1: Bases científicas del audiovisual

1: Bases científicas del audiovisual
1.1: La percepción de la luz
Fue en el siglo XIX cuando comenzó a establecerse una teoría de la percepción visual a partir
sobre todo de los trabajos de Helmholtz y Fechner. Ha sido en este siglo y especialmente a
partir de la 2ª Guerra Mundial, cuando se crearon los primeros laboratorios de psicofísica, el
momento en que esta ciencia ha comenzado a tener un desarrollo notable.
El sistema visual humano
Consta dediversos instrumentos, uno de los cuales es el ojo, que, a pesar de ser el más
conocido, no es de ninguna manera el más complejo.
En el proceso de la visión se pueden considerar tres tipos de operaciones sucesivas de
aspecto muy diferentes: las ópticas, las químicas y las nerviosas. Gracias a la conjunción de
los procesos propios de cada tramo se produce el fenómeno de la visión.
Las transformaciones ópticas
Los primeros procesos que sufre la luz cuando entra en el ojo son de tipo óptico.
Tradicionalmente se han interpretado estas transformaciones mediante una analogía con el
antecedente de la cámara fotográfica, la camara oscura.
Como se ve en el esquema, sólo una pequeña parte de los rayos reflejados por el objeto en
todas direccciones penetra por el pequeño agujero de la cámara. Eso asignifica que si se
coloca una placa fotográfica dentro de la caja son necesarios tiempos de exposición muy largos
o emulsiones de gran sensibilidad para conseguir impresiones correctas. Otra posibilidad es
aumentar la cantidad de luz haciendo el agujero más grande, pero en este caso los extremos
dce la imagen se harían difusos.
A partir del siglo XVI se desarrollaron mucho las técnicas ópticas. Se investigó y construyó toda
clase de lentes y en particular las lentes convergentes que hacen que los rayos que inciden
sobre la superficie se concentren, se junten. Colocando una de estas lentes en el punto de
entrada de la camara oscura se puede hacer el agujero más grande, aumentando por tanto la
luminosidad si bien manteniendo la concentración de los rayos.
Las ópticas de las cámaras fotográficas hacen servir esencialmente este principio. No es
necesario decir que los objetivos actuales son combinaciones complejas de diversas lentes
pensadas para suprimir al máximo los defectos introducidos por las ópticas como las
aberraciones circular y cromática, la dispersión, el coma, etc.
Desde este punto de vista el ojo funciona de manera senejante a una cámara oscura y a la
cámara fotográfica. Toda la parte óptica del ojo trabaja para hacer converger los rayos de luz
sobre su fondo. Éste está tapizado de una membrana, llamada retina donde se encuentran
los receptores de la luz que iniciarán las transformaciones químicas que producen la visión.
El ojo es una especie de globo de unos 2 a 2,5 cm. de diámetro. La capa que lo cubre se llama
esclerótica en la parte opaca y córnea en la parte transparente. Esta es la que produce la
mayor parte de la convergencia de los rayos de luz. Detrás suyo está un músculo esfínter, que
funciona de manera refleja, llamado iris que abre y cierra (de 2 a 8 mm.) una obertura en su
centro llamada pupila. Su funcionamiento es equivalente al de un diafragma de una cámara
fotográfica e incluso los nombre de los elementos de éste están copiados de sus homólogos
fisiológicos.
De manera refleja el iris, que es ek responsable del color de los ojos, abre la pupila cuando la
luz es escasa y la cierra cuando es excesiva para protegeer la retina. Esta es la causa de que
1
se vea mejor cuando hay luz en abundancia: al disminuir la medida de la retina aumenta la
profundidad de campo, igual que en un objtivo, y se ve más extensión del espacio
correctamente enfocada, cosa que se traduce en una sensación de nitidez. Esto se comprueba
dilatando la pupila con dilatadores artificiales como, por ejemplo, la atropina: la visión se hace
nenos nítida. La pupila también puede cambiar por la acción de otros estímulos como,por
ejemplo, el miedo, la cólera, las drogas, etec.
Inmeditamente detrás de la pupila está el cristalino. Se trata de una lente natural biconvexa la
curvatura de la cual varía por la acción de los músculos ciliares. Este cambio de la curvatura
hace variar la distancial focal y , por tanto, la convergencia de los rayos de luz. Este proceso de
variación se llama acomodación y tiene como finalidad que la imagen se forme y se enfoque
exacta y nitidamente en el fondo del ojo. Cuanto más cercano esté el objeto más tendrán que
converger los rayos de luz. Este movimiento de acomodación es también reflejo y lento (cerca
de un segundo para pasar de la acomodación más próxima a la más lejana).
Este enfoque de los rayos de luz sobre el fondo se hace de una manera modifica diferente en
las ópticas de las cámaras fotográficas. En este caso se modifica la distancia focal cambiando
la distancia entre la lente y el negativo. Algunos peces hacen servir procedimientos semejantes
para conseguir su acomodación visual.
El ojo humano puede acomodar la visión sin esfuerzo sensible para objetos entre unos 25 cm.
y el infinito o sea puntos muy alejados que envían rayos paralelos (punto remoto) y con un
cierto esfuerzo puede llegar a acomodarse hasta sólo 15 cm. de distancia (punto próximo).
Entre la córnea y el cristalino está el humor acuoso y detrás del cristalino el humor vitreo. Se
trata de disoluciones acuosas de cloruro sódico de índice de refracción 1,33. Cuando el índice
de refracción de un medio sea superior a 1 quiere decir que al pasar de el aire a este medio
los rayos de luz se desviarán. Y se desviarán más cuanto más grande sea éste índice. El
cristalino esta formado capas el índice de refracción de las cuales va de 1,4 en el exterior hasta
1,45 en el centro. La convergencia cuidada de la imagen (real e invertida) sobre la retina es
debe a la convergencia que producen todos estos diversos elementos del ojo con sus diversos
índices de refracción. El ajuste final se hace con la curvatura variable del cristalino.
Defectos ópticos del ojo
Hay diversos defectos del ojo que impiden la formación correcta de la imagen en el fondo del
ojo.
La miopía se produce cuando el ojo es demasiado largo y la imagen se forma delante de la
retina. El cristalino no puede estirarse lo suficiente para conseguir la proyección correcta. Dado
que cuanto más lejos está el objeto más se ha de estirar el cristalino para conseguir la
acomodación,este defecto es más notorio en los objetos situados lejos del ojo. Se corrige este
defecto situando una lente divergente delante del ojo pues esta separa los rayos y hace que se
ajusten un poco más atrás.
La hipermetropía, al contrario, se produce cuando el ojo es demasiado corto y la imagen se
forma detrás de la retina. El cristalino no puede comprimirse lo suficiente para conseguir la
proyección correcta. Ya que cuandto más cerca está el objeto más se ha de comprir el
cristalino para conseguir la acomodación, este defecto es más notorio en los objetos situados
cerca del ojo. Se corrige situando una lente convergente delante del ojo que junta los rayos y
hace que se corten antes.
Las cataras son un proceso degenerativo que consiste en que el cristalino se vuelve opaco no
permitiendo el paso de la luz.La solución es su extirpación y sustitución por un cristalino
artificial o por lentes externas fijas que se han de ir cambiando segun se quiera enfocar objetos
cercanos o lejanos.
2
Agudeza visual del ojo
Se llama agudeza visual o poder separador del ojo al ángulo más pequeño bajo el cual se
ven todavía separados dos puntos muy cercanos y muy lejanos. Para el ojo humano este
ángulo es del orden de un minuto, es decir el ángulo con el que se ve un disco de 3 cm. de
diametro situado a unos 100m. del ojo. Es muy importante tener en cuenta este concepto
cuando se diseña un sistema de visualización para poder prevenir la nitidez con que lo
percibirá el espectador.
Las transformaciones químicas
Se producen en el fondo del ojo, en la retina, una membrana en la cual se encuentran dos tipos
de receptores: los bastones (de los que hay unos 120 millones) y los conos ( unos 7 millones)
que están situados sobre todo a la fóvea central, una pequeña zona casi en el eje del ojo, de
unos 0,3 mm. de diámetro y rodeada por la mancha amarilla. En la fóvea sólo hay conos y en
cambio en zonas periféricas de la retina hay 10 veces más de bastones que de conos. Si la luz
incide en el punto ciego, donde el nervio óptico se inserta en la retina no se produce
sensación luminosa.
Los dos tipos de recptores contienen gran cantidad de moléculas de pigmento (unos 4 millones
en cada bastón, que es la célula más sensible) que contienen una sustancia, la rodopsina, que
absorve rayos de luz para descomponerlos en otras dos sustancias. Eso significa que con la
entrada continuada de luz en el ojo se va perdiendo rodopsina y por tanto la capacidad de
absorción significativa de luz va disminuyendo. Por suerte si no entra luz en la retina la
rodopsina se vuelve a componer ( a partir de las dos sustancias que la componían): en 5
minutos la mitad de las céclulas se han recompuesto y al cabo de ¾ de hora ya lo han hecho
todas.
Es decir, nuestro sistema visual no ve directamente la imagen retiniana,que es la proyección
en el fondo del ojo de la realidad observa. De hecho, la cantidad y características (luminosidad
o intensidad de la luz, color) de esta proyección en cada punto de la retina producirán unas
reacciones químicas la intensidad y naturaleza de las cuales dependerán de estas
características en cada punto.
Las transformaciones nerviosas
Cada uno de los receptores está enlazado con una célula nerviosa mediante una sinapsis.
Estas células están enlazadas con otras (también mediante sinapsis y no sólo en sentido
longitudinal sino también transversal con las células procedentes de otros receptores),
formando así el nervio óptico. Este va del ojo a una región lateral del cerebro, el cuerpo
geniculado, de donde surgen otras conexiones que van a parar finalmente al cortex estriado,
situado en la parte posterior del cerebro.
La complejidad de la red que forma el nervio óptico constituye un nuevo estadio de tratamiento
de la información visual. La transversalidad de las conexiones de las neuronas del eje y la
versatilidad de las sinapsis (hay inhibidoras y excitadoras) hace que no haya correspondencia
punto a punto entre los receptores de la retina y las fibras del eje.
Este tratamiento posterior de la información es el más complejo y desconocido. Se ha
comenzado a investigar hace sólo 30 años. Por tanto, para entender el funcionamiento del ojo
es válida la analogía de la cámara fotográfica con una placa sensible en la retina, pero el
“revelado” de esta exposición es un proceso de tratamiento de la información complejo que
apenas hoy en día se comienza a entender con modelos informáticos.
Los elementos de la percepción visual
Cuando se estudia desde un punto de vista físico la naturaleza de la luz aparecen propiedades
3
y características que sirven para conocerla y poder cuantificarla de forma más completa: las
más importantes desde el punto de vista de nuestra percepción son la intensidad de la luz o
luminancia y su longitud de onda o color. Pues bien, el sistema visual contiene elementos y
subsistemas especializados en la captación de estas características físicas para permitir
descodificar la información visual que le llega. Además, el sistema visual es capaz de captar
regularidades en el espacio y en el tiempo.
La percepción de la luminosidad
Nuestra experiencia de la luminosidad de un objeto es un fenómeno subjetivo pero que
corresponde a la percepción de la cantidad de luz emitida o reflejada por el objeto.
La manera de cuantificar la reacción del ojo a la intensidad de la luz es mediante el flujo
luminoso. El flujo luminoso, como veremos más adelante, es una magnitud física que da idea
de la cantidad de luz, es decir el número de fotones o partículas luminosas, que hay en las
circunstancias que se estén tratando. Se mide en una unidad que se llama lumen.
Es evidente que cuanto más grande sea el números de fotones que entren a un ojo más
células de la retina, conos o bastones, serán afectadas y por tanto más rodopsina se
descompondrá. Hay un mínimo bajo el cual no se produce sensación de luz. Este lindar se
-13
puede estblecer en unos 10 lúmenes, correspondientes a unos 10 fotones. Por otra parte, si
entra demasiada luz al ojo se puede quemar el sistema nervioso a causa de un exceso de
energía. Eso es lo que les pasó a Galileo y Joseph Plateau, que se quedaron ciegos a causa
de sus observaciones de la luz solar directa.
Este es un cuadro que da idea de la luz que emiten diversos objetos y de la manera en como el
ojo los percibe. Como se trata de objetos no puntuales, con cierta extensión, la magnitud que
hacemos servir es la luminancia o brillo, que se mide en candela por metro al cuadrado (cd/m2)
y que es proporcional al flujo. Más adelante, en el apartado 1.3, daremos unas nociones de
fotometría para explicar mejor estas magnitudes.
2
Luminancia (cd/m )
Objeto
Zona de visión
1010
109
108
107
106
105
104
103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
(...)
10-6
Sol
Arco voltaico
Peligrosa
Lampara de tungsteno
Pantalla de cine
Papel blanco al sol
Luna o vela
Página impresa que se puede leer
Fotópica
Papel blanco a la luz de la luna
Escotópica
Lindar absoluto de percepción
Los dos tipos de células de la retina están especializadas en percibir aspectos diversos de la
luz. Los conos son los responsables de la visión del color y parece que hay tres tipos
diferentes sensibles al rojo, al verde y al azul. A causa de su manera individual de conectarse
para ir a parar al cerebro son responsables de la visión espacial. Recordemos que hay unos 6
o 7 millones y que se concentran en una zona muy pequeña, de sólo un par de grados al lado
de la fovea. Son poco sensibles a la intensidad de la luz, pues contienen relativamente pocas
4
moléculas de rodopsina.
Los bastones ,en cambio, se reparten de manera relativamente uniforme por todo el resto de
la retina y comparten terminaciones nerviosas en su camino hacia el cerebro, con lo que su
contribución a la sensación de espacialidad no es muy importante. No son sensibles al color
pero son más sensibles que los conos a la intensidad de la luz, pues contienen mucha
rodopsina.
Estas diferencias en cuanto a la sensibilidad a la luz de las células de la retina hacen que
según la cantidad de luz que entra en el ojo predomine uno u otro de los dos tipos de visión
prinipales:
La visión fotópica o “diurna” para objetos iluminados con intensidades relativamente altas
como puede ser la luz del día. Al haber mucha intensidad entran en juego sobre todo los conos.
Como estos son los responsables de la percepción de los colores, es una percepción
cromática. Al ser más abundantes en la fóvea y dado que al haber bastante luz la pupila puede
estar cerrada, se caracteriza por una buena profundidad de campo y por tanto por una
considerable agudeza. Con este tipo de iluminación, la percepción se concentra instintivamente
en el eje de la retina donde se encuentran los conos;para explorar una imagen grande el ojo
se va desplazando constantemente e instintivamente de una zona a otra.
La visión escotópica o “nocturna” se produce cuando la iluminación es escasa. Como son más
sensibles intervienen sobre todo los bastones y es por tanto marcadamente acromática y de
poca agudeza ya que intervienen zonas más amplias de la retina con la pupila bastante abierta.
Por ésto de noche no se distinguen bien los colores ni los detalles pequeños.
Aunque suelen producirse en un entorno de tipo “nocturno” con poca luz, la visión del cine, la
televisión, el vídeo y las proyeccciones en general es básicamente fotópica pues su
intensidad luminosa cae en esta zona. Además, al tratarse de una visión voluntaria, intervienen
los mecanismos de movimiento del ojo para seguir una imagen grande y eso hace que
intervenga más la zona de la retina cercana a la fóvea donde están los conos.
La percepción del movimiento
La investigación reciente sobre cómo el sistema visual humano percibe el movimiento ha
cambiado mucho nuestras ideas al respecto. Una recopilación de los hechos actuales nos
permitirá captar la complejidad de este fenómeno.
Por ejemplo, en 1974 se descubrió la existencia de células del nervio óptico con diferentes
especializaciones: unas para responder a estados de estimulación permanente y otras para
estados transitorios. Por tanto se pueden distinguir dos tipos de respuesta del sistema
visual en función del tiempo.
La respuesta lenta es el conjunto de efectos de excitación y de integración. Esta integración
es la responsable de que diversos fenómenos que se suceden demasiado rápidamente se
integren en una sola percepción. El ejemplo típico es la persistencia retiniana en la cual el
cerebro interpreta que hay actividad en los receptores retinianos un tiempo después de cortado
el estímulo. Por eso se ve contínuo el círculo de una luz que gira. Este efecto depende de
diversos factores: es más grande si el ojo está descansado o bien adaptado a la oscuridad.
También es más grande si la luz es más intensa: de hecho este era uno de los argumentos en
favor de hacer servir este fenómeno para explicar la sensación de movimiento en el cine (se
pensaba en persistencias del orden de un cuarto de segundo).
La respuesta rápida es el conjunto de efectos de respuesta a estímulos que canbian
rápidamente. Hay dos efectos que afectan a la percepción en movimiento.
El centelleo (en inglés flicker). Cuando el ojo observa una luz que se enciende y se apaga
periódicamente, como la del cine, puede darse un efecto de destellos, de deslumbramientos, si
la frecuencia de la luz está por debajo de un determinado valor, la frecuencia crítica, que
depende de la intensidad luminosa. Este efecto se llama centelleo. Si la frecuencia está por
encima de la crítica la luz se percibe de forma contínua.
5
Este es un fenómeno visual emparentados con los efectos estroboscópicos que se producen,
poe ejemplo, cuando se mira una rueda en movimiento.
La frecuencia crítica puede ser de sólo 10Hz. para intensidades pequeñas pero puede llegar a
1000 Hz. para grandes intensiades luminosas.
Este es el fenómeno que explica los destellos típicos del cine de la primera época. Para evitar
este efecto los projectores y por tanto las cámaras fueron aumentando su frecuencia de 12 a
16 y hasta 24 imágenes por segundo. Cuando se introdujeron lámparas más luminosas (las de
arco voltaico), esta frecuencia fue insuficiente. Como aumentar todavía más la velocidad era
difícil por problemas mecánicos y caro por necesitar más película, se decidió proyectar dos
veces cada fotograma. Por eso hoy en día el obturador del proyector corta el flujo luminoso dos
veces por cada fotograma dando una frecuencia de proyección de 48 imágenes por segundo
con películas registradas sólo a 24.
Para hacerse una idea de la importancia de esta percepción en el cine antiguo sirve la
siguiente anécdota. Los americanos, cuando van al cine dicen “to go to the movies”. Hacia
1925, cuando la tecnología no havía resuelto todavía este problema decían “to go to the
flickers”
El enmascaramiento visual. Si se producen dos estímulos luminosas muy seguidos en el
tiempo, el segundo puede perturbar la percepción del primero reducienco su sensibilidad. Se
produce un efecto de máscara.
Como ejemplo, si se hace ver en un intrevalo corto de tiempo una imagen muy sencilla como
un círculo blanco sobre negro y su negativo, el círculo desaparece.
En cine se puede anular la percepción de movimiento insertando un fotograma en blanco entre
dos fotogramas consecutivos. En cambio si el fotograma insertado es negro (ausencia de
estímulo) no se da este efecto.
Hay teorías sencillas y en este momento posiblemente también anticuadas que dicen que el
enmascaramiento de una imagen por la siguiente es la responsable precisamente de anular la
persistencia retiniana y propiciar por tanto la percepción del movimiento en el cine. Pero a
pesar de que parece parcialmente adecuado, un modelo de explicación más correcta no parece
que pueda ser tan sencillo.
La teoría quizá más aceptada actualmente para explicar la percepción del movimiento es una
con dos partes importantes e independientes:
Por una parte parece que en el sistema visual hay unos detectores específicos de
movimiento, unas células cerebrales especializadas que reaccionan cuando diversos
receptores retinianos cercanos y situados en el campo de la célula son activados sucesiva y
rápidamente. (El campo de la célula es el conjunto de receptores retinianos que están
asociados).
La experiencia más común para demostrar la existencia de estos receptores es el conjunto de
efectos posteriores ligados al movimiento: si miramos durante un rato una escena con un
movimiento regular, por ejemplo una cascada o una espiral gigante, y seguidamente pasamos
a mirar una imagen fija, creeremos ver que ésta tiene un movimiento en sentido inverso al de la
primera.
Por otra parte, es evidente que el sistema visual tiene mecanismos para corregir todo el
conjunto de movimientos de los ojos (propios o debidos al movimiento del cuerpo) y no
interpretarlos como un movimiento. Estos mecanismos parecen estar basados en la
comparación contínua de la información entre eferente y reaferente.
La información eferente es la información nerviosa que va del cerebro a los órganos
sensitivo-motores (músculos, ojos,etc.). La aferente es la que va al revés y la reaferente es la
que produce acontecimientos sensoriales procucidos medieante acontecimientos voluntarios.
6
Se han hecho diversos experimentos para comprobar que la estabilidad de la imagen depende
de la comparación entre la que le envía el cerebro y la que le devuelve. Una experiencia muy
sencilla es mover un ojo presionándolo con un dedo. Al tratarse de un movimiento no regido
directamente por el cerebro se pierde la verticalidad y la estereopsia (visión del mundo con un
solo ojo).
Si un movimiento es demasiado lento o demasiado rápido, no será percibido por el hombre.
Estos umbrales de percepción del movimiento están influidos por diversas circunstancias como,
por ejemplo, las dimensiones del objeto (un objeto grande se ha de mover más), la
iluminación, el contraste (cuanto más grandes son estas dos variables mejor se percibe el
movimiento), y el entorno (los puntos fijos de referencia facilitan la perceción del movimiento).
Movimiento aparente
Desde que se comenzó a inventar aparatos simuladores del movimiento quedó claro que no es
necesario que haya un movimiento real para percibir la sensación de movimiento. En los
últimos años se han hecho experimentos de laboratorio que permiten el control riguroso de las
variables en juego en la percepción de estos fenómenos.
Se muestra al sujeto dos puntos luminosos instantáneos y cercanos en el espacio y se va
haciendo variar la separación temporal entre ellos. Si el intervalo de tiempo es demasiado
pequeño el espectador los interpreta como simultáneos; si es demasiado grande los interpreta
como en realidad son: dos fenómenos diferentes y sucesivos. Pero entre un límite y otro,
aproximadamente para separaciones de 30 a 200 milésimas de segundo, la percepción es la
de un solo punto luminoso que se desplaza de un un lado a otro: es la percepción del
movimiento aparente. Esta experiencia se llama efecto beta.
El efecto alfa es una experiencia semejante con dos lámparas de medida diferente situadas en
el mismo punto del espacio. El efecto aparente es el de un movimiento de expansión. Hay todo
un conjunto de experiencias semejantes a estas llamadas con letras griegas. El conjunto se
llama efecto fi y constituye la experiencia fundamental para describir el movimiento aparente.
La interpretación de este fenómeno no está todavía clara aunque pueda parecer claro que se
trata de procesos post-retinianos. En particular hay dicersas cuestiones pendientes:
a) ¿Afectan al movimiento real y al aparente los mismos receptores?. Diversos experimentos
parecen demostrar que eso es cierto para estímulos complelos o muy cercanos como, por
ejemplo, dos imágenes consecutivas de cine. Pero para estímulos muy secillos como , por
ejemplo, un efecto beta los mecanismos son diferentes.
b) ¿Qué características de un objeto son prioritarias para transmitir sensación de movimiento?.
Parece claro que el más importante es la luminosidad ( o sus cambios) por encima del color o
de la forma, pero ¿qué explicación de eso da el sistema visual?.
c) ¿Qué papel juega el enmascaramiento? pues si se intercala un campo luminosos uniforme
entre los dos estímulos la sensación de movimiento queda suprimida.
d) ¿Cual es la relación entre percepción de la forma y perceción del movimiento?. Pues está
claro que animaciones por cambio de forma tambien porducen una cierta sensación de
movimiento interno.
El movimiento en el cine
El cine proyecta regularmente imágenes fijas sobre una pantalla separadas por momentos de
oscuridad resultado de la ocultación de la luz por un obturador giratorio.
Una vez escogida una frecuencia que elimine el centelleo se obtiene sensación de luz contínua
que evita la sensación de tener una proyección separada de imágenes y facilita por tanto
7
olvidar que se trata de una proyección. La sensación de movimiento interno en las imágenes se
obtiene a partir del movimiento aparente debido al efecto fi.
Como las imágenes consecutivas en cine son en general bastante parecidas, se puede pensar,
según lo que hemos dicho antes, que los mecanismos perceptivos que intervienen son los
mismos que para la percepción del movimiento real. Si esta teoría se confirma significaría que
fisiológicamente no se podría distinguir el cine de la realidad.
Como se ha dicho antes, la inserción de un fotograma en blanco anula el movimmiento
aparente por un efecto de enmascaramiento. La inserción del negro de proyeccción de
fotogramas, no sólo no anula sino que parece tener el efecto contrario. Parece que su efecto es
producir un “enmascaramiento del contorno una anulación de la información sobre las
referencias externas de la imagen. Esto impediría que se acumularan imágenes en la retina
haciendo que en cada momento sólo se percibiera la posición presente en la pantalla una vez
borrada la anterior por el enmascaramiento.
En cualquier caso, dejamos abierta la cuestión de qué hace el enmascarammiento en la
imagen de televisión.
Hay otros elementos de la percepción visual que también son interesantes desde el punto de
vista de la tecnología de los sistemas audiovisuales, como pueden ser la percepción de los
bordes y la del contraste. Su complejidad sobrepasa lo que se puede tratar desde nuestro
punto de vista.
1.2: Ondas. Movimientos ondulatorios
La naturaleza de las ondas
Una onda es un movimiento periódico, una perturbación o cambio periódico que se
propaga a través de un determinado medio. Se suministra inicialmente a un punto del medio
una energía para poner en marcha este movimiento periódico que inmediatamente se transmite
a las partículas más cercanas a la inicial y a la larga a todas las otras del medio.
Un buen ejemplo, pero que se ha de estudiar con mucho cuidado, es la piedra que se lanza al
agua y que produce ondas exclusivamente en la superficie del agua no en todo su vólumen.
Es necesario saber que la tensión superficial hace que la superficie de los líquidos sometidos a
la gravedad se comporte como si fuera una película muy fina con propiedades semejantes a las
elásticas, como se fuera una superficie de goma.
Inicialmente la piedra empuja un conjunto de partículas de la superficie del agua si bien hace
una fuerza hacía abajo que las hace moverse. Inmediatamente después el vacío que produce
la piedra al caer causa una fuerza hacia arriba que hace que las partículas de la superficie
suvan.
Como la superficie del agua se comporta como un medio elástico, este movimiento hacia arriba
y hacia abajo se va transmitiendo de forma progresiva y uniforme, en círculos, a toda la
superficie acuosa de los alrededores del punto de caída de la piedra. Este movimiento, esta
perturbación periódica de la superficie del agua es la onda; se transmite siguiendo los
radios de las circunferencias centradas en el punto de caída y es absolutamente diferente del
movimiento de las partículas de la superficie del agua que van arriba y abajo.
Esta distinción es nuy importante. el movimiento de las partículas del medio y el movimiento
que, si bien propagándose, constituye la onda, son dos conceptos diferentes y no pueden
tener, como en este caso, ni siquiera la misma dirección.
En el caso de la superficie del agua, al cabo de un tiempo las oscilaciones de la onda son cada
8
vez más pequeñas y acaban por desaparecer. La misma fricción entre las partículas cercanas,
que permite que la onda se propague, es la responsable de que se vaya amortiguando y acabe
desapareciendo si no se vuelve a dar de alguna manera energía para mantener el movimiento.
Este es una ejemplo de ondas transversales: la dirección de la propagación de la onda es
perpendicular a la del movimiento de las partículas del medio.
Las ondas longitudinales son aquellas en que la dirección de la propagación de la onda es la
misma del movimiento de las partículas del medio.
Para entender los conceptos físicos, frecuentemente es útil comenzar por el estudio de
modelos o de ejemplos muy simplificados y prácticamente idealizados. En nuestro caso , para
ver un ejemplo de cada tipo de ondas, haremos servir un modelo constituído por un conjunto de
bolas unidas por muelles y apoyadas sobre una mesa. Podemos pensar que los muelles no
tienen a penas peso y que la mesa y las bolas tampoco tienen fricción, pues para desarrollar
nuestras ideas es por ahora irrelevante.
Ondas longitudinales
Para producir una onda longitudinal en este modelo, cogeremos la primera bola y le daremos
un movimiento periódico hacia delante y hacia atrás. A causa de las propiedades elásticas de
los muelles, las otras bolas se irán alargando y arrastrando en la misma dirección . La onda la
veremos como este conjunto de comprensiones y descomprensiones de muelles (están más
juntas o más separadas) que irá cambiendo periódicamente siempre a lo largo de la longitud
de la línea de los muelles.
Haciendo una representación gráfica de las separaciones de las bolas respecto de sus puntos
iniciales de equilibrio ( a, b, c, d, e, f, g, h, j, k) a pesar de considerar negativo el
desplazamiento hacia la izquierda y positivo hacia la derecha, se ve que constituyen una
sinuoide. Esto constituye una representación gráfica del estado de todo el conjunto de muelles
en un instante de tiempo. Da idea de cómo es la onda a lo largo de la longitud del sistema de
muelles. Por tanto, es una representación de la onda en función del espacio, de la longitud.
Es también muy interesante ir siguiendo la evolución de cualquiera de las bolas a lo largo del
tiempo, a medida que la onda se va produciendo. El suyo será también un movimiento
periódico (hacia la derecha hasta un máximo, volver hacia la izquierda, pasar del punto de
equilibrio hasta un máximo a la izquierda, volver a ir hacia la derecha). Si representamos
estas posiciones en función del tiempo , teniendo en cuenta también que hacia la derecha es
positivo (representado hacia arriba) y hacia la izquierda es negativo (representado hacia
abajo), obtendremos también una forma sinusoidal.
Este modelo simplificado se puede considerar una primera aproximación de lo que sucede en
un medio material, sólido, líquido o gaseoso, cuando en un punto se produce un cambio brusco
de presión: las bolas han sido sustituidas por partículas del medio y los muelles por las fuerzas
de atración elásticas que las ligan. En un instante dado habrá zonas del material comprimidas
separadas por otras en las que hay un enrarecimineto; en las primeras la densidad del cuerpo
habrá experimentado un aumento y en las segundas una disminución. A lo largo del tiempo
estas variaciones se van transmitiendo periódicamente, dando así origen a lo que se llama
ondas de presión o de densidad.
Cuando las ondas de presión tienen las características adecuadas, el oido humano las
interpreta como un sonido. Cuando se produce un sonido, el aire es empujado hacia delante en
todas direcciones alrededor de la fuente sonora. Si un sonido se propaga por el aire sin
impedimentos producirá una onda esférica.
Ondas transversales
9
Las ondas transversales són aquellas en que la direccción de propagación de la onda es
perpendicular al movimiento de las partículas del medio. Nuevamente tomaremos como un
caso simplificado el conjunto de bolas unidas por muelles y apoyadas sobre una mesa, pero
ahora haremos que el punto A tenga un movimiento periódico perpendicular en al dirección de
los muelles. Este movimiento se va transmitiendo a las otras bolas en función de la distancia
que las separa.
Es evidente que, en una instante dado, las esferas se encuentran sobre una sinusoide con
picos y valles desplazándose hacia la derecha. Pero , como siempre, las partículas (las bolas)
no siguen este movimiento y se limitan a ir arriba y abajo con un movimiento armónico.
Igual que antes, si representamos representamos el movimiento de una de estas bolas a lo
largo del tiempo (hacia arriba hasta el máximo, volver hacia abajo pasando por el punto de
equilibrio hasta un mínimo por debajo, y volver otra vez arriba) obtendremos otra sinusoide
como la de la figura 2.
Las ondas transversales sólo pueden producirse en medios sólidos, pues los líquidos y los
gaseosos no tienen elasticidad de forma y no reaccionan a los esfuerzos de corte. Las ondas
longitudinales, producidas por la elasticidad de volumen, pueden darse en cualquier material,
sólido, líquido o gaseoso.
Características de las ondas
Sean del tipo que sean, las ondas quedan definidas mediante unos pocos parámetros.
La amplitud de la onda es la elongación máxima, es decir la altura de una cima o el vallle de la
onda. La amplitud, que acostuma a representarse con una A, da razón de la energía que lleva
la onda. Esto se ve intuitivamente con las ondas sobre el agua: cuando la onda se va
desvaneciendo porque va perdiendo energía a causa de la fricción, su amplitud se va anulando
sin que cambien las otras carácterísticas.
La longitud de onda es la distancia entre dos cimas contenidos en la onda, o en general entre
cualquier pareja de puntos correspondientes consecutivos. Se representa con la letra griega
lambda (λ) y se mide en unidades de longitud como, por ejemplo, el metro.
Para muchos casos, el metro es una unidad muy grande para medir longitudes de onda.
Entonces se hacen servir sus submúltiplos, por ejemplo:
-3
1 milímetro (1mm.): 10 = 0,001 m. (milésima de metro)
1 micra (μ m)= 10 –6 m.= 0,000001 m. (milésima de milímetro o millonésima de metro o
micrometro). Los surcos de los Compact Discs son de este orden de magnitud.
1 nanómetro (1nm. ) o milimicra= 10-9 m. = 0,000000001 m. (milésima de micra o
millonésima de metro)
1 angstrom (Ao) = 10 –10 m. = 0,0000000001 m. (décima de nanómetro o diezmilésima de
micra) Los átomos tienen dimensiones del orden del angstromo.
El periodo es el tiempo que tarda la onda en ir de una cima a la siguiente o, en general, de un
punto cualquiera al siguiente equivalente. Es decir, es el tiempo que tarda la onda en recorrer
una distancia igual a su longitud de onda. Se representa con una T.
Si la velocidad de la onda es v, se verifica entonces , λ= v.T
La frecuencia es el número de oscilaciones, o sea de periodos que se producen por unidad de
tiempo. Por tanto también el número de longitudes de onda que avanza la onda al
desplazarse. Se representa con la letra griega ni (ν). De acuerdo con su definición se tendrá
10
La frecuencia esla medida en ciclos/segundo. Eso es lo que se llama hertzio (Hz).
Como el hertzio es una unidad muy pequeña, frecuentemente se hacen servir sus múltiplos:
1 Hilohertzio (1 KHz) = 103 Hz = 1.000 Hz
1 Megahertzio (1MHz) = 106 Hz= 1.000.000 Hz
1 Gigahertzio (1GHz)= 109 Hz= 1.000.000.000 H
Esta unidad se hace servir también para muchos procesos periódicos aunque no sean ondas.
Por ejemplo, a veces en lugar de decir que en el cine se registran 24 imágenes por segundo se
dice que la frecuencia de gravación es de 24 Hz.
1.3. Electromagnetismo. Ondas electromagnéticas.
Nociones elementales de electromagnetismo
Durante los siglos XVIII y XIX, una vez que la física tenía ya modelos bastante completos para
explicar los hechos de la mecánica, se realizó todo un conjunto de experiencias sobre los
fenómenos aparentemente independientes de la electricidad y el magnetismo. Poco a poco se
fue haciendo evidente una relación entre los dos tipos de fenómenos que Maxwell explicitó en
1873 con sus leyes teóricas.
Para poder entender mejor los conceptos de electromagnetismo es necesario tener una cierta
idea de la terminología que los físicos hacen servir. Un concepto vital y sencillo de entender en
un primer nivel es el de campo.
Cuando en física se dice que en un determinado espacio hay un campo se quiere decir que en
este espacio hay distribuida de alguna manera una energía capaz de producir algún tipo de
efecto: movimiento, calentamiento, electrocución, etc. Por ejemplo, se dice que en el espacio
alrededor de la Tierra hay un campo gravitatorio. Eso significa sencillamente que si dejamos ir
un cuerpo material en ese espacio será atraído por la masa del planeta. Es como si hubiera
una capacidad energética direccional (los cuerpos siempre caen hacia abajo) distribuida por el
espacio alrededor de la Tierra.
Esta manera de decir las cosas puede parecer complicada o arbitraria pero se hace servir
porque permite un tratamiento matemático potentísimo y con la ventaja adicional de que los
rasgos fundamentales serán comunes para todos los fenómenos a los que se pueda aplicar el
concepto de campo.
Una vez desarrollado el concepto de campo para estudiar el fenómeno de la gravitación, se vió
que también se podían introducir ideas semejantes para estudiar la electricidad y el
magnetismo. Si en algún lugar del espacio hay alguna carga eléctrica se dice que a su
alrededor hay un campo eléctrico. Eso significa que si colocamos otra carga eléctrica cerca,
sufriría los efectos de la creadora del campo: será atraída si son de signos diferentes y
rechazada si son del mismo. De la misma manera, la presencia de un imán hace que los
objetos sensibles al magnetismo sientan su atracción: se dice que hay un campo magnético.
Como hemos dicho antes, a lo largo de los siglo XVIII y XIX se fue haciendo evidente que los
campos eléctricos y magnéticos se podían considerar como dos aspectos diferentes de un
mismo tipo de campo, el campo electromagnético. Las experiencias que llevaron a esta idea
hacen referencia siempre a campos eléctricos o magnéticos que cambian a lo largo del tiempo,
11
sea porque la posición de las cargas o de los imanes se modifica, o porque su intensiadad
cambia o por cualquier otra razón que haga que el campo no se mantenga estático, sin
cambios en el tiempo.
Describiremos ahora un pequeño conjunto de estas experiencias.
La experiencia que dio las primeras pistas sobre la relación entre electricidad y magnetismo fue
la que se observa en la figura 14. Hacercando una brújula a una corriente eléctrica (es decir,
partículas eléctricas en movimiento, y por tanto en un campo eléctrico variable) se observa que
se desvía, exactamente como si la hubieramos acercado a un imán. La explicación que se dio
es que la corriente electrica crea a su alrededor un campo magnético.
Este hecho queda todavía más claro en el experimento de la figura 15. Si al conductor por el
que circula la corriente eléctrica se le da la forma de una bobina, se puede hacer explícita,
mediante limaduras de hierro, la forma de las líneas de fuerza del campo magnético que crea a
su alrededor. La semejanza con un imán tradicional es completa.
Este fenómeno funciona también en sentido contrario: un campo magnético variable crea una
corriente eléctrica.
Esto se demuestra por ejemplo con una experiencia como la representada en la figura 16. Si
hacemos girar el imán situado en el centro de la figura delante de una espira conductora, se
observa que en esta aparece una corriente eléctrica. Esta corriente es periódica y la
representación de su intensidad sería una sinusoide, el periodo de la cual coincide con el del
giro del imán. Este principio es el que se hace servir,por ejemplo, en las dinamos de bicicleta:
nuestro esfuerzo pedaleando hace girar un imán y un dispositivo semejante a este concierte el
giro en corriente eléctrica.
Un aparato que hace un uso directo de este principio es el micrófono de bobina movil como
el representado en la figura 17. Las ondas sonoras (recordemos que son ondas de presión)
hacen oscilar la membrana del diafragma. Este está unido a la bobina y por tanto esta oscila
dentro del campo magnético del imán. La consecuencia es que genera una corriente eléctrica
que tiene la forma de una onda proporcional a las vibraciones sonoras que han originado el
proceso.
En un altavoz se produce el proceso contrario. A la bobina llega una corriente variable,
producto final de todas las transformaciones que se hayan hecho a la señal que representa el
sonido. Como esta corriente variable se encuentra dentro del campo magnético de un imán, la
bobina sufre una fuerza hacia delante y hacia atrás proporcional a la corriente eléctrica que la
atraviesa. Estas vibraciones se trasmiten al cono del altavoz y las oscilaciones de este
constituyen ondas sonoras.
Se llegó a tener un excelente conocimiento teórico del electromagnetismo cuando Maxwell dio
en el 1873 sus dos leyes.
La 1ª ley de Maxwell dice que cualquier campo eléctrico que varía a lo largo del tiempo
produce a su alrededor un campo magnético. Al contrario, la 2ª ley de Maxwell dice que
cualquier campo magnético que varía a lo largo del tiempo produce a su alrededor un campo
eléctrico.
Todos estos fenómenos que hemos visto y la teoría que los describe permitieron a Maxwell
introducir el concepto de campo electreomagnético: una primera unificación de dos fuerzas
físicas aparentemente diferentes.
Ondas electromagnéticas
Maxwell previó que, en determinadas circunstancias, es posible que el campo electromagnético
se desplace a lo largo del espacio en forma de ondas. Si recordamos el concepto de campo,
podemos entender que eso quiere decir, a “groso modo”, que por el espacio se va desplazando
una determinada capacidad de producir efectos eléctricos y magnéticos. Maxwell hizo esta
12
previsión de forma completamente teórica. Previó también las características de estas ondas
electromagnéticas, como por ejemplo que su velocidad había de ser la misma que la de la luz,
c.
No fue hasta 1888, 15 años más tardde, que Heinrich Hertz inventó un procedimiento para
generar ondaas electromagnéticas. En su experiencia se produjo una chispa entre dos bolas
metálicas muy cercanas. Al otro extremo del laboratorio tenía una con una pequeña abertura.
En el mismo momento de producirse la chispa en las bolas apareció otra en la rendija de la
espira. Era evidente que se havía producido algún tipo de trnasmisiñón rapidísima de energía.
Eran las primeras ondas de radio.
En la vida cotidiana repetimos muchas veces sin saberlo esta experiencia: cuando
encendemos un motor eléctrico cerca de un televisor, las interferencias que aparecen son
causadas por las ondas de radio que ha emitido el motor al encenderse y que el televisor
intenta interpretar como imagen y sonido codificado,
Las ondas electromagnéticas se producen cuando se pone en marcha un circuito eléc trico
oscilante, es decir, en el cual la corriente eléctrica va cambiando de dirección a lo largo del
tiempo. Estos circuitos tienen como mínimo un condensador y un solenoide, una espiral
conductora. El campo eléctrico genera un campo magnético, éste genera un campo
eléctrico y así sucesivamente. Las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de
la luz c.
Un circuito emisor típico es una antena emisora de radio. La antena es en realidad el
condensador de este circuito oscilante: sus dos armaduras se han ido separando, una es la
tierra y la otra la cima de la antena; el dieléctrico entre ellas es todo el espacio que rodea a
la antena, a través del cual se transmiten las oscilaciones de los campos eléctrico y
magnético y por tanto las ondas electromagnéticas.
Todo el espacio alrededor del emisor es afectado por la perturbación electromagnética
originada por la descarga del circuito oscilante. Son las ondas elecetromagnéticas, que se
propagan en forma de ondas esféricas. La intensidad por unidad de superficie disminuirá
entonces en proporción inversamente proporcional al cuadrado de la distancia del centro
emisor, entonces la misma energía se va repartiendo a lo largo de esferas cada vez más
amplias la superficie de las cuales aumenta con el cuadrado de su radio.
En un punto y en un momento dado, las direcciones de los campos eléctrico y magnético son
perpendiculares entre ellas y a la dirección de propagación. Una visualización de eso se puede
ver en la fig. 20. Las ondas electromagnéticas son pues ondas transversales. En eso parecía
haber un hecho paradójico pues las ondas transversales solo podían producirse en medios
sólidos y es evidente que las ondas electromagnéticas atraviesan el aire, el agua o incluso el
vacío. Esta paradoja produjo muchos dolores de cabeza a los físicos de finales del XIX hasta
que se pudo entender que las ondas electromagnéticas no necesitan ningún soporte material
para producirse, si bien sus características cambian según el medio que atraviesan.
En todas las experiencias que se hicieron con ondas electromagnéticas se fueron
comprobando las previsiones teóricas de Maxwell y en particular que estas ondas avanzan a la
velocidad de la luz c y que sus parámetros ondulatorios siguen las leyes dadas para cualquier
onda transversal, es decir:
λ=c T=c/ν
.
donde λ es la longitud de una onda , T el periodo y ν la frecuencia de la radiación
electromagnética.
Espectro electromagnético
A partir de los trabajos de Maxwell y Hertz se fue descubriendo y generando por
procedimientos diferentes, radiaciones electromagnéticas de diversa frecuencia y longitud de
13
onda. Todas juntas constituyen lo que se denomina espectro electromagnético.
En la figura 21 se pueden ver las diversas radiaciones que constituyen el espectro
electromagnético. En la parte de arriba está el valor de la frecuencia de la radiación; en la parte
de abajo el correspondiente para una longitud de onda, deacuerdo con la fórmula λ=c/ν.
También se ha representado algunos de los aparatos que hacen servir ondas
electromagnéticas en su funcionamiento. Es evidente que muchas de las aplicaciones entran
de lleno en el campo del audiovisual. En particular son de gran interés las ondas de radio que
se hacen servir para transmitir sonidos e imágenes a larga distancia y sin cable, haciendo
servir la propiedad de estas ondas de no necesitar un soporte para producirse.
Vale la pena darse cuenta de las dimensiones tan grandes y tan pequeñas con que se trabaja
cuando se habla del espectro electromagnético. Las frecuencias son siempre muy grandes
(recordemos que 1 Hz. es un ciclo por segundo) y las longitudes de onda son también muy
grandes (hasta decenas de kilómetros) o muy pequeñas (cien mil milésimas de angstrom).
Todas las radiaciones electromagnéticas son idénticas en su naturaleza. Ahora bien, los
medios para producirse observarlas son completamente diferentes. Eso es lo único que
justifica que las diversas zonas del espectro reciban nombres diferentes. Por ejemplo, los rayos
infrarojos son los responsables de la sensación de calor y son producidos por cuerpos
calientes. Las ondas eléctricas que están inmediatamente por encima (microondas, TV, radio)
se producen mediante circuitos eléctricos. Pero en la frontera entre las dos se ha demostrado
experimentalmente que el tipo de radiación obtenida es la misma. Rayos X y gamma se
obtienen en reacciones nucleares, en la Tierra o las estrellas.
Las radiaciones elelctromagnéticas tienen más energía cuanto más grande es su frecuencia.
La causa última es la fórmula de Planck de la mecánica cua´ntica. Por tanto las radiaciones
más energéticas son los rayos gamma, los rayos X y la radiación ultravioleta. Por la misma
causa, entre los colores, tiene más energía un violeta que un rojo.
El Sol y las estrellas emiten radiaciones en prácticamente todo el espectro. La atmósfera de
la Tierra actúa como un filtro de entrada para la mayor parte de las radiaciones de onda
corta y frecuencia larga y por tanto de alta energía (ultravioletas, rayos X, rayos gamma)
que son muy dañinos para la vida en su estado actual. La modificación por parte del hombre
de la composición atmosférica comporta cambios en las frecuencias filtradas tanto de la
radiación incidente como por la rebotada. Las consecuencias, bien conocidas, son el
aumento de radiaciones ultravioleta por un lado y el efecto invernadero por otro.
1.4: La luz y el color
La luz como una onda electromagnética
Como hemos visto, la luz es una onda electromagnética que ocupa una zona bien estrecha del
espectro electromagnético. Va desde 4000 Ao hasta 7500 Ao, es decir de 7,5 .1014 hasta
4.1014Hz. La única diferencia con las otras radiaciones electromagnéticas es que el ojo y el
sistema visual humano son capaces de captarla e interpretarla.
Dentro del espectro visible, el ojo interpreta las diferencias en longitud de onda (o frecuencia)
como una diferencia de color, en el que definirá la principal característica de éste, su tono.
Aunque las diferencias entre colores son muy subjetivas, sobre todo en las fronteras, el
espectro luminoso es aproximadamente este: (recordemos 1A0=10-10 m.)
14
Se observa nuevamente que el espectro luminoso está rodeado por las radiaciones infrarojas y
las ultravioletas. La longitud de onda de esta tabla es para radiaciones luminosas en el vacío.
Es necesario hacer esta precisión porque la longitud de onda de la luz cambia según el medio
que atraviese.
La luz se propaga en cualquier medio transparente. Su velocidad es tan grande que durante un
cierto tiempo se creía que era infinita pues no existían medios suficientemente finos para
medirla. Desde hace tiempo se ha determinado experimentalmente en medios diferentes y se
ha comprobado que es finita y constante en cada uno de estos medios homogéneos. Su valor
sólo depende de estos y muy ligeramente de la frecuencia, es decir de color de la luz.
En el vacío todas las radiaciones luminosas se propagan a la misma velocidad c=299.790 km/s
que muy aproximadamente es
8
c = 300.000 km/s = 3·10 m/s
En el aire, el medio de propagación de la luz más usual para nosotros, la velocidad es, bien
bien, la misma para todas las radiaciones y prácticamente igual a la del vacío c. En realidad es
un poco más pequeña, de unos 299.700 Km/s.
En otros medios, sin embargo, la velocidad de la luz cambia mucho. Así por ejemplo en el vidrio tipo
flint, empleado en óptica, la velocidad de la luz va desde los 186.300 Km/s de la luz violeta hasta los
188.000 Km/s para la luz roja. Estas diferencias de velocidad por colores darán lugar a la difracción de la
luz blanca cuando entra en un prisma.
Por otro lado, la diferente velocidad entre dos medios, como el aire y un vidrio, originará que los rayos
que los rayos se desvien cuando pasen de uno a otro. Eso se tratará mediante el índice de refraccion y será
el origen de los instrumentos ópticos y de las lentes empleadas en fotografía, cine, video, etc.
Las diferencias de la velocidad de la luz en medios diversos hacen que la longitud de onda también
cambie según el medio de propagación. En cambio la frecuencia no cambia y en consecuencia es mejor
para caracterizar sin errores una radiación y por tanto para determinar un color.
Polarización de la luz
La luz es de naturaleza todavía más compleja que lo que se ha explicado hasta ahora. De hecho, un
rayo de luz está formado por una sucesión de trenes de ondas separados por trozos sin radiación. Cada
tren de ondas tiene una longitud de pocos metros y contiene unos cuantos millones de longitud de
ondas. La causa de esto es la naturaleza cuántica de los procesos atómicos que producen la luz.
Cuando se quiere una luz que vibre toda en los mismos planos hay que polarizarla. Hay diversos
procedimientos basados sobre todo en las propiedades de los diversos cristales. El resultado de
atravesar uno de estos cristales es que en toda la luz resultante, que obviamente habrá perdido
intensidad, los campos eléctrico y magnético no cambiarán de plano de oscilación.
Cuando la luz está polarizada, se llama plano de vibracion aquello en que oscila el campo eléctrico y
campo de polarización el del magnético.
En la fotografía se hacen servir frecuentemente filtros polarizadores. Su utilidad es consecuencia del
hecho de que la luz que procede de las superficies brillantes no metálicas y del cielo azul está
fuertemente polarizada. Colocando al objetivo de la cámara uno de estos filtros y girándolo en un
ángulo adecuado, conseguiremos en una determinada posición suprimir una buena parte de esta luz
polarizada. Su efecto será entonces disminuir estos reflejos indeseables en superficies no metálicas y
rebajar la luminosidad excesiva del cielo azul y como consecuencia intensificar el color y aumentar el
contraste en las fotografías resultantes.
A veces se hacen servir también dos polarizadores lineales que se hacen girar uno respecto del otro.
15
Cuando forman un ángulo de 900 evidentemente no pasa la luz. En ángulos determinados se pueden
conseguir los mejores resultados en cuanto al rendimiento de los colores.
Nociones básicas de Fotometría
La fotometría es la parte de la óptica que fija los criterios para medir cantidades de luz.
En realidad, la luz es una forma de energía y por tanto la unidades iniciales para la medida de la luz son
energéticas. Pero por razones prácticas es interesante definir unidades propias ligadas a procesos
relacionados con la percepción de la luz y de los objetos luminosos o iluminados en general. Esta
distinción entre objetos emisores de luz o fuente de luz y objetos iluminados es importante en el campo
audiovisual. Por ejemplo, una pantalla de cine emite luz pero no se trata de luz propia: es un objeto
iluminado.
Cuando se enciende una bombilla, una parte de la energía eléctrica se gasta en calor, se pierde y no se
aprovecha, y otra se dedica a producir luz. Lo mismo pasa en el caso de una vela con la energía química
que produce la combustión. Por eso son más rentables las luces frías como por ejemplo las flourescentes y
las nueva bombillas de bajo consumo.
El concepto básico de fotometría es el flujo luminoso. El flujo luminosos emitido por una fuente de luz
es la cantidad de energía luminosa emitida por unidad de tiempo. Se mide en lumenes (lm). El flujo se
respresenta con la letra griega φ (fi).
Es una unidad de potencia. La potencia es la energía producida, proporcionada, gastada o emitida por
unidad de tiempo. Es una unidad muy conveniente para dar idea de la capacidad de un aparato para ir
produciendo energía de forma continuasda. Por eso se habla siempre de su potencia expresada en watios.
Por ejemplo, para una simple bombilla, la energía gastada en realidad depende del tiempo que está
encendida. La fórmula fundamental es Energía = potencia· tiempo. Por tanto, si tenemos un aparato de
una determinada potencia, la energía consumida en dos horas será el doble que la consumida en una hora.
Es por esto que el contrato de la luz se hace para una determinada potencia, por ejemplo 4,4 Kwats, y el
consumo se mide en energía (Kw.hora). Y en dinero, pues lo que venden las compañías eléctricas es
energía.
El lumen es quizá también la unidad más útil e intuitiva para evaluar la sensibilidad del ojo a la luz, pues
mide la cantidad de energía luminosa que este puede ir procesando a lo largo del tiempo.
Frecuentemente, la luz emitida no es igual, no tiene el mismo flujo en todas las direcciones del
espacio. eso puede ser debido, por ejemplo, a que el foco de luz no sea puntual, a que tenga
pantallas, o a que haya reflejos, sombras, otras luces, etc.Es necesario por tanto definir una nueva
magnitud que tenga cuidado de la dirección en que se mide la luz. Se trata de la intensidad
luminosa.
La intensidad luminosa de una fuente de luz en una direción determinada es el flujo luminoso
emitido en una determinada dirección ( en rigor, por unidad de ángulo sólido en aquella dirección).
Se mide en candelas y se representa con la letra I.
Si una fuente emite igualmente en todas direcciones, el flujo y la intensidad serán proporcionales y
lo mismo da pensar en términos de uno u otra.
La magnitud fundamental para superficies iluminadas es la iluminación de una superficie. Cuando una
superficie está cerca de una fuente de luz se dice que está iluminado por la fuente. Se llama iluminación
de esta superficie al flujo luminoso que recibe por unidad de superficie. Se representa con la letra E. Por
tanto, E = φ / S (en el caso más sencillo en el que la luz es perpendicular a la superficie).
Intuitivamente se entiende que esta unidad da una idea clara de lo que su nombre indica. Si
16
disponemosde un foco de una determinada potencia, cuanto más grande sea la superficie que
queremos que ilumine menos iluminada podrá estar y al revés,
La unidad de iluminación es el lux. 1 lux= lumen /m2.
Por ejemplo, cuando se habla de un videoproyector de 650 lux se está cuantificando como
iluminada y por tanto de viva y con buen rendimiento de colores es su pantalla. Y eso depende
del equilidrio entre la potencia de los tres canones emisores de luz en colores y de la medida
de la pantalla.
Si una superficie iluminada , no es brillante, devuelve la lua igualemente en todas las
direccciones en lo que se llama luz difusa y se comporta como una fuente de luz, que se puede
suponer homogénena. Un buen ejemplo es una pantalla de proyección o de vídeo.
Cuando, en animación por ordenador, se quiere simular la superficie de los cuerpos, uno
de los parámetros que los programas integran son unos coeficientes que dan idea de si la
superficie vuelve la luz muy difusa o si predomina una dirección y por tanto tiene un aspecto
mas especular. Más en general, cuando se diseña una determinada escena se han de
colocar los puntos de luz, definir su posición, color, intensidad, etc. Los programas,
internamente, hacen servir todas las fórmulas física y matemáticas derivadas de la teoría de
la luz para simular el comportamiento de los rayos a medida que ven avanzando y
rebotando en los diversos iobjetos de la escena.
En el caso de que tengamos una fuente de luz real, no puntual, y que emite la luz. que por
y que por tanto tiene una extensión determinada, es interesante referir la intensidad a la
medida de la superficice.
El brilllo o luminancia B de una fuente extensa de luz (como por ejemplo, una superficie
difusa iluminada) es la intensidad luminosa que presenta en dirección perpendicular la
unidad de superficie de la fuente. Por tanto B= I/S.
2
Se mide en candelas/m .
Es decir, se trata de una unidad que da idea de la energía emitida por unidad de tiempo en
una obertura determinada por cada parte de la superficie emisora.
Recordemos que estas magnitudes fotométricas y en particular la luminancia, se utiliazaron
para cuantificar la cantidad de luz con que se ven determinados objetos iluminados. Eso no
permitió, poer ejemplo saber que el cine, la televión y los espectáculos audiovisuales en
general, caen en la zona de visión fotópica, cosa que hace que intervengan significativamente
los conos y por tanto tengamos una buena percepción de los colores.
Finalmente, es interesante conocer la realación entre los datos fotométricos y los energéticos
que producen las fuentes de luz. Por ejemplo, a una luz verde ideal de una potencia de un
watio le corresponde teóricamente un flujo luminoso de 670 lúmenes. En cambio, a una luz roja
de la misma potencia le corresponden sólo70 lúmenes. Eso demuestra que el flujo luminoso y
por tanto la luminancia son diferentes para cada color. Es decir, hay colores que tienen más
energía y més potencia que otros.
Estas diferencias energéticas entre colores son la causa de que se hagan servir estas unidades
propias fotométricas en lugar de watios y otras más generales. Es mejor cuentificar la potencia
luminosa en función del resultado que produce.
En cuanto al rendimiento de las luces eléctricas, con una bombilla incandescente se obtienen
de 10 a 20 lúmenes por watio. El rendimiento aumenta con la potencia de la bombilla. Con una
lámpara fluorescente el rendimiento es de 30 lúmens por watio. Y con las nuevas bombillas
frias el rendimiento todavía es superior.
17
La naturaleza de los colores
Como ya hemos avanzado, la sensación de color es la manera como nuestro sistema visual
interpreta las diferecnias en la longitud de onda de la luz que le llega.
Newton demostró, haciendo pasar un rayo de luz proveniente del sol por un prisma, que la luz
blanca es una mezcla de todos los colores del espectro visible, de todas las longitudes de
onda.
Este experimento se basa en la propiedad de que el ángulo de refacción entre aire y vidrio (es
decir , el ángulo de desviación de la luz al entrar en el vidrio) depende de la longitud de onda,
cosa que hace que se separen los colores. Eso es así porque la velocidad de la luz en estos
medios es diferente para cada una de las longitudes de onda que , mezcladas dan la luz
blanca.
Con esta experiencia, Newton fue el primero en en ver explicítamente el espectro visible, la
parte del espectro electromagnético, que nuestros ojos perciben como calor. De hecho, como
es bien sabido, cuando sale el arco iris todos tenemos la posibilidad de ver este espectro: las
gotas de humedad suspendidas en el aire después de la lluvia actuan como un conjunto de
microprismas cuando el sol las atraviesa.
Con esto ya sabemos cómo es el escenario lumínico en que acostumbramos a ver las cosas.
La luz del sol es blanca y por tanto esta es la más abundante en la naturaleza. Los objetos se
ven de un determinado color porque su superficie absorve una parte de la longitud de onda de
la luz que ilumina y refleja las otras. Las que predominan entre estas últimas dan la dominancia
de color de un objeto pues son las que llegan a nuestros ojos cuando lo miramos.
Si una superficie absorve por igual todos los colores se nos aparece como gris. Si refleja
mucha luz será blanquecina, en caso contrario negruzca. Si una superficie refleja menos del
10% de la luz que le llega ya nos parece negra.
Con lo que acabamos de decir resulta evidente por qué, si la luz que ilumina los objtos no es
blanca sino que tiene una componente cromática claramente dominante, el color con el que se
nos apareceré resultará completamente alterado. Por tanto para definir el color de un objeto es
necesario que esté iluminado con luz blanca.
Características o cualidades de los colores
Para definir empícamente un color se recurre gneralmente a tres características:
El tono, que viene determinado por la longitud de onda y que sirve para situarlo en su lugar en
el espectro. Corresponde a la idea inicial que uno tiene de un determinado color al verlo: es
rojo, o azul,o amarillo, etc.
La saturación, que corresponde a la idea de “pureza” del color, y mide la cantidad de luz
blanca, es decir, de todas las otras longitudes de onda, que acompaña al color. Por ejemplo, un
color rosa es un rojo poco saturado, es decir con fuerte mezcla de luz blanca: como esta es la
suma de todos los colores, la dominante continúa en la zona del rojo. Los colores del espectro
solar tienen una saturación máxima, son colores puros pues han estado separados
completamente de los otros.
La lumnosidad, brillo o luminancia de un color es como todos estos un concepto subjetivo
peo que está influenciado por dos fenómenos objetivos e independientes.
El primero es, obviamente, la propia energía de la radiación. En el espectro luminoso tiene más
energía y por tanto más brillo un violeta que un rojo. El orden de más a menos energético es
pues el mismo del espectro: violeta, cian, verde, amarillo, naranja y rojo.. Por tanto, cuanta más
energía tenga la radiación, más componentes de la parte azul tendrá y al revés.
18
El otro fenómeno es la diferente sensibilidad del ojo a los diversos colores. El ojo no es
igualmente sensible a todas las radiaciones luminosas. La máxima sensibilidad la presenta
hacia los colores amarillo y verde. Eso significa que, a igualdad de energía, la luz verde se
percibe más intensamente que cualquier otra. Si se representa graficamente esta sensibilidad
relativa del ojo se puede ver gáficamente que sigue una distribución como la de la figua. La
gradación de intensidad con que el ojo percibirá el color, sacada de este gráfico es la siguiente:
amarillo, verde, cian, naranja, azul, rojo y violeta.
La percepción de la luminancia de un determinado color es la consecuencia de estos dos
fenómenos
Para entender mejor lo que representa la luminancia, pensaremos por ejemplo en el caso de
una fotografía en blanco y negro. No es necesario decir que cuando en el lenguaje corriente
decimos blanco y negro nos referimos a una gradación de grises entre el blanco y el negro. Así
pues se trata en realidad de una fotografía en tonos grises. Hay que entender entonces como
se genera el “color” gris a partir de los tres componentes de los colores : tono, saturación y
luminancia.
El gris es una mezcla equitativa de todos los colores y por tanto lo que caracteriza su
saturación es 0. Manteniendo eso, para generarlo podemos partir inicialmente de cualquier
tono pues eso no influirá en el gris resultante. Sólo en en caso que aumentáramos la
saturación comenzaría a verse el tono dominante. En estas condiciones (0% de saturación),
con un brillo máximo de 100%, tendremos el blanco y con una mínima del 0% tendremos el
negro con todos los niveles de grises en medio. Todas estas caracerísiticas del color gris
quedan determinadas pues exclusivamente por su luminancia.
Cuando se hace una fotografía con película en blanco y negro los diversos colores se
convierten en grises diferentes. Unos son más oscuros que otros: lo único que los distingue es
la luminancia. Es el mismo caso del cine o la televisión en blanco y negro: para definir un nivel
de gris es suficiente con su luminancia. Veremos en el caso de este último medio las
implicaciones que eso tiene en la electrónica que lo sustenta.
De pasada podemos reflexionar sobre el hecho de que aunque la fotografía, el cine o la
televisión representen a veces la realidad en blanco y negro, todos nosotros somos
perfectamente capaces de reconocerla de manera automática y aparentemente instintiva.
Ya antes de inventarse la fotografía la gente estaba acostumbrada a representaciones de la
realidad en blanco y negro, como por ejemplo los grabados. Esto nos demuestra, que la
imagen representa la realidad de una manera convencional, socialmente aceptable.
Diagrama cromático
Es un intento, entre muchos otros, de cuantificar sensaciones de color para facilitar su estudio.
Cuando la luz incide en un cuerpo, su energía se divide en un máximo de tres partes: una parte
es reflejada, otra es absorvida y, si el cuerpo es transparente o translúcido, otra es transmitida.
La importancia relativa de las tres partes depende tanto del cuerpo como de la longitud de onda
de la luz incidente. La responsable del color aparente es evidentemente la parte reflejada. Si la
superficie del cuerpo no está pulimentada, esta reflexión se produce igualmente en todas las
direccciones y se llama luz difusa. Se llama poder difusor de una superficie a la fracción de luz
incidente que es difusa. Igualemente se definen los poderes absorvente y trasmisor.
Si hacemos la experiencia en una aparato llamado colorímetro de mezclar luces de colores
sobreponiendo sobre una pantalla perfectamente difusora haces de luz procedente de tres
proyectores de colores diversos como por ejemplo azul, verde y rojo, observamos que
cambiando su intensidad vamos obteniendo colores diferentes. También se observa que el
sentido de la vista es incapaz, a partir únicamente del color resultante, de distinguir cuales han
sido los tres colores que la han formado. Eso no pasa con el oido humano ques en principio
19
capaz de separar y apreciar las notas que intervienen en un sonido compuesto.
También se observa qiue hay colores que no se pueden obtener mediante la mezcla de los tres
proyectores. Pero , en cambio, sí se pueden hacer restando. Eso significa que si se mezcla el
color incógnita que se quiere conseguir con uno de los otros tres y se van cambiando las
intensidades de los otros dos al final se consigue igualarlos. Para conseguir que todos los
solores puedan conseguirse como una suma de otros tres será necesario introducir tres colores
básicos ideales a, b, c, que no existen en la realidad sino sólo matemáticamente pero si
pueden generar teóricamente cualquier color real.
El diagrama cromático, introducido experimentalmente y estadísticamente por el CIE (Comisión
Internationale de Eclaierage) en 1931, es una forma muy clarificadora de representar los
colores en un plano. Se hacer servir unas coordenadas x, y basadas en los colores imaginarios
a, b, c. Entonces los colores reales se representan por puntos de este plano. El resultado es el
diagrama cromático que se ve en la figura. Los colores espectrales puros se unen mediante un
curva semejante a una parábola. Cerrándola por debajo con una recta queda dentro una zona
del plano que representa todos los colores reales posibles. El punto L corresponde a la luz
blanca. La proporción exacta para obtener la luz blanca a partir de los tres fundamentesles de
los lados es de un 59% verde, un 30% de rojo y un 11% de azul. L= 0,59G +0,30R+0,11%B.
Como veremos más adelante, eso se hará servir para definir la señal de luminancia de vídeo.
Una propiedad muy importante del diagrama cromático es la manera que proporciona de
visualizar gráfivamente la suma de colores. Si se suman dos colores A y B el resultadoserá un
color situado sonre el segmento AB y más cerca del color que tenga más intensidad en la
mezcla. Añadiendo un tercer color C se podrá obtener un nuevo color como por ejemplo el
representado por el punto M. Está claro que mezclando los solores A; B; y C sólo se podrán
conseguir los colores interiores del triángulo ABC.
Para obtener un color de fuera, como por ejemplo el punto M se puede añadir A con este M,
hasta obtener un punto del segmento BC. Esto significa que se pueden encontrar
proporciones de colores de manera que, expresando la igualdad prescindiendo de los valores
cuantitativos de cada color:
(M )+(A) = (B) +(C) y por tanto
(M )= (B)+ (C)- (A)
es decir que tiene sentido hablar, como habíamos hecho antes, de el resto de colores. Eso
significa que, con sumas y restas de colores sí se puede obtener cualquier color a partir de tres
primarios. A partir de lo que acabamos de ver en el diagrama es evidente que como primarios
se pueden escoger tres cualesquiera que no estén alineados, pues en este caso no formarían
un triángulo de verdad. Dicho de otra manera, los tres primarios han de tener la propiedad de
que ninguno de ellos no se pueda obtener como suma de los otros dos.
Veremos ahora en el diagrama una manera de caracterizar de manera única todos los colores
reales posibles. Para hacer eso unimos el punto correspondiente al blanco con otro
correspondiente a un color espectral puro
como el punto S. Vemos como los puntos R del segmento LS se pueden obtener como una
mezcla de blanco con el color espestral puro S. La longitud de onda λ fija unívocamente la
posición del color S. Por otra parte, el parámetro p definido como
p= LR/LS
se denomina pureza del color y está claro que su valor está entre 0 y 1. Si vale 1 tenemos el
color espectral puro S. Si p es pequeño tenemos un color pálido, poco saturado, cerca del
blanco. λ y p se llaman coordenadas cromáticas de un color y caracterizan ce manera
unívoca cualquiera de los diagramas de un color, pues un punto cualquiera en el interior de la
zona de colores pertenece a un solo segmento de los que unen L con la curva decolores
espectrales y su separación de L es también unívoca.
20
En relación con lo que hemos visto antes como características cuantitativas del color, en las
coordenadas cromáticas del diagrama cromático da idea cuantitativa de la saturación y
lambda del tono.
Se denomina color complementario de otro a su opuesto respecto al blanco, es decir aquel que
mezclado con el original da como resultado el blanco. Es decir si X es un color y X’ su
complementario:
(X) +(X’) = (L) ==> (X’) = (L) – (X)
El complementario del azul es el amarillo, el del rojo es el cian y el del verde es el magenta. En
el diagrama cromático los colores complementarios ocupan puntos opuestos en una recta que
pasa por L.
Simplificando, es decir prescindindo de las proporciones reales en se puede expresar:
Amarillo= Blanco – Azul = Azul’
Cian= Blanco – Verde = Verde’
Magenta = Blanco –Verde = Verde’
Composición aditiva de colores
Es la que hemos estado considerando hasta ahora cuando tratabamos de la luz de tres
proyectores de colores. Se mezclan directamente en el ojo luces de diversos colores. Si los
rayos de luz son pequeños y muy cercanos el ojo no los distinguirá separadamente sino que
hará una mezcla que podrá dar cualquier otro color en función de las intensidades de cada uno
de los componentes. En este principio se basa por ejemplo la pintura puntillista: si el
espectador se encuentra bastante lejos no percibe las pinceladas individuales sino su mezcla.
La televisión en color hace servir un proceso semejante, mezclando en el tubo una cantidad
enorme de minúsculos puntitos de color.
Observando el diagrama cromático se ve que los primarios aditivos más adecuados son
algunos colores en las zonas del rojo, verde y el azul, pues el triángulo que rodean tiene la
superficie más grande posible y por tanto cubre la mayor parte de los colores reales.
En la figura se ven posiciones en el diagrama cromático de los colores primarios en los
sistemas de televisión americana (NTSC) y europea (PAL). También se ven las zonas del
diagrama que ocupan algunos objetos más comunes en las imágenes televisivas como por
ejemplo la piel, el cielo,la tierra o los árboles: son perfectamente restituibles a partir de una
codificación RGB. Pero es interesante saber que no todos los colores reales pueden
representarse de esta manera.
A partir de la forma “triangular” del diagrama cromático se ve que combinando dos colores
primarios obtenemos el complementario del tercer. Así pues, con rojo y azul se obtiene
magenta, con azul y verde se obtiene cian y con verde y rojo se obtiene amarillo.
Simplificando como antes podemos expresar estas sumas:
Rojo + Azul= Magenta
Azul + Verde = Cian
Verde + Rojo = Amarillo
Composiciones sustractivas
Es la que se da, por ejemplo, cuando sobre una superficie blanca, que por tanto refleja todos
los colores, se van poniendo capas de pigmentos (pintura, emulsiones, etc.). Cada capa es un
21
filtro que absorve unas longitudes de onda y deja pasar otras. Las que pasan después de
aplicarle diversas capas dan el color resultante. A diferencia de antes, ahora se trata de una luz
blanca a la que se le van sucesivamente diversos componentes de color. Por eso se denomina
composición sustractiva.
Los colores básicos que se hacen servir para este otro tipo de composiciones son los llamados
primarios sustractivos: magenta, amarillo, cian. Como hemos visto se pueden obtener a partir
de loa primeros adtivos.
Sobreponiendo un filtro amarillo y uno magenta la luz que pasa es roja. Con un filtro amarillo y
uno cian se obtiene un verde. Y con magenta y cian se obtiene azul. Es decir:
Amarillo + Magenta = Rojo
Amarillo + Cian = Verde
Magenta + Cian = Azul
Cualquier otro color se puede obtener cambiando la intensidad de los filtros básicos. A veces
puede ser necesario añadir algún pigmento negro para obtener un color con más exactitud.
Esta mezcla sustractiva es la que hace servir normalmente la pintura: añadir capas de pintura
de gruesos diversos no es otra cosa que colocar filtros de colores de diversa intensidad al paso
de la luz. También se hace servir en los procedimientos modernos de revelado de fotografía y
cine en colores.
Las teorías clásicas del color son sustractivas porque provienen de la
experiencia de muchos siglos en la pintura. Las teorías aditivas proceden de la experiencia
científica en física y fisiología.
Para recordar estas sumas dde color se puede hacer servir la figura siguiente.
Para ver en la práctica muchos de los conceptos que hemos visto de teoría del color es una
buena idea trabajar con programas de ordenador de dibujo que permiten modificar la paleta de
colores actuando alternativamente sobre tono, saturación y luminancia o sobre verde, rojo y
azul. Así se puede ver como cambia el color cuando se modifican sus características. Se
pueden plantear diversos ejercicios: por ejemplo, ver que aumentar la luminancia de un color
equivale a aumentar, en las proporciones idénticas¸sus componentes RGB; o ver como al
cambiar la saturación se van obteniendo colores del mismo tono pero más o menos
blanquecinos; o ver que si ponemos la saturación al máximo y modificamos la luminancia
obtendremos todos los grises entre el blanco y el negro, sea cual sea el tono de base, y
comprobar que las composiciones RGB serán las tres iguales pero más grandes, por tanto más
luminosas y energéticas cuanto más claro sea el gris. Etc.,etc.
Temperatura de color. Radicación del cuerpo negro
Como hemos dicho antes, si la luz que ilumina una superficie no es blanca, su color aparente
cambiará. El sistema visual esta preparado para procesar cambios bastante amplios en la
composición de la luz incidente, de manera que un objeto nos parece del mismo color con luz
de día o con una iluminación artificial no demasiado extremada (bombillas, fluorescentes, etc.).
Ahora bien, los aparatos de grabación de imagen, fotográficos o electrónicos, no tienen esta
maravillosa adaptabilidad del cerebro humano y, si no se controla la calidad cromática de la luz
incidente, los resultados pueden ser desastrosos. La temperatura de color proporciona una
manera objetiva de evaluar la composición de colores de una determinada luz.
El calor se puede transmitir de tres formas completamente diferentes: por conducción,
por convección y por radiación.
El calor se propaga por conducción cuando hay un contacto directo entre los dos
22
cuerpos (caliente, frio) mediante un material continuo que va adquiriendo temperaturas
intermedias entre los dos que une.
Se propaga por convección , exclusivamente en líquidos y gases, mediante un
movimiento de las partículas de estos desde las partes calientes (partículas con más
energía) a las frias (partículas con menos energía) y al revés.
La transmisión del calor por radiación es la única que actua cuando los cuerpos están
separados por el vacío (pero actúan también en cualquier medio material). Cualquier
cuerpo caliente ( por encima del cero absoluto = -273’15 º C) emite a su alrededor
energía en forma de ondas electromagnéticas.
Se llama radiación térmica o de temperatura de un cuerpo dado a la emisión de ondas
electromagnéticas que se debe a la temperatura que posee. En general, la energía radiactiva
emitida por un cuerpo corresponde a longitudes de onda superiores a las de los rayos rojos
(infrarojos) y son por tanto invisibles al ojo humano. Si la temperatura aumenta ( a partir de un
poco más de 500ºC) se comienza a percibir la radiación térmica en forma de luz.
Por otro lado, es evidente que la cantidad de radiación que absorve un cuerpo depende
extraordinariamente de las características de su superficie. todo el mundo sabe que si estamos
expuestos al sol vestidos de blanco sentimos menos calor que si estamos vestidos de negro.
Eso se debe a que un cuerpo se ve blanco precisamente porque refleja radiaciones de todos
los colores del espectro visible mientras que el negro no refleja prácticamente ninguna y las
absorve todas.
Se denomina cuerpo negro a aquel que tiene la propiedad de absorver integramente todas las
radiaciones que inciden en él, independientemente de su longitud de onda. Ninguna radiación
electromagnética es reflejada por el cuerpo negro. Por tanto todas las radiaciones provinentes
del cuerpo negro serán debidas exclusivamnete a su temperatura. Por eso es un instrumento
idóneo para estudiar las relaciones entre las características de la radiación electromagnética y
la temperatura del cuerpo que las produce.
El cuerpo negro es una idealización que no existe en la naturaleza, pero que es muy
adecuado para aproximaciones teóricas al estudio de las radiaciones incluso un cuerpo
ennegrecido con betún absorve prácticamente todas las radiaciones visibles pero refleja de
manera notable los infrarojos. Para hacer experimentos con el cuerpo negro se hace servir
una cavidad con paredes muy absorventes e irregulares. Si se hace un pequeño agujero en
esta cavidad, este se puede considerar como una buena aproximación del cuerpo negro.
Haciendo este estudio de la distribución espectral de la radiación emitida por el cuerpo negro a
diferentes temperaturas se obtiene unas curvas como las de la fig. 30.
Se observa que cuando aumenta la temperatura del cuerpo emisor la cantidad de energía
emitida aumenta y que la radiación dominante, la intensidad máxima, tiene una longitud de
onda más pequeña.
La temperaturas acostumbran a medirse en la escala absoluta o de grados Kelvin, que toma
su origen del 0 absoluto, el punto por debajo del cual ningún cuerpo material puede
enfriarse. Como este punto es en la escala centígrada –273’15ºC se tiene la relación:
T absoluta (ºK) = T centígrada (ºC) + 273’15
o aproximadamente
T absoluta (ºK) = T centígrada (ºC) + 273
Para radiaciones de cuerpos a más temperaturas que antes y limitándonos a las radiaciones
visibles que son las que nos interesan ahora, se tienen distribuciones como las de la figura..
Nuevamente se observa que al aumentar la temperatura disminuye la longitud de onda. Eso
corresponde al hecho que observamos habitualmente de que cuando calentamos un trozo de
23
hierro en la fragua, primero se pone rojo, después pasa a amarillo y cuando está al máximo de
temperatura se ve de un azul blanquecino.
Así pues, lo que se denomina temperatua del color es una manera de caracterizar la energía
de una determinada radiación o luz y sobretodo su composición relativa en diversas longitudes
de onda o colores.
A continuación vemos una lista de las temperaturas de color de diversas iluminaciones
empleadas en fotografía, cine y vídeo.
Todos los fabricantes de sistemas de iluminación indican la temperatura de color de sus
productos. En fotografía y cine, las emulsiones indican también
a qué temperatura de color están equilibradas, es decir para que composición de colores darán
el resultado equilibrado.
En general hay dos tipos de películas en color: las de luz solar y las de iluminación artificial.
Como la temperatura del color de la luz del sol es de unos 5500 ºK, en fotografía se considera
luz blanca o diurna a la que tiene estas características. Las películas de luz diurna están
equilibradas para esta temperatura. Las de luz artificial de tipo A estan previstas para 3400 ºK,
las de tipò b paraa 3200 ºK, que son las temperaturas de color de las dos lámparas artificiales
más habituales. Las películas para luz artificial acostumbran a tener una sensibiliadad mayor
que las de luz solar. Eso hace que algunos cineastas la hagan servir para todo con la
correspondiente corrección a base de filtros.
Si la luz con la que iluminamos el objeto no tiene la temperatura de color que necesita la
emulsión, el resultado saldrá virado hacia un color determinado.
Por ejemplo, si utilizamos una película de luz de día con una iluminación artificial de baja
temperatura de color, el resultado tendrá un tono rojizo a causa del deficit en componentes
azules de la luz artificial respecto la composición para la que la emulsión está equilibrada. Para
corregirlo se puede intercalar un filtro azulado que aumente las componentes azules de lo que
incide en la película.
Por el contrario, para hacer servir película de luz artificial con luz diurna es necesario intercalar
un filtro naranja para potenciar los componentes rojizos de la luz blanca y evitar un resultadfo
excesivamente azulado. En cualquier caso, el resultado de emplear filtros acostumbra a ser
una luz desequilibrada respecto a la situacióm ideal.
En la cámara de video también es necesario ajustar la temperatura de color para equilibrar su
electrónica con el tipo de luz incidente.
Nociones de óptica geométrica
La velocidad de la luz es diferente en medios diferentes, como por ejemplo el aire y el agua.
Eso hace que los rayos se desvíen al cambiar de medio y que, por ejemplo, cuando
introducimos un bastón en el agua lo vemos doblado hacia la perpendicular. Este fenómeno se
denomina refracción y se encuentra en el origen de los instrumentos ópticos y de las lentes
empleadas en fotografía, cine y vídeo.
Las propiedades de estas lentes e instrumentos pueden estudiarse admitiendeo unas pocas
reglas sencillas referentes a la propagación de la luz, sin que sea necesario entrar en detalles
24
sobre su naturaleza. La óptica geométrica estudia estos fenómenos con la intención de
conseguir reglas prácticas para la construcción de instrumentos ópticos.
La óptica geométrica se basa en el concepto de rayo luminoso y en las leyes de la refracción
y la refexión. El concepto de rayo luminosos es la hipótesis de que cualquier rayo de luz está
constituido por rayos luminosos rectilíneos e independientes: la óptica geométrica trabajará
siempre con estos rayos.
Leyes de la reflexión y refracción
Supongamos un rayo de luz que pasa del aire al agua. La experiencia demuestra que una parte es
reflejada hacia el aire y otra hacia el agua y se devía, es decir, se refracta. Eso pasa siempre que
la luz atraviesa la superficie de separación de medios transparentes.Supondremos que estos
medios son homogéneos (las mismas propiedades en cada punto) e isótropos ( las mismas
propiedades en todas las direcciones). Entonces se cumplen las siguientes leyes:
a) Los rayos incidente, reflejado y refractado están en un mismo plano llamado plano de
incidencia.
b) Los ángulos de incidencia y reflexión son iguales.
c) A cada medio transparente, homogéneo e isótropo le corresponde un valor constante n
lamado índice de refracción absoluto de manera que para que la luz que pasa del medio 1,
con
n índice n1 al medio 2, con índice n2 se cumple:
sin i1 / sin i2 = n2 / n1
Dejando de lado los detalles numéricos, la importancia de esta última ley es que la desviación
de la luz cuando pasa de un medio al otro es siempre la misma, para un ángulo determinado, y
sólo depende de las dos constantes características de los medios que son n1 y n2 .
En teoría ondulatoria se demuestra que hay una relación entre la velocidad de la propagación
de la onda y el índice de refracción del medio. Es esta:
n2 / n1 = c1 /c2
Donde c1 y c2 son las velocidades de la luz en los dos medios. Es decir, cuanto más grande es
el índice de refracción, más pequeña es la velocidad de la luz en aquel medio. Al vacío se le
hace corresponder el índice n = 1 y los otros se miden respecto de este. Como la luz tiene la
máxima velocidad en el vacío, el ídice de refracción de cualquier otro medio es superior a la
unidad.
Algunos valores para otros medios son los siguientes:
Aire
Agua
Vidrio de cuarzo
Vidrio flint ligero
Vidrio flint denso
Vidrio crown
Diamante
1,000294
1,33
1,46
1,56
1,75
1,52
2,42
También se demuestra que cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro más refringente, es decir con
un índice de refracción más grande, se aproxima a la normal, a la perpendicular. Eso explica, por ejemplo,
la forma como se ve el bastón introducido dentro del agua. En la figura se ha representado la desviación
de un rayo de luz que entra en un vidrio procedente del aire. Este podría ser el caso de una lente.
Las leyes de la refracción son simétricas respecto a los medios 1 y 2. Eso significa que si intervenimos el camino de
rayo de luz (viene de 2 y entra por 1) las leyes serían las mismas. Por tanto, en óptica geométrica podemos invertir el
camino de los rayos de luz y conservar las mismas leyes.
25
Sistemas ópticos centrados: las lentes
Los sistemas ópticos que se hacen servir en fotografía, cine o vídeo acostumbran a ser una sucesión de
diversos medios refringentes separados por trozos de superficies esféricas o casi esféricas. Por ejemplo, el
caso más sencillo de un sistema óptico constituido por una sola lente son tres medios, aire, vidrio y
nuevamente aire, separados por dos superficies esféricas. Los objetivos de las cámaras son asociaciones
de diversas lentes diferentes. Normalmente estas lentes son suficientemente finas para poder admitir un
tratamiento óptico sencillo.
Una lente está constituida por un medio transparente limitado por dos superficies, una de las cuales, como
mínimo,es aproximadamnete una parte de una esfera. Hay diversos tipos: biconvexas, bicóncavas, planoconvexas, cóncavo-convexas y convexo-cóncavas. Las cóncavo-convexas tiene los extremos más amplios
que el centro; las convexo-cóncavas tienen el centro más grueso.
Características principales de las lentes
Hay diversos conceptos interesantes de las lentes:
El foco F es un punto situado sobre el eje que tiene la propiedad de que los rayos que inciden paralelos en
la lente, como si procedieran del infinito o de un objeto bastante lejano, pasan todos por este punto.
La distancia focal f es la distancia respecto al centro de la lente en que se encuentra el punto F.
Se demuestra que la distancia focal de una lente sólo depende del índice de refracción del vidrio de que
está hecha y de los radios de curvaturea o de sus superficies esféricas. Es por tanto una propiedad del tipo
de vidrio del que esté hecha y de la forma en que esté tallada.
El centro óptico O es un punto, situado normalmente donde uno espera encontrar el centro geométrico de
la lente, que tiene la propiedad de que los rayos que pasan no sufren ninguna desviación.
Dos puntos A y A’ se denominan conjuntados si uno es imagen del otro.
Los puntos principales son dos puntos conjuntados O y O’ situados sobre el eje al cual corresponden un aumento
lateral igual a 1, es decir, la imagen de un objeto situado sobre O tiene la misma medida que el objeto original.
Una lente convergente es aquella en la cual los rayos paralelos del eje, al salir del sistema se juntan y se
cortan realmente en el foco F.
Una lente divergente es aquella en la cual los rayos paralelos al eje, al salir del sitema se separan y no se
cortan en el foco F. Las que se cortan son sus prolonganciones.
El concepto intuitivo de lente convergente es bastante claro si pensamos en el ejemplo de la
hipermitropia, en la cual la imagen se forma detrás de la retina porque los rayos de luz se cortan
demasiado adelante. Para corregirla se coloca una lente convergente delante del ojo y que junta los rayos
y hace que se corten antes, en el punto adeacuado de la retina.
Por el contrario, para entender el efecto de las lentes divergentes podemos pensar en la miopía, en la cual
el ojo es demasiado largo y la imagen se forma delante de la retina. Se corrige con una lente divergente
que separa los rayos y hace que se junten un poco más atrás.
Como las propiedades de las lentes sólo dependen de el material de que estén hechas y de su forma, se
demuestra que cualquier lente biconvexa es convergente y cualquiera bicóncava es divergente.
Potencia de una lente o de un sistema óptico es el valor recíproco de su distancia focal. Si la distancia focal se
expresa en metros la potencia se expresa en diotrías.
Ejemplos. Potencias de diversos objetivos empleados en fotografía por el formato 35mm
“Ojo de pez” f = 6 mm = 0,006 m 1/f 166,7 diotrías
Gran angular típico f= 28mm =0,028m 1/f 35,7 diotrías
26
Normal f=50mm = 0,050m 1/f 20 diotrías
Teleobjetivo típico f: 1000mm = 1m 1/f 1 diotría
El ojo humano considerado como un sistema óptico tiene una potencia de 58 diotrías. Y unas distancias focales
(tiene dos diferentes pues el medio
trasero no es aire) de 1,7cm. y 2,3 cm.
La percepción de los colores
Como habíamos avanzado cuando hablábamos del sistema visual humano, la teoría más antigua y sencilla
sobre la percepción del color dice que hay tres tipos de conos sensibles básicamente (pero no
exclusivamente) a los colores rojo, verde y azul-vileta. La percepción de un color cualquiera sería la suma
de estímulos de los tres tipos de conos, cada uno de los cuales estaría unido por conexiones
independientes con el cortex cerebral.
Esta toería fue formulada por Thomas Young en 1860 y adaptada más tarde por Helmholtz. Más tarde
Hering añadió un cuarto tipo de cono sensible al amarillo. Los descubrimientos actuales demuestran que
las cosas no son tan sencillas y que estas teorías sólo son primeras aproximaciones a procesos mucho más
complejos.
De entrada se ha descubierto todo un conjunto de sustancias fotosensibles asociadas con los conos. Entre
estas se encuentra la iodopsina y todo un conjunto de opsinas. Sus propiedades no se conocen
suficientemente, pero sus diferencias reaccionando a diversas longitudes de onda parecen ser muy
importantes en nuestros procesos de la percepción del color. No obstante esto, parecen poder agruparse
en tres grupos diferentes sensibles al rojo, verde y azul, con lo cual la presencia de tres tipos de bastones
parece justificarse.
Pero las cosas se complican con el conocimiento de la fisiología del cortex cerebral: parece haber seis
tipos de células en las que la estimulación luminosa produce efectos opuestos según las parejas de colores
rojo/verde, azul/amarillo y según la luz/oscuridad. Esto parece dar soporte a la idea de Hering de que es
necesario añadir un cuarto receptor sensible al amarillo.
En el momento actual las teorías más aceptada separan las cosas por niveles combinando las dos
aproximaciones: a nivel del ojo se acepta que hay tres tipos de conosensibles al rojo, verde y azul, pero si
se incorporan los niveles de anatomía y fisiología cerebrales parece necesario acaeptar que hay procesos
significativamente ligados a la radiación amarilla.
Bibliografía empleada en este capítulo.
AUMONT, Jacques. La imagen. Barcelona: Paidós Comunicación, 1992
27
FRISBY; John. Del ojo a la visión. Madrid: Alianza 1987
DE LAURETIS, .HEAT, S. (Comps.) The cinematic Apparatus. Londres: Macmillan,1980
TORRES URGELL, Luis y otros. Sistemas analógicos y digitales de televisión. Barcelona: Edicions de la
Universitat Politècnica de Barcelona, 1994
VIDAL, José Mª. Curso de fisica. Barcelona: Herder , 1969
LUXERAU, François. Principes et techniques. Paris: Editions Dujarric, 1989
AA.DD. Mocrosoft Encarte Multimedia Encyclopedia. Redmont (USA): Microsoft Corporation, 1994
DE GRANDIS, Luigiona. Teoría y uso del color. Madrid: Cátedra, 1985
BETHENCOURT MACHADO, Tomás. Sistemas de televisión. Clásicos y avanzados. Madrid:
Depertamento de Publicaciones . Centro de formación RTVE, 1991
ITTEN, Johannes. The elements of color. New York: Van Nostrand Reinhold, 1970.
La mayoría de ilustraciones son adaptaciones de los originales de esta bibliografía.
28