COLORIMETRIA PARA TELEVISION
La
colorimetría es la ciencia que trata la medida de los colores. En
particular, para televisión, especifica
la proporción de 3 colores primarios necesaria para reproducir un color
determinado. Para conseguir esto se recurre a un aparato llamado colorimetro,
con el cual, mediante medios
fotoeléctricos o de apreciación visual se busca reproducir el color bajo estudio. Las fuentes de
energía lumínica necesarias son 3 focos correspondientes a sendos colores
primarios antes mencionados. Las potencias
de estos focos se regulan a la vez que se superponen los 3 haces sobre
una pantalla blanca. El objetivo es repetir el color que se toma como referencia.
LUZ Y RADIACION ELECTROMAGNETICA
Las ondas
electromagnéticas se propagan por el espacio a la velocidad de la luz, unos
300000Km/s. Parte del espectro electromagnético, la gama que va desde los 3.8
1014 Hz hasta los 7.8 1014 Hz, excitan la retina del ojo
produciendo sensaciones de color y brillo.
La luz solar (luz blanca) esta formada por todo el
conjunto de radiaciones visibles monocromáticas que estimulan el ojo
humano generando una sensación de luminosidad exenta de color. Se entiende por
radiación monocromática a cada una de las posibles componentes de la luz,
correspondientes a cada frecuencia ( o longitud de onda) del espectro electromagnético.
Considérese el
siguiente experimento: hacer incidir un rayo de luz blanca que atraviesa un prisma sobre una superficie blanca. Como la luz esta compuesta
por diferentes frecuencias, y el ángulo de refracción
aumenta con la frecuencia de la onda, el resultado obtenido sobre la
pared blanca es la descomposición de la luz blanca en un conjunto de tonalidades.
Este experimento fue realizado por Isaac Newton, y cada tonalidad obtenida de
esta manera es referida como componente espectral de la luz. De esta
manera es común hablar de frecuencia o longitud de onda de un determinado tono
(aquí, no es conveniente usar la palabra ¨ color ¨ ).
La relación
entre longitud de onda ( l ) y frecuencia ( f ) de la radiación monocromática , correspondiente a una componente
espectral, viene dada por:
l.f
= c
Donde c
es la velocidad de la luz, 300000 Km/s, aproximadamente.
El siguiente
grafico muestra las escalas comparativas de frecuencia y longitud de onda del
espectro visible. Notar que a medida que aumenta la frecuencia, la longitud de
onda disminuye, y viceversa. Esto es así porque la relación entre ambas es
inversamente proporcional (la velocidad de la luz no varia en un mismo medio).
Por ejemplo, se puede apreciar que para un tono rojo, el valor de frecuencia es
de los más pequeños dentro de la
gama visible (aproximadamente 4.1014HZ), pero la longitud de onda de
ese mismo rojo, es de las mayores en magnitud (unos 700nm)
En el grafico
anterior, se han destacado especialmente las zonas donde se encuentra aquellas
tonalidades que consideramos importantes: la zona de rojos hacia la izquierda y
la de azules hacia la derecha. En el centro se ubican tonalidades verdes.
A continuación
se puede ver un grafico con las distintas tonalidades o componentes
espectrales, que va desde las menores frecuencias (rojos) a mayores frecuencias
(violetas) Por debajo y encima de esta franja se encuentran las gamas del infrarrojo
y del ultravioleta, respectivamente, las cuales no son visibles al ojo.
En el grafico del espectro se puede notar
como entre el rojo y el verde se ubican tonos naranjas y amarillos. Lo propio ocurre entre el verde y
el azul, donde se ubican tonalidades
verdes-azuladas (ciano es el nombre técnico).
La comisión Internacional del color (CIE, siglas del
francés), data desde principios del siglo 20 y es el organismo mundial que
estudia todo lo concerniente al color y
como el ojo es afectado por este.
EL COLOR Y LA
FISIOLOGÍA OCULAR
Los estudios sobre el sistema visual humano, establecen que en el ojo existen unas células llamadas conos que
reaccionan frente al color. Estas células se presentan en 3 tipos diferentes:
un tipo de conos reaccionan frente a longitudes de onda de la gama central del
espectro (verdes), un segundo grupo de conos reaccionan ante la gama de tonos
rojos, y un tercer tipo de conos, son
especialmente excitados por la banda de tonos azules.
Esta es la razón principal para que en televisión se
hayan elegidos como colores primarios el rojo ( R ) ,el verde ( G ) y el azul ( B ). Bien se podría
haber seleccionado
otra terna, pero es muy importante
aprovechar esta característica fisiológica del ojo.
CURVA DE VISIBILIDAD RELATIVA
No todos los
colores tienen la misma luminosidad, a igualdad de potencia en luces de
distintos colores, no presentan estas el mismo brillo. Por ejemplo, un
color amarillo generado por una fuente
lumínica de 100 watts presenta al ojo
una sensación de brillo mucho mayor que un color azul generado por otra fuente
lumínica de igual potencia. Es decir, a pesar de que ambas fuentes luminosas
tienen igual energía, la luz amarilla presenta una sensación de brillo
considerablemente mayor que la luz azul.
Partiendo de
este hecho, la CIE construyo una curva universal que representa la luminancia relativa respecto de cada radiación
visible monocromática.
El máximo de
esta curva se encuentra en los 555 nm (color verde amarillo) y los mínimos en
los limites de la visión humana, por debajo 400nm y arriba de 700nm, o sea en
las regiones que tienden al espectro ultravioleta y al infrarrojo (radiaciones
no visibles para el ojo humano).
Existen tres
longitudes de onda de gran importancia en esta curva, que son las de 470nm,
535nm y 610nm correspondientes a tonalidades azul verde y roja respectivamente.
Para la
construcción de esta curva, se calcula la potencia Pl para cada l, luego se
obtiene la inversa 1/Pl y finalmente se hace un cambio de
ordenadas y se asigna al máximo el valor 1.
En caso de
iluminación crepuscular, la curva mantiene su forma pero se corre el máximo
hacia los 500 nm.
TEORIA DE LOS 3 COLORES Y MEZCLA ADITIVA
Se llama tricromia
al procedimiento por el cual se puede atribuir 3 coeficientes a cada mezcla de
3 colores primarios, y de esta manera obtener cualquiera de los restantes
colores.
La teoría en
cuestión establece que se pueden reproducir los colores espectrales a partir de
3 de ellos, si estos cumplen la condición de ser primarios. Un color (del
conjunto de 3) es primario si no puede ser obtenido por mezcla de los
otros 2.
Los colores
primarios elegidos son rojo, verde y azul. Se deduce que 2 de ellos se
encuentran próximos a los extremos del
espectro visible y el restante en el centro del mismo.
Existen 2
métodos de mezcla de colores bien diferenciados:
·
Mezcla aditiva (cumple el principio de superposición)
·
Mezcla
sustractiva (también
llamada multiplicativa, a veces)
La mezcla
aditiva, como el caso de superposición
de luminarias sobre una misma pantalla, es el método utilizado en TV
color para la reproducción de las imágenes coloreadas.
La mezcla
sustractiva se suele utilizar en la técnica de
mezcla de pinturas donde un pigmento actúa como filtro de un determinado
color y no vale el principio de superposición.
El grafico
anterior muestra el principio de mezcla aditiva de colores, que es
el fundamento de la técnica de
televisión color. Por ejemplo, para generar un color amarillo en una pantalla
de televisión, se prenden simultáneamente los fósforos verde y rojo, mientras
que el fósforo azul se mantiene apagado.
En casos de representación de colores con
otros dispositivos (oleos en pinturas, tintas en impresoras, etc) dependerá de
las características de cada caso, si la mezcla de colores se podrá considerar
aditiva o sustractiva.
COLORES DE UN OBJETO
El color de
una fuente de luz es el correspondiente a la longitud o longitudes de onda
que radia
El color de
un objeto (no radiante) dependerá de la radiación visible que este absorbe
o refleje hacia el ojo humano. También dependerá de la intensidad de luz con
que se ilumine, del fondo de imagen y otros tantos factores.
Entonces se
puede hacer la siguiente clasificación:
:
¨
Objeto
incoloro: el que
transmite todas las radiaciones que recibe.
¨
Objeto blanco: el que difunde omnidirrecionalmente y
sin absorción todas las radiaciones que recibe.
¨
Objeto negro: el que absorbe todas las radiaciones
incidentes.
¨
Objeto gris: el que difunde o transmite
parcialmente y por igual todas las radiaciones incidentes.
¨
Objeto
coloreado: todo objeto
que no es blanco ni negro ni gris. Por ejemplo un objeto es rojo si al ser
iluminado con luz blanca difunde el color rojo y absorbe las demás componentes
de radiación.
COLORES COMPLEMENTARIOS
Se llaman colores
complementarios a las parejas de colores que por mezcla aditiva dan el
blanco. También se obtiene blanco con la mezcla de los 3 primarios.
Son colores
complementarios:
§
Rojo y
verde-azulado (ciano)
§
§
Verde y
magenta (púrpura)
§
§
Azul y amarillo
PARAMETROS CARACTERISTICOS DEL COLOR
Un color queda
definido por 3 parámetros:
Ø Luminancia: medición luminosa de la intensidad de la radiación.
Subjetivamente se habla de luminosidad, y se dice que un color tiene mucho
brillo (claro) o poco brillo (oscuro). Se le puede simbolizar con L y su unidad
de medida es [Cd/m^2].
Ø Longitud de onda predominante: es la longitud de la radiación
monocromática correspondiente. Subjetivamente se habla de matiz o tono y se
dice que un color es amarillo, verde, azul, etc. Se le puede simbolizar con ld y su unidad
es [nm] o [mm] o también el Angstrom (un Angstrom »10-10m).
Ø Pureza: magnitud de la dilucion de un color en blanco. Se
representa por un índice variable entre
0 y 1. Subjetivamente se habla de saturación. Y se dice por ejemplo que un
color rosa (mezcla de rojo con blanco) esta poco saturado en contraposición de
un rojo que sí lo esta. Se lo puede simbolizar con r.
CROMINANCIA
Se entiende por crominancia o
cromaticidad al conjunto formado por
los parámetros ld y r, o si se quiere, matiz y saturación. Así definida, la
crominancia pasa a ser una magnitud
vectorial.
REPRESENTACION CONICA DEL COLOR
Una posible
representación gráfica (propuesta por
la CIE) del color de un objeto es representarlo dentro de un cono invertido
como el de la figura donde la altura del cono es proporcional a la luminancia,
y además para un corte dado transversal del cono se obtiene un circulo donde se
indica la crominancia. La saturación viene dada por la longitud del segmento radial, y el matiz por el ángulo formado
respecto de una referencia (también podría ser la longitud de la
circunferencia). De esto se concluye
que el vector crominancia (ld,r) viene
expresado en coordenadas polares.
El corte
transverso del cono del cono tiene su importancia, pues permite estudiar la
crominancia independientemente de la luminancia. Al circulo así obtenido se lo
llama circulo cromático.
También se puede hacer la representación con un cono
de base hexagonal regular donde 3 de los 6 vértices representan a los 3 colores
primarios y los extremos opuestos a estos, los respectivos colores
complementarios. Es otra posible presentación.
Se llama
Albedo al factor de reflexión difusa de un objeto iluminado.
Suele ocurrir
que ciertos pares de colores subjetivamente diferentes se encuentran
iguales ld y r pero distinta
L y albedos diferentes. (Ej. : naranja
y chocolate; verde-aceituna y amarillo limón).
TRICROMIA Y SISTEMA RGB
La Comisión Internacional de la
Iluminación eligió 3 colores primarios con el fin de sentar una normativa
universal que permitiera definir todos los colores espectrales. Dichos
primarios corresponden a:
q
Rojo...........700nm R
q
Verde.........546,1nm G
q
Azul............435,8nm B
El rojo es
obtenido con lampara incandescente y un filtro rojo normalizado, en cambio el
verde y el azul son obtenidos con el arco de mercurio.
Una vez que se
tienen definidos los 3 primarios, la tricromia
o teoría de los 3 colores establece que
es posible definir un color cualquiera C’ por las proporciones k1, k2 y k3 de cada uno de los 3 primarios
R, G, y B que reconstituyen en un colorímetro un color C” idéntico a C’.
Expresado algebraicamente seria:
(C’)<——>k1.R + k2.G +
k3.B<——>(C”)
Donde la relacion entre fechas indica suma aditiva (simbología usada en
colorimetría).
REPRESENTACION CUBICA- CUBO DE MAXWELL
Con los 3 primarios se puede representar
un color mediante un cubo llamado de Maxwell. En este cubo se define un sistema
de ejes coordenados donde cada eje representa
cada color primario r, g, b graduados
de 0 a 1. Cada valor r, g, y b representa para cada color, la relacion entre el
componente tricromatico R, G y B y la suma de todos ellos (normalización), es
decir:
r=R/(R+G+B) g=G/(R+G+B) b=B/(R+G+B)
De estas
definiciones se desprende que r+g+b=1 y
considerando valores positivos de R, G, y B, entonces r, g, y b están
comprendidos entre 0 y 1.
Del cubo se obtienen las
siguientes conclusiones:
·
La dirección
(orientación) espacial del vector OC definida por el punto C (color C) define
el matiz del color.
·
La longitud
del vector define la luminancia del mismo.
·
En la diagonal
del plano g-r se tiene el color mezcla entre rojo y verde, o sea amarillo.
·
Idéntica
situación pasa en los planos b-v donde la diagonal corresponde al ciano y en el plano b-r donde la diagonal
indica el púrpura.
·
Para la
obtención del blanco W se mezclan R, G y B en proporciones iguales (blanco de
igual energía), entonces con R=G=B el calculo de los coeficientes tricromaticos
lleva a: r=0.33, g=0.33, b=0.33 coordenadas de W.
Esta
representación puede venir bien, por
ejemplo, para el analizar un
dispositivo de hardware, pero la respuesta del ojo no es lineal como lo muestra
esta representación. El sistema visual humano responde de manera logarítmica a
los estímulos de luz.
De todas
formas, para los propósitos de la televisión color, la idea es tratar de generar la mayoría de los colores existentes
en la naturaleza, a partir de 3 fósforos correspondientes a los colores
primarios antes mencionados. Y esto es logrado de manera satisfactoria. Quedan
fuera de los posibles colores visualizados en un tubo de televisión, los
colores muy puros (o con saturación cercana a 1), los cuales, se admite, no son
muy frecuentes en la naturaleza.
REPRESENTACION TRIANGULAR DE LOS COLORES
Haciendo
cortar el plano r+g+b=1 con el cubo de Maxwell se obtiene el triángulo
equilátero de Maxwell, donde se puede representar la crominancia, manteniéndose constante la luminancia,
independisandose de esta.
De este triángulo se obtienen las
siguientes conclusiones:
¨
Los vértices
del triángulo corresponden a b=1 g=0 r=0; g=1 b=0 r=0 y r=1 b=0 g=0.
¨
El centro del
triángulo contiene al punto W o blanco de igual energía.
¨
El lado
derecho representa a los colores del
plano gr, formados por las diversas proporciones de los primarios R y G, en
cuyo centro se encuentra el amarillo de r=0.5 y g= 0.5.
¨
El lado
izquierdo del triángulo representa a los colores del plano gb
formados por las diversas proporciones
de los primarios G y B. En su
centro esta situado el ciano de g=0.5 y b=0.5.
¨
En la base se
tienen los colores del plano br, formado por las diversas proporciones de los
primarios B y R, en cuyo centro se
sitúa el púrpura de b=0.5 y r=0.5.
¨
Uniendo, mediante
una recta 2 puntos de 2 lados cualesquiera, se obtiene el color de su mezcla.
Así, al mezclar C1 y C2 de la figura, se obtiene C3 en el interior del
triángulo. Aumentando la proporción de C2, el punto resultante C3 se corre hacia la derecha.
¨
Por otra
parte, uniendo 2 puntos de 2 lados mediante una recta que pase por W, puede
obtenerse un blanco resultante, en consecuencia los colores C4 y C5 del gráfico
son colores complementarios.
¨
Los colores
correspondientes a puntos en el interior del triángulo, son colores
obtenidos a partir de un primario
mezclado con algo de blanco, por lo tanto son colores no saturados.
¨
El matiz se
puede representar por medio de un vector que una el punto W con el punto
representativo del color en cuestión y midiendo el ángulo así formado respecto
de una referencia de fase.
¨
Para incluir
el concepto de luminancia es preciso trabajar con planos triangulares
paralelos, a distancias distintas del origen.
REPRESENTACION TRIANGULAR GR
Como los
coeficientes tricromaticos cumplen la condición r+g+b=1, entonces conociendo 2
de ellos, el tercero queda definido inequívocamente. Por lo tanto se
representan los colores en un plano gr y se obtiene b=1-g-r.
Además, sobre
este grafico, se representan las tonalidades correspondientes a cada longitud
de onda, resultando lo siguiente:
SISTEMA XYZ
El sistema RGB
tiene la complicación de utilizar coeficientes tricromaticos positivos y
negativos. Por ejemplo, para un verde de 560mm los
coeficientes son r=0.3164, g=0.6881 y b=-0.0045.
Para evitar el
empleo de coeficientes tricromaticos
negativos, se definieron 3 nuevos primarios ideales llamados XYZ que corresponden a las siguientes
coordenadas del sistema RGB:
§
x.......... r=1.2750;g=-0.2778; b=0.0028
§
y...........r=-1.7394; g=2.7674;
b=-0.0280
§
z...........r=-0.7429; g=0.1409;
b=1.6020
Con este
sistema se definen en forma análoga los coeficientes tricromaticos de manera de
cumplir x+y+z=1.
El problema de
esta representación es que no es intuitiva como la representación rgb, donde cada
eje corresponde a un color primario que es familiar para todos.
DIAGRAMA DE COLORES
Con los ejes xy se pasa a construir una
curva representativa de los colores espectrales ( l desde 380nm hasta 780nm), obteniéndose el gráfico de la figura.
Así, se tiene
que los colores espectrales yacen bajo el triángulo xy, formando una curva con
forma de herradura. La curva se cierra
con una recta que une el rojo de 780nm con el azul de 380nm. Esta recta
corresponde a los colores púrpuras que no son espectrales, sino se obtienen por
mezcla aditiva de rojo y azul. Esto significa que el color púrpura es una
sensación que se puede generar a partir de la mezcla aditiva de rojo y azul, pero no existe
una radiación monocromática espectral cuya excitación en el sistema visual
humano resulte en un tono púrpura.
Las
coordenadas del blanco W son
x=y=z=0.3333.
Cualquier
punto situado dentro de la herradura representa un color mezcla de radiaciones
con una longitud de onda predominante y una dada saturación.
Al igual que
en el triángulo de Maxwell, se puede trazar una recta desde 2 puntos
del borde de la herradura, pasando por C, indicando esto que C es color
mezcla de A y B(ver figura). También, si se aumenta la proporción de B, el punto C se corre hacia el punto B.
De igual
manera si la recta pasa por W, se tratara de colores espectrales
complementarios. (ver figura).
No se debe
olvidar que el diagrama de cromaticidad es derivado del triángulo a luminancia
constante, por lo que aquí también no cambia el contenido de brillo de los
colores, sino solo su matiz y saturación.
La siguiente
figura muestra dentro del diagrama de cromaticidad la ubicación de los
primarios elegidos para televisión color. Para obtener sus respectivas
longitudes de onda se prolonga la recta que pasa por W y el color en cuestión
hasta el borde la herradura obteniéndose:
§
R1: x=0.67
y=0.33 610nm
§
G1: x=0.21
y=0.71 535nm
§
B1: x=0.14
y=0.08 470nm
Con los 3 puntos correspondientes a los primarios se puede
definir un triángulo dentro de la herradura. Todos los colores obtenibles por
mezcla aditiva se encuentran dentro de dicho triángulo. Se aprecia que el único
color susceptible de reproducción puro,
o sea con saturación próxima a 1, es el rojo primario.
Pero estos R1, G1 y B1 son teóricos. En la practica se recurrió a
luminóforos como elementos radiantes en las pantallas de los televisores, que
corresponden a primarios físicos que se acercan bastante a los teóricos y
denotados en el gráfico como:
·
R2: x=0.65 y=0.32
Monografías
