El color (2) – Espacio de color de la visión humana

¿Cuántos colores puede ver el ser humano? ¿Cómo se puede medir el color?

• ¿Por qué interesa medir el color?
• ¿Cómo se puede medir el color?
• CIE 1931 – Diagrama de cromaticidad

¿Por qué interesa medir el color?

Como vimos en el artículo anterior (Entendiendo el color 1 – Visión humana) el color es una construcción, una interpretación que hace el cerebro a partir de la información que envían los ojos.

Para la visión humana el color no es tan importante como el reconocimiento de formas o texturas.

Y en general se puede decir que la percepción del color es algo subjetivo.

Los humanos no sabemos cuantificar muy bien el color.

Por ejemplo, si alguien nos dice que ha visto un coche rojo, ese ‘rojo’ abarca un rango enorme de matices de color, no es un color ‘exacto’. Pero en general nos vale con eso. La Humanidad no ha necesitado tener esa información exacta de los colores para sobrevivir ni para comunicarse entre sí.

Sin embargo, a principios del siglo XX ya se daban situaciones en las que se iba viendo la necesidad de medir, cuantificar y replicar colores con mucha precisión.

Por ejemplo los colores usados para señales visuales: aviones, barcos, semáforos…

Tenían que ser estandarizados para que tuvieran realmente un significado global en un país, y en muchos casos a nivel mundial. Ese tipo de señales tienen que ser claras e inequívocas para evitar accidentes.

Otro ejemplo importante eran las marcas. La imagen corporativa comenzaba a ser cada vez más importante para las empresas, y las marcas necesitaban replicar con exactitud sus colores corporativos sin depender de la interpretación que hiciera cada imprenta o cada diseñador.

¿Cómo se puede medir el color?

Hoy en día parece una pregunta muy tonta: tenemos cámaras digitales, tenemos sensores… podemos analizar la luz, descomponerla y cuantificarla con mucha precisión.

A comienzos del siglo XX no existía nada de esto. Y tampoco se sabía muy bien cómo funcionaba la visión humana.

La única forma de ‘medir’ el color era por comparación (color matching).

Por ejemplo, se cogía un color de referencia y otro color candidato. Y se preguntaba a un conjunto de personas si les parecían iguales…

Colores de referencia

En aquella época los colores de referencia eran los colores ‘puros’ del espectro visible.

Por ejemplo, se podía descomponer la luz (blanca) mediante un prisma y elegir una franja muy estrecha, un color bastante puro, que estaba asociado a una longitud de onda (monocromático).

Experimentos

Desde el siglo XVII hasta comienzos del siglo XX se habían realizado diferentes experimentos relacionados con la luz, el color y la percepción del color por parte de las personas.

La parte física (naturaleza de la luz, comportamiento como onda y como partícula, etc.) ya se conocía muy bien.

De la parte fisiológica (cómo funciona el ojo) y de la percepción en personas no se conocía tanto, pero sí se sabía o se intuía por ejemplo que la visión humana es tricromática.

También se conocían bien las propiedades de la mezcla de colores: por adición (cuando se mezcla luz) y por sustracción (cuando se mezclan pigmentos)

A partir de los experimentos y los conocimientos de la época se desarrollaron algunos modelos para cuantificar todos los colores.

Modelo HSB

El modelo HSB (Hue, Saturation, Brightness) fue promovido por la Optical Society of America y adoptado como norma estándar inicialmente en Estados Unidos.

Deriva del sistema de color de Albert Munsell y la idea es que cada color puede ser definido mediante tres valores:

• El matiz (hue) que corresponde con el color de la luz de una determinada longitud de onda (dominant wavelenght)
• La pureza (saturación / saturation) de ese color: si la saturación es muy alta es el color puro, si es muy baja se correspondería con un gris con cierta cantidad de ese color.
• El brillo (luminosidad / value – brightness) nos dice cómo de brillante o de oscuro es el color.

Es un modelo muy intuitivo y que se basa sobre todo en la parte física de la luz. Se toman como referencia los colores del espectro visible (longitud de onda)

Un problema que tiene este modelo es que los colores magenta no existen en el espectro visible.

Otro problema es que no tiene en cuenta la parte fisiológica y la percepción del color.

Modelo RGB

Este modelo deriva de los experimentos de Hermann Grassmann y su teoría del color de mediados del siglo XIX. Y sobre todo de los experimentos de David Wright y John Guild (National Physical Laboratory, Reino Unido) en la década de 1920.

La idea es que cualquier color se puede conseguir con la mezcla (suma) de 3 colores puros que sean linealmente independientes.

Para esos tres colores primarios se eligió un rojo (700nm), un verde (546nm) y un azul (436nm)

Es decir, cada color que podemos ver se podría conseguir mezclando luz roja, luz verde y luz azul, ajustando su intensidad relativa.

Por lo tanto, cada color se puede representar como un vector con 3 coordenadas RGB.

Cada color primario es un eje.

Este modelo tiene ventajas sobre el modelo de matiz, saturación y brillo:

• Se ajusta mejor a la fisiología del ojo (funcionamiento de los conos)
• Se ajustaba muy bien a la teoría de color desarrollada hasta entonces: ruedas de color, colores primarios, secundarios, terciarios, complementarios…
• Los resultados de las operaciones con esos vectores (p.e. suma de dos colores) se ajustan a la realidad, por ejemplo el color resultante de mezclar dos colores
• Es un modelo matemático que permite transformaciones abstractas

También tiene algunos inconvenientes…

Este espacio RGB tiene que contener a todos los colores.

Los colores puros (monocromáticos) del espectro estarían justo en el borde de la superficie del volumen que engloba todas las posibles mezclas de luz (colores que podemos ver)

Cuando hacemos la representación de los colores del espectro, una buena parte de ellos, por la zona de los 500nm, quedan fuera del cuadrante positivo: necesitan que al menos una de las luces primarias (el rojo) tenga una intensidad negativa… ¿…?

Matemáticamente no hay problema, pero es algo que físicamente no es posible con luz real.

El equivalente físico es que esa luz primaria que hay que restar la sumamos en realidad (la mezclamos) al color que queremos conseguir: es como cuando en una ecuación pasamos lo que está restando al otro miembro, sumando.

Representación del modelo RGB

Ten en cuenta que el modelo RGB (CIE-RGB) define un volumen, un espacio.

Eso es muy difícil de representar, sobre todo a principios del siglo XX.

Para representarlo se utilizaba una proyección, un mapa en dos dimensiones.

Una vez normalizados los valores para una determinada luminosidad (r+g+b=1) quedaba una representación similar a ésta:

El eje del azul saldría desde el origen perpendicular a los ejes R y G. La línea de puntos encierra todo el conjunto de colores que podemos ver.

Como vemos, los colores que están en la parte izquierda tienen una componente negativa de R (luz roja de intensidad negativa)

Modelo CIE-XYZ

Como usar luz negativa es extraño (aunque tiene un sentido físico como vimos anteriormente) se decidió hacer una transformación lineal, cambiando los ejes de coordenadas a unos nuevos colores primarios: XYZ.

Estos  nuevos colores primarios no se corresponden con colores reales del espectro, son simplemente constructos matemáticos para generar un espacio de color que utiliza coeficientes positivos.

Una vez hecha la transformación lineal y la normalización para que las 3 componentes sumen 1 ( x+y+z = 1) el espacio de color (proyectado en 2D) quedaría así:

CIE 1931 – Diagrama de cromaticidad

En 1931 se celebró el congreso de la CIE (Commission International de l’Eclairage) en el que se quería llegar a un estándar mundial para el color.

Por un lado estaban las propuestas de Estados Unidos y por otro lado los modelos británicos del NPL (modelos RGB)

El modelo elegido como estándar fue el CIE-XYZ, que se conoce como CIE 1931 o Diagrama de Cromaticidad CIE XYZ.

El espacio de color definido por el CIE 1931 (volumen) engloba todos los posibles colores que una persona media puede ver.

Sigue manteniendo todas las ventajas del modelo RGB:

• Incluye los colores magenta
• Es lineal
• Las operaciones con colores se ajustan a la mezcla de colores en la realidad
• Representa bastante bien la percepción humana del color.

Además, desde el espacio CIE-XYZ se puede pasar fácilmente a cualquier otro espacio de color aplicando transformaciones matemáticas, por ejemplo al espacio de color de los modelos HSB

Modelo de color vs espacio de color

Muchas veces encontrarás que se habla de modelos de color y otras veces de espacios de color… ¿es lo mismo?

Los modelos de color y los espacios de color están muy relacionados entre sí, pero no son la misma cosa.

Modelo de color

Un modelo de color es algo abstracto, matemático. Digamos que es como un método o una forma de cuantificar el color.

Por ejemplo:

• Modelo RGB
  Se basa en usar tres colores primarios para representar al resto de colores (adición de colores)
• Modelo CMYK
  Se basa en usar cuatro pigmentos (Cyan, Magenta, Yellow y Key -negro) para representar el resto de colores (sustracción de colores)
• Modelo LAB
  Se basa en separar la luminancia (brillo) por un lado y la crominancia (color) por otro. La combinación de ambas nos da la representación de todos los colores

Un espacio de color está basado en un modelo, al que se le añaden además ciertas restricciones, por ejemplo la distribución espectral de potencia que hay que usar (temperatura de color de la luz que se toma como referencia) o las limitaciones del medio de reproducción (monitores CRT, pantallas LED…), o los pigmentos exactos que se tienen que usar, el tipo de papel, etc.

Ejemplos:

El  CIE RGB / CIE XYZ es a la vez un modelo de color y un espacio de color (está definido para unas determinadas características de iluminación), cada color en este espacio es absoluto.

CMYK no es un espacio de color en sí. Hay muchos espacios de color CMYK estandarizados, cada uno de ellos especifica unos tipos de pigmentos, un tipo de papel, el sistema de impresión que se utiliza…

sRGB es un espacio de color basado en el modelo RGB y referenciado al espacio de color CIE XYZ. Se definió como estándar para los monitores CRT. El espacio de color sRGB tiene definidos sus colores primarios, la iluminación de referencia y un gamma (factor de corrección).

En última instancia cada dispositivo, cada pantalla o monitor, tiene su propio espacio de color.

Resumen

• La visión humana es tricromática
• El color es una interpretación que hace el cerebro a partir de los estímulos que recibe de los conos del ojo
• Cada color que percibimos corresponde con una mezcla o combinación concreta de esos estímulos (cono S + cono M + cono L)
• A partir de experimentos indirectos se pudo encontrar un modelo de color basado en 3 colores primarios, que reproducía muy bien la percepción humana del color y la física del color (colores espectrales, suma de colores…)
• El modelo inicial, CIE RGB, utilizaba tres colores primarios reales. Tres colores monocromáticos del espectro visible: rojo (700nm), verde (546nm) azul (436nm)
• Como esos colores reales forman parte del propio espacio de color, para generar algunos colores es necesario que alguno de los primarios tenga valores de intensidad o potencia negativa.
• Para evitar esto se definió el espacio CIE XYZ, que utiliza tres primarios que no se corresponden con colores reales. El espacio CIE RGB y el CIE XYZ son equivalentes.
• La representación en dos dimensiones del espacio CIE XYZ se conoce como diagrama de cromaticidad o CIE xyY

La medición y cuantificación del color es muy importante.

Todos los elementos de iluminación que tienen que ver con señalización siguen estándares que se referencian al espacio de color CIE XYZ: las luces de los semáforos, las luces de señalización de los aeropuertos, aviones, barcos…

Todos los dispositivos: pantallas de ordenador, móviles, tablets, televisores tienen que seguir unos estándares de reproducción de color, que también son referenciados al espacio CIE XYZ (a través de espacios de color intermedios).

Por cuestiones prácticas se han definido y se utilizan otros espacios de color: sRGB, Adobe RGB, ProPhoto RGB, ITU-R BT.709…  Todos esos espacios se referencian en última instancia al espacio ‘padre’ CIE XYZ / CIE RGB.