posteriormente (que sería el equivalente a la labor que se lleva otras zonas del cerebro).
Las investigaciones del color llevadas a cabo en los años 20 y que se concretaron en las definiciones CIE de color y espacios de color en 1931 se centraron sobre todo en cómo se captaba la imagen a nivel sensorial por parte del ojo, cómo respondían esas células a los estímulos luminosos y qué rango de longitudes de onda podíamos ver y en qué margen de luminosidades, nuestra agudeza visual y muchos otros parámetros físicos.
También se ocuparon de la percepción del individuo estableciendo así la ley logarítmica para la respuesta a la luminosidad que indica que para apreciar una diferencia de la misma magnitud la intensidad de luz ha de duplicarse.
Así pues se descubríó que el ser humano puede distinguir variaciones en la intensidad lumínica (rango dinámico) de unos 10 pasos como mucho (es decir contrastes de 4000 a 1).
Pero se conocía muy poco de cómo se procesaba esa información a nivel de interpretación y procesamiento de esa información.
Aunque todavía queda mucho por descubrir hoy en día se conoce algo más de cómo funciona la visión a nivel de procesamiento cerebral.
Así por ejemplo se sabe que el cerebro no toma una sola imagen como hace una cámara de fotos, si no que interpreta la información que le llega varias deceneas de veces por segundo (más bien como funciona el video) combinando la información de esas imágenes.
El ojo tampoco está estático si no que se mueve continuamente tomando imágenes de diferentes zonas de la escena, cambiando la abertura de la pupila según la luminosidad de la zona en que se fija, deteniéndose a observar más detalles en las zonas que reclaman su atención…
Toda esa información la combina el cerebro en una especie de imagen mental en alta resolución y de alto rango dinámico, alto así como una imagén HDR panorámica y estereoscópica, recombinación de muchas imágenes individuales.
Con el color pasa un poco lo mismo: se combina toda esa información para generarnos una percepción más rica del color que la que pueden percibir nuestros ojos en una imagen estática centrada en observar un instante una zona de la escena.
En ese sentido podemos decir que el color (y las imágenes) no lo vemos, más bien lo recordamos y lo imaginamos. Es una invención de nuestro cerebro.
Los investigadores han establecido que en esa visión dinámica de una escena nuestro sistema visual puede componer imágenes con contrastes dinámicos de 20 pasos ( 1.000.000:1), lo que claramente excede la capacidad de captación de los mejores sensores actuales que puede estar en unos 14 pasos y ampliamente las capacidades de reproducción del color y el contraste de nuestros dispositivos de visualización: las pantallas que habitualmente tienen 8 pasos y en el mejor de los casos llegan a 10.
Así que ningún dispositivo actual es capaz de captar y mucho menso de reproducir la complejidad de una escena captada por nuestro sistema visual.
No queda más remedio que interpretar esa imagen y resaltar en ella aquéllo que queremos destacar o tratar de reproducir esa sensación visual.
Pero es que ni siquiera a nivel de captura el sensor de una cámara se comporta igual que nuestro ojo.
Por ello la interpretación del color es absolutamente imprescindible y no podemos decir eso de “imagen tomada tal cuál sin procesar ni interpretar” si no la intepretamos nosotros alguien lo habrá hecho por nosotros y de forma mucho menos controlada.
Ése alguien es “el hombrecillo que vive dentro de nuestra cámara”: el software que reside en la cámara programado por un grupo de ingenieros siguiendo unos criterios generales que difícilmente se podrán adaptar a las condiciones de nuestra toma o a nuestra intención con la imagen captada o al recuerdo de la escena que tenemos nosotros y nuestra impresión visual.
Lo mismo si tomamos la imagen en raw y nos limitamos a un revelado más o menos automático.
Respuesta de los conos a los estímulos luminosos
Como ya se ha explicado, nuestra sensación de color viene dada por la respuesta de los diferentes tipos de conos a los estímulos luminosos.
Dicha respuesta tiene una parte física y otra orgánica, sensorial.
El espectro de luz que llega en un rayo de luz a una de eas céluas es filtrado por el pigmento que tiene ese cono.
Pero al igual que ocurre con el espectro lumínico, ése pigmento de color rojo, no es sólo de color rojo.
Si la luz blanca se ver roja cuando pasa a través de ese pigmento es porque deja pasar las longitudes de onda cercanas al rojo eliminando parte de la luz con otras longitudes de onda en mayor o menor medida según su frecuencia.
Eso constituye el espectro de absorción de ese pigmento.
Como a nosotros nos interesa la luz que consigue pasar y llega a estimular el elemento sensible del cono, nos resulta más fácil representar el espectro de transmisión de ese pigmento (cuál sería el espectro de la luz transmitida a través de ella suponiendo que se iluminara con una luz completamente blanca).
Las investigaciones realizadas por los científicos en los años 20 del siglo pasado, y recogidas en la convención de 1931 establecieron cuáles eran esos espectros de transmisión para los diferentes tipos de conos que componen nuestro sistema de visión.
Consiguieron determinar así el espectro de sensibilidad para nuestro sistema de visión (para ello utilizaron múltiples observadores en condiciones controladas mostrándoles diferentes estímulos luminosos teniendo que comparar entre ellos o alterarlos hasta que vieran dos colores iguales).
Espectro de sensibilidad de los conos que componen el sistema de visión humanno (De Vanessaezekowitz)
Como podemos ver en la imagen los conos S son los más selectivos, dejan pasar un espectro de luz más estrecho en el rango de los 420-440 nm. También dejan pasar una parte significativa de las longitudes de onda correspondientes al verde y prácticamente nada de rojo.
Los conos M dejan pasar un espectro mucho más amplio, principalmente las longitudes de onda de los verdes (530-540 nm) pero también dejan pasar mucha parte de los azules y de los rojos.
No es de extrañar que la componente verde sea la principal a la hora de componer la luminosidad de una imagen.
Los conos L dejan pasar también un espectro muy amplio, principalmente en el rango de los 560-580 nm per vemos que es el que se exitiende más dejando pasar una gran candidad de verdes e incluso una cantidad no despreciable de los azules.
Por consiguiente no podemos hablar de un rojo puro o un verde o azul puros, los conos L también responderán ante luces monocromáticas de colores verdes o incluso azulados, pero en menor medida.
Cada uno de los tipos de cono ante una determinada excitación lumínica con una distrubución espectral responderá entregando una señal que será el resultado de filtra ese luz por su espectro de sensibilidad, lo que matemáticamente se conoce con en nombre de convolución.
Cada uno de los tipos de cono responderá de forma diferente ante la misma señal.
Así pues el color lo podremos definir por tres valores de respuesta, uno por cada tipo de cono que vendrá dado por:
X = \int_\lambda L(\lambda)\,\overline{x}(\lambda)\,d\lambda
Y = \int_\lambda L(\lambda)\,\overline{y}(\lambda)\,d\lambda
Z = \int_\lambda L(\lambda)\,\overline{z}(\lambda)\,d\lambda
donde L(\lambda) es la distribución espectral del estimulo luminoso (nivel de intensidad de estímulo para cada longitud de onda) y \overline{x}(\lambda),\overline{y}(\lambda),\overline{z}(\lambda) son las correspondientes curvas de sensibilidad de los conos L (rojo), M (verde) y S (azul) repectivamente, que nos proporcionan el nivel de respuesta de ese tipo de cono ante un estílumo luminoso de intensidad unidad monocromático de esa longitud de onda.
Bueno que no os confundan los aparatajes matemáticos sería algo así como dividir el espectro en franjas estrechas de longitud de onda e ir sumando el producto del nivel de estímulo de la luz en esa banda por el valor correspondiente al nivel de respuesta del cono ante un estímulo luminoso de ese nivel y longitud de onda.
El resultado nos dará un único número que corresponde a la respuesta de ese tipo de cono al estímulo luminoso.
Como tenemor tres conos, tendremos tres componentes para cada estímulo luminoso.
Cada estímulo luminoso caracterizado por una distribución espectral de la energía lumínica ocasionará una única respuesta caracterizada por la terna (X,Y,Z) de los conos.
Pero puede haber muchos espectros muy diferentes que ocasiones respuestas iguales o similares.
Incluso podríamos diseñar un espectro que no tenga casi componente en el color verde (en la zona central correspondiente a los verdes) y que ocasione la misma respuesta que otro donde prácticamente sólo existan componentes en el rango de longitudes del verde.
Por tanto no podremos reconstruir cuál fue la realidad física que ocasionó esa respuesta.
Este fenómeno se conoce como metamerismo.
Es ahí donde la idea de “el color real” o “el color tal cuál es en la escena real” y todavía queda por delante todo el proceso del cerebro para procesar esa respuesta celular de los conos, y las diferencias en la captura del color de un sensor y nuestro sistema visual, así como la incapacidad de nuestras pantallas de reproducir toda esa gama visual.
Si puediéramos recoger la información lumínica de la escena, es decir un: un sensor que en cada pixel tuviera un espectrómetro que captara toda el espectro lumínico que le llega, con la distribución por frecuencias, entonces sí podríamos hablar de captar el color real de la escena.
Aunque para ello aún faltaría disponer de un equipo que reprodujera toda esa gama espectral y generara haces luminosos en cada pixel con esa distribución.
Entonces se lo presentaríamos a un observador y no sería capaz de distinguir eso de la escena real,podría hacer un recorrido visual completo como si estuviera en la escena original.
Pero eso está muy lejos de ocurrir.
Y por tanto toda imagen ha de ser interpretada, ajutada y modificada de alguna manera para poder conseguir lo buscado, bien sea una impresión visual similar a la escena que recordamos, bien resaltar algunas emociones o impresiones de la imagen.
¿Cómo capta nuestra cámara el color?
La matriz de filtros de color: matriz de Bayer.
Curvas de respuesta de los filtros de color
(continuará…)
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Referencias externas
-
El ojo humano (Wikipedia en español). En este artículo se describe con una mayor profundidad cómo funciona nuestro órgano visual, desde el punto de vista orgánico.
*Espacio de color CIE 1931 (wikipedia en español). Escueto artículo que describe el espacio de color definido por CIE en 1931. Está muy incompleto. - CIE 1931 color space (wikipedia en inglés). Artículo muy completo donde se profundiza en los espacio de color definidos por CIE en 1931, el concepto de color y las curvas de respuesta a los estímulos de los conos sensibles al color.
