Física del color

Capítulo 6: Física del color
Ingeniero Técnico de Telecomunicación. Esp. Sonido e Imagen. 1er Curso.
Fundamentos Físicos de la Ingeniería.
Profesores responsables: Begoña Hernández Salueña, Carlos Sáenz Gamasa
(Dpto de Física)
Dispersión de la luz por un
prisma
Capítulo 6: Física del color
1.- Apariencia de color
2.- Principios de colorimetría
3.- Medida del color
4.- Reproducción del color
Objetivos del capítulo:
•
Conocer los atributos principales de color
•
Dar una introducción a los principios de la colorimetría
•
Conocer algunos de los principales sistemas de ordenación del color
•
Conocer algunas nociones básicas de reproducción del color
•
Conocer la diferencia entre mezclas aditivas y sustractivas
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Capítulo 6: Física del color
1.- Apariencia de color
La percepción del color es uno de los mecanismos fundamentales por los que
conocemos el mundo que nos rodea.
El color es un atributo de la percepción y por lo tanto su
interpretación es subjetiva. Incluso si estamos mirando al mismo
objeto, diferentes personas describirán de diferente manera la
sensación de color que les produce ese objeto. La percepción del
color implica una serie de aspectos que son interdisciplinares, incluye
una fuente de luz, un objeto iluminado por esa fuente y un ojo y un
cerebro que perciban el color, el color del objeto dependerá por lo
tanto de las propiedades de la fuente de luz, caracterizada por la
energía radiada en las diferentes longitudes de onda, de las del objeto,
de su capacidad para absorber transmitir o reflejar la luz, y del
observador.
Atributos perceptivos del color
Debido a la trivarianza visual nos basta con tres parámetros o atributos para describir un
color. Si se trata de una luz directa, estos atributos suelen ser luminosidad, tono y saturación,
cuando se trata del color de objetos opacos o transparentes se denominan: claridad, tono y
croma
La claridad o luminosidad se refiere a la cantidad de luz. Los cuerpos cuyo único
atributo es la claridad presentan un color gris y se denominan acromáticos.
El tono es el atributo por el cual podemos decir que se trata de un color rojo, verde,
azul etc y lo relacionamos con la longitud de onda dominante.
La saturación o croma es una propiedad inversa a la proporción de blanco, da idea de
la pureza de un color. El máximo de saturación lo tienen los colores espectrales puros.
2.- Principios de colorimetría
Cuando el número de materiales disponibles era todavía pequeño resultaba fácil designar
su color haciendo referencia a su origen. A medida que el número de pigmentos y
colorantes ha ido aumentando y proliferando su uso en la industria se ha hecho necesario
un método mas operativo de especificación del color.
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Capítulo 6: Física del color
La colorimetría es la ciencia que se encarga de la medida del color.
El objetivo de la colorimetría es introducir un método de medida del color que permita
asignar una magnitud medible a cada uno de los atributos perceptivos y además
determinar el color mediante números que permitan su especificación en un espacio de
representación.
El color debe estar definido explícitamente en términos de un conjunto de operaciones
físicas. La institución que se encarga de dar las directrices para la correcta especificación del
color es la C.I.E. (Commission Internationale de l’Eclairage)
Observador patrón
Ya hemos visto que todos no percibimos el color de la misma manera, por ello la CIE se
vio en la necesidad de definir un observador estándar promediando las respuestas
obtenidas por un gran número de observadores. El procedimiento consiste en reproducir
un color combinando la luz de tres primarios en proporciones adecuadas. El observador
mira en un instrumento óptico cuyo campo de visión esta dividido en dos partes, una parte
se ilumina con el color que se quiere reproducir y la otra con tres primarios. Sólo una
combinación de los tres colores iguala al color del otro lado que puede ser especificado por
la cantidad de cada uno de los primarios que forma la combinación correcta..
Por ejemplo: se eligen como
primarios 650, 530 y 460 nm y se
intenta igualar con ellos cada longitud
de onda del espectro visible,
comenzamos por 400 nm y seguimos
con 410, 420 etc. La cantidad de cada
primario que necesitamos para igualar el
campo de visión le llamaremos valor
triestímulo,
de
esta
manera
obtendremos tres valores triestímulo.
2,00
1,50
1,00
A veces puede ser imposible igualar
0,50
los dos lados combinando los tres
primarios en un lado, la única forma de
0,00
conseguir la igualación es poniendo uno
400
450
500
550
600
650
700
de los primarios sobre el otro lado del
Lo ng it ud de o nd a (n m )
campo, es decir, junto a la longitud de
onda que se quiere igualar. En este caso
la cantidad del primario que se desvía al otro lado produce un valor triestímulo negativo.
No existe ningún conjunto de primarios que pueda igualar todos los colores del espectro,
siempre encontraremos por lo tanto valores negativos. Para evitar esto se hace una
transformación lineal para que todos los valores triestímulos sean positivos, aunque ahora
los primarios no son reales, de cara a los cálculos matemáticos resulta más cómodo. La CIE
definió los valores triestímulos para un observador con un campo de 2o y 10º, se suelen
denominar x y z (observador patrón) y x10 y10 z10 (observador suplementario)
respectivamente. Las principales diferencias entre ellos se encuentran en la zona de las
longitudes de onda cortas, donde la sensibilidad es mayor para el segundo.
Además de especificar los colores mediante números, necesitamos también
representarlos gráficamente. Al ser el color una magnitud tridimensional esta
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Capítulo 6: Física del color
representación no es sencilla, se suele optar por representarlo bidimensionalmente
asignando la claridad a un eje perpendicular a la representación.
Existen diferentes sistemas de representación, aquí vamos a comentar los más utilizados.
Sistema CIE 1931 x y Y
Este sistema tiene dos coordenadas cromáticas x e y, y una de claridad, Y. Los colores
espectrales se encuentran situados en el exterior, en el llamado lugar del espectro. Este
sistema ha sido bastante desplazado por otros debido a su falta de uniformidad, pero tiene
una gran importancia histórica y aun se utiliza en numerosas aplicaciones. Lo vamos a
utilizar para describir algunos conceptos fundamentales.
Cálculo de las coordenadas CIE x y Y
Existen diversas formas de calcular estas
coordenadas de color, la forma general de obtenerlas
es multiplicando la reflectancia espectral de la muestra
por el flujo radiante del iluminante para esa longitud
de onda y por el valor triestímulo correspondiente y
sumando las contribuciones de todas las longitudes de
onda del espectro visible. (Si en lugar de objetos
coloreados se trata de luces, multiplicaremos solo el
flujo radiante por el valor triestímulo). En general
esto suele hacerse dividiendo el espectro en intervalos
∆λ de 5 o 10 nm.
X=
780
∑ S λ ⋅ Rλ ⋅ x ⋅ ∆λ
380
Y=
Z=
780
∑ S λ ⋅ Rλ ⋅ y ⋅ ∆λ
Sλ cantidad de energía del iluminante para una
longitud de onda determinada.
380
Rλ reflectancia de la muestra
780
x , y , z valores triestímulos
∑ S λ ⋅ Rλ ⋅ y ⋅ ∆λ
380
x = X/(X+Y+Z), y = Y / (X+Y+Z), z = Z / (X+Y+Z), x+y+z=1
- Tolerancias de color. Cuando en el diagrama cromático nos apartamos del punto
representativo de un color, tenemos un nuevo color.
Cuando la variación es muy pequeña el ojo no aprecia la
diferencia. Existe una diferencia mínima perceptible,
(tolerancia) que es distinta según la dirección.
Sistema CIE 1976 L*a* b*
Este sistema también tiene dos coordenadas
colorimétricas en dos ejes perpendiculares y una de
claridad en un eje blanco negro que pasa por el centro de
los otros dos. Pero aquí las coordenadas colorimétricas ya
tienen un significado, el eje a* es el eje rojo-verde y el b*,
el amarillo-azul. La saturación es proporcional a la
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Capítulo 6: Física del color
distancia al centro y el tono al ángulo formado con el eje a*. Este sistema nació de la
necesidad de una representación más uniforme. Los parámetros L* a* b* correspondientes
a un color se definen a partir de las coordenadas X, Y, Z del sistema CIE1931 y de los
correspondientes del iluminante utilizado Xi, Yi, Zi por las siguientes relaciones empíricas.
L* = 116
(Y Y i)
⎡
a * = 500⎢
⎢
⎣
(X
⎡
b* = 200⎢
⎢
⎣
1
3 − 16
X i)
1
3−
1
3−
1⎤
3⎥
(Y Y i) ⎥
⎦
1⎤
3⎥
(Y Y i) (Z Z i) ⎥
⎦
aplicables siempre que X/Xi, Y/Yi, Z/Zi > 0.01
La diferencia de color ∆E* entre dos colores de coordenadas (L* a* b*)1 y (L* a* b*)2, se
define por la relación:
∆E*=((L2*-L1*)2+(a2*-a1*)2+(b2*-b1*)2)1/2
Sistema Munsell
Es una ordenación fisiológica de colores basada en una escala
de tono de 100 divisiones, una escala de saturación de 10 y una
escala de intensidad. Se usa para propósitos de comparación y no
tiene ninguna equivalencia sencilla con los otros sistemas. Está
basado en una división de igual percepción de pequeñas
diferencias de color, es una especie de álbum en el cual en cada
hoja se representa un mismo tono que difiere en claridad y
saturación. Las coordenadas se denominan Hue Value y
Chroma.
3.- Medida del color
La especificación precisa y sin ambigüedades de un color, así como la determinación de
los rangos de tolerancia del mismo es muy importante en el ámbito industrial, tanto desde
el punto de vista de caracterización de productos como de control de calidad.
La valoración del color de un producto se puede hacer de una manera visual,
comparando el color con algún patrón como por ejemplo los del sistema Munsell o
instrumental, determinando las coordenadas colorimétricas en algún sistema de
representación, mediante la medida de la cantidad de luz emitida, reflejada o transmitida
por el producto en cuestión en las diferentes longitudes de onda del espectro visible.
Instrumentos para la medida del color
Espectrofotómetros
Es un dispositivo complejo, la luz que penetra en el reflejada por el objeto es dispersada
por un prisma o una red de difracción, de tal manera que se puede medir la reflectancia de
la muestra en un cierto rango de longitudes de onda. Este tipo de aparatos además de
medir el espectro de reflectancia calcula a partir de el las coordenadas de color en diferentes
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Capítulo 6: Física del color
sistemas de representación y con diferentes iluminantes. Existen una gran variedad de
modelos en el mercado que permiten realizar las medidas, bien en contacto con la muestra
o a distancia.
Colorímetros
Es un aparato más sencillo y por lo tanto más barato que el anterior. Emplea tres filtros
para simular la respuesta del ojo humano, dando los valores triestímulos, a partir de los
cuales calcula las coordenadas de color. Los resultados son menos precisos que en los
espectrofotómetros y dependen de la calibración de una forma muy crítica.
4.-Reproducción del color
La reproducción de un color se puede efectuar de forma aditiva (monitores) o de forma
sustractiva (impresoras). Para entender mejor estos procesos vamos a ver en primer lugar
las diferentes características de las mezclas de color aditivas y sustractivas.
Mezclas de color
El resultado que se obtiene al mezclar luces coloreadas es muy diferente al obtenido en
una mezcla de pigmentos. En el primer caso hablaremos de mezclas aditivas y en el
segundo de mezclas sustractivas.
Mezcla sustractiva
Mezcla aditiva
Mezclas de color aditivas
Este es el tipo de mezcla que se obtiene superponiendo en una pantalla blanca luces de
dos o más colores. Otro procedimiento equivalente es proyectar estas luces en rápida
sucesión de tal manera que sean combinadas por el ojo en un color único. Con materiales
opacos, como por ejemplo papeles coloreados, también se pueden conseguir mezclas
aditivas, cortando el papel de tal manera que formen sectores de un disco circular, y
haciendo girar este. Cambiando el color o las proporciones de cada sector se consiguen
diferentes colores. Este dispositivo se denomina disco de Maxwell.
Aprovechando el límite del poder resolutivo del ojo, se puede igualmente conseguir otro
tipo de mezcla aditiva, los colores se formarían por la superposición de puntos de
diferentes colores que el ojo es incapaz de ver como puntos aislados, como por ejemplo en
un monitor de televisión. Estos puntos se hacen fácilmente visibles si utilizamos una lupa.
Mezclas de color sustractivas
Este es el tipo de mezcla se produce cuando la luz pasa a través de dos o más materiales
selectivamente absorbentes.
Si estos materiales son homogéneos, como dos piezas de vidrio o dos líquidos claros y
son colocados uno a continuación del otro, la transmitancia a cualquier longitud de onda es
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Capítulo 6: Física del color
el producto de las transmitancias individuales. Estas simples leyes no son aplicables al
cálculo de reflectancias espectrales de mezclas de materiales opacos, semiopacos, pinturas y
otros materiales pigmentados. Estos materiales generalmente están formados por un medio
transparente con partículas en suspensión, por lo que aparte de la absorción de la luz se
produce una dispersión de la misma en el interior del material. En este caso ya no existen
reglas sencillas para calcular el resultado de la mezcla, sino algunos procedimientos
aproximados válidos para casos concretos. Este tipo de mezclas se denominan mezclas
sustractivas complejas, mientras que las primeras se denominan mezclas sustractivas
simples.
Método aditivo de reproducción del color
Los colores primarios adecuados para obtener el mayor número de colores por mezcla
aditiva son el rojo (R) el verde (G) y el azul (B).
Un dispositivo típico que utiliza estas mezclas de color es la televisión. En un monitor,
cada punto de la imagen es en realidad tres, Uno rojo que reproduce la imagen emitida
por el canal R, otro verde que reproduce la imagen del canal G y otro azul que hace lo
propio con el canal B. De esta forma se obtiene por síntesis aditiva la reproducción
cromática de cada uno de los puntos de la imagen.
En cualquier proceso de reproducción podemos optar por reproducir un color lo más
fielmente posible desde el punto de vista colorimétrico o por el contrario, conseguir una
reproducción que aunque inexacta colorimétricamente hablando, resulte más adecuada para
las condiciones de visión utilizada. Este segundo caso es el más corriente, ya que la
apariencia de un color es diferente según el tamaño de la escena, por ello para tener la
misma sensación cromática los colores reproducidos en una pequeña escena deberán ser
más saturados que los de la escena natural. Además normalmente no podemos ver a la vez
el original y la reproducción para compararlos por lo cual la exactitud de la reproducción
no tiene tanta importancia. El ojo humano tiene una gran capacidad para discriminar
colores pero una memoria de color muy pobre.
La elección de R,G y B, vendrá determinada por el tipo de filtro, fósforo, fotodiodo etc,
que se pueda utilizar. Los primarios formarán en el diagrama cromático un triángulo que
comprenderá en su interior todos los colores reproducibles. Estos deberán estar
suficientemente alejados unos de otros para abarcar más colores y deberán también
contener el blanco en su interior, además de asegurarse que los colores más habituales en la
naturaleza van a poder quedar bien representados.
En la tabla se muestran las coordenadas cromáticas de los primarios y el blanco utilizados en
el sistema de televisión PAL
Color
Coordenadas cromáticas
x
y
z
Rojo
0,64
0,33
0,03
Verde
0,29
0,60
0,11
Azul
0,15
0,06
0,79
Blanco
0,3127
0,3290
0,3583
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Capítulo 6: Física del color
Método sustractivo de reproducción del color
En el proceso sustractivo de reproducción del color se utilizan tres pigmentos o colorantes
denominados cyan, amarillo y magenta, que son los óptimos para mezclas sustractivas y
son los comúnmente utilizados por impresoras y fotocopiadoras en color.
Para obtener estos primarios a partir de los primarios aditivos las combinaciones serían las
siguientes
Cyan = azul + verde (sin rojo)
Amarillo = verde + rojo (sin azul)
Magenta= rojo + azul (sin verde)
En este caso cada uno de los pigmentos absorbe luz y la representación de los colores
reproducibles en el diagrama de color es más complicada que en el caso anterior.
En la figura puede verse dentro del diagrama CIELAB el rango de colores imprimibles en
dos impresoras para el máximo de saturación.
100
+b
*
Colore s imprimible s
CIE L* a* b*
50
- a*
0
-100
- 50
0
50
-50
-b*
-100
8
+a
*
100
IMPRESORA 5
TINTA S
IMPRESORA 3
TINTA S