Conceptos Colorimétricos

Color
El color es una característica de luz determinada por la composición espectral de la luz y la interacción con el ojo humano. Es por ello que el color es un fenómeno psicofísico, y la percepción del color es subjetiva.

Percepción del Color
El ojo actúa muy similar a una cámara, con los lentes formando la imagen de la escena en la retina, sensible a la luz. Existen diferentes tipos de detectores de luz, llamados bastones y conos. Los conos están agrupados en tres tipos, cada uno responde a una porción del espectro, con respuestas pico según la luz azul, verde y roja correspondiente. La interacción de estos grupos es responsable por los estímulos que son interpretados por el cerebro como color. La ampliamente aceptada teoría sobre visión del color es conocida como Teoría Tricromática.

Mezcla de Colores
Isaac Newton fue el primero en demostrar y explicar la composición de luz blanca por refracción de un prisma de cristal dando lugar al espectro de colores. Si se mezclan luces de colores, unimos varias luces con diferentes composiciones espectrales de colores. El efecto sobre el cerebro puede ser alguno de los colores espectrales localizados en el espectro visible, por ejemplo, amarillo, o un espectro sin color el cual no aparece en el espectro como luz monocromática, como ser, violeta. La creación de colores mezclando luces de colores se conoce como mezcla aditiva. Se observa que el ojo se comporta como si los tres tipos de conos efectuaran mezclas aditivas.

La figura 2.4.3 a ilustra el resultado de efecto de color al mezclar tres colores de luz, rojo, verde y azul. El rojo, verde y azul pueden ser llamados colores primarios, y los resultantes amarillo, cyan y magenta los secundarios.

El color de un objeto es determinado por los pigmentos. Estos son químicos que crean un color dado al substraer partes del espectro de la luz incidente. La luz restante es reflejada y da al objeto su color característico.

Crear color por medio de la mezcla de pigmentos de pintura puede describirse entonces como un proceso de mezcla substractivo (ver Fig. 2.4.3 b), dado que cada pigmento agregado substrae más de la luz incidente dejando menos para ser reflejado en el ojo humano. A continuación hay algunos ejemplos (la luz incidente en este ejemplo es blanca):

Especificación de Color de la Fuente de Luz
En el pasado, varios científicos buscaron métodos para cuantificar el color para que la comunicación del mismo fuese más fácil y precisa. Estos métodos intentaban brindar una manera de expresar el color numéricamente de la misma manera que expresamos longitud y peso.

La especificación del color de la fuente de luz y su medición puede ser categorizada in tres métodos colorimétricos principales. Ellos son:

• Colorimetría Triestímulo
• Temperatura de Color
• Espectrorradiometría

Colorimetría Triestimulo
La colorimetría triestimulo se basa en la teoría de los tres componentes de visión de color, que establece que el ojo posee receptores para los tres colores primarios (rojo, verde y azul), y que todos los colores son vistos como mezclas de estos tres colores primarios. El sistema más importante es el sistema de la Commission Internationale lÉclairage de 1931, el cual define al Observador Estándar por tener funciones de igualación de color x(*), y(*), y z(*) como se ven en la Fig. 2.4.4.1. Los valores triestímulos XYZ se calculan utilizando estas tres funciones de comparación de color de observador estándar. Los valores triestímulos XYZ y el espacio de color asociado Yxy forman la base de cualquier espacio de color de la CIE.

Diagrama de Cromaticidad Yxy CIE 1931
Los valores triestimulos XYZ son importantes para definir el color, pero los resultados no son fáciles de visualizar. Debido a esto, la CIE definió un espacio de color en 1931 para graficar el color en dos dimensiones independientes de luminosidad; esto es el espacio de color Yxy en el cual Y es la luminosidad y x e y son las coordenadas cromáticas calculadas del valor triestimulo XYZ. Las coordenadas cromáticas x e y son calculadas a partir de los valores triestímulos según la siguiente fórmula:

El principal inconveniente del sistema de 1931 es que distancias iguales en el mapa de color no representan diferencias de color igualmente percibidas debido a las no linealidades en el ojo humano.

Diagrama de Cromaticidad UCS CIE 1976
La Escala Uniforme de Cromaticidad (UCS) fue desarrollada para minimizar las limitaciones del sistema de 1931. Su intención fue brindar un espacio de color perceptualmente más uniforme para colores en aproximadamente la misma luminancia. El gráfico UCS CIE 1976 utiliza coordinadas u´ y v´. Los símbolos u´y v´fueron elegidos para diferenciarse de las coordenadas del sistema similar pero breve UCS CIE 1960. Las coordenadas de cromaticidad u´y v´son también calculadas a partir de los valores triestimulos XYZ según la siguiente fórmula:

Coordenadas Helmholtz
Es un conjunto alternativo de coordenadas en el sistema CIE, Longitud de Onda Dominante y Pureza (también conocido como coordenadas Helmholtz), que se correlaciona más cercanamente con los aspectos visuales de tonalidad y color. La longitud de onda dominante (DW) de un color es la longitud de onda del espectro de color cuya cromaticidad se encuentra en la misma línea recta que une el punto de muestra (S) y el punto iluminante (N) (para mediciones de fuentes de luz, el punto iluminante es x=0.333 and y=0.333). La pureza, también conocida como excitación de pureza es la distancia del punto iluminante (N) al punto de muestra (S), dividido por la distancia del punto iluminante (N) al punto de corte que define la longitud de onda dominante (DW).

Pureza = (N-S) / (N-DW)
El método anterior sólo se aplica para colores espectrales, es decir colores que aparecen en el espectro visible. Cuando las mediciones de color no espectral, eso decir un color que no aparece en el espectro visible, es decir que se encuentra dentro del área triangular compuesta por los 3 puntos N,R y B, son una preocupación, se utiliza La Longitud de Onda Dominante Complementaria (CDW). Esto se debe a que la intercepción del punto P, que se supone que es la Longitud de Onda Dominante, no posee una longitud de onda correspondiente. La línea de N a P se extiende en sentido opuesto para determinar la Longitud de Onda Dominante Complementaria (CDW). La pureza para colores no espectrales se calcula:

Purity = (N-S’) / (N-P)
La longitud de onda dominante y la pureza son comúnmente usadas en la especificación de color de LED´s.

Temperatura de Color
El concepto de temperatura de color aparece de los cambios aparentes de color sobre un objeto cuando éste se calienta a varias temperaturas. Cuando aumenta la temperatura de un objeto, la radiación emitida cambia, lo que resulta en un cambio del color. Una clase especial de objeto incandescente (brilla cuando está caliente) emite radiación con 100 por ciento de eficacia cuando es calentado, los científicos llaman a este radiador ideal cuerpo negro.

En particular, el cuerpo negro ideal resplandece con un color que depende de su temperatura. El rango de tonalidad puede mostrarse en el diagrama CIE por una línea denominada lugar geométrico del cuerpo (o lugar geométrico Plankiano). Según la temperatura se va incrementando, el color va cambiando de un rojo profundo a un naranja, amarillo, blanco y finalmente blanco azulado. Muchas de las fuentes de luz naturales, como el sol, estrellas y fuego, están muy cercanas al lugar geométrico Plankiano.

Algunas fuentes de luz tienen un color que corresponde al del cuerpo negro cuando éste está sometido a una determinada temperatura. Para algunos propósitos, es conveniente clasificar una fuente de luz por su temperatura de color (medida en Kelvins). Las curvas de temperatura de color están bien definidas de 1500K a 10,000L. Mientras que la luz que está siendo medida se aproxime al cuerpo negro, los resultados van a ser bastante exactos. El lugar geométrico es particularmente útil para clasificar los diferentes tipos de luz ¨blanca¨. La temperatura de color es ampliamente utilizada por fabricantes de lámparas y monitores.

Temperatura de Color Correlacionada
La temperatura de color es estrictamente aplicable a fuentes de luz que pueden ser igualadas perfectamente con un cuerpo negro. El concepto se extiende para incluir fuentes cuya luz puede aproximarse a la del cuerpo negro, sin igualarla exactamente. La expresión Temperatura de Color Correlacionada (CCT) se usa para describir la luz de este tipo de fuentes. La CCT se calcula determinando la línea isoterma en la cual se puede posicionar el color de la fuente de luz. Las líneas isotermas son líneas rectas en las que todos los colores sobre la línea aparecen visualmente iguales. Utilizamos *uv para especificar la desviación respecto del lugar geométrico del cuerpo negro. La desviación máxima considerada para *uv es de ±0.02.

La CCT no es aplicable para medir fuentes de luz que tienen curvas de emisión espectral de banda estrecha que no se aproxima a ninguna curva del cuerpo negro (por ejemplo, LED)

Espectrorradiometría
Diferentes curvas de distribución espectral de energía pueden producir el mismo efecto visual, que llamamos color. Es decir, que el color de una fuente de luz no nos indica la naturaleza de su distribución espectral de energía. En otras palabras, dos fuentes de luz diferentes que tienen el mismo color en x,y o la misma temperatura de color, pueden no tener la misma distribución espectral. La situación inversa si es cierta: el conocimiento de la distribución espectral de energía de la luz, nos permitirá describir su color (ver Fig. 2.4.4.3 para los tipos de curvas de distribución espectral de energía de los iluminantes CIE más comunes).

Por lo tanto, el método espectrorradiométrico es el método más exacto y completo para especificar el color. Los datos espectrales pueden ser analizados visualmente y/o comparados con los de otra Fuente de luz. Sin embargo, el mejor uso de estos datos es para calcular los valores triestímulos de la CIE integrando matemáticamente los datos con la función CIE de igualación del color. Los valores triestímulos se utilizan para calcular las coordenadas de cromaticidad y la luminosidad de la CIE, las cuales proporcionan una descripción completa del color.

1. Iluminante estándar D65: Promedio de la luz del día (incluyendo la región de longitudes de onda ultravioleta) con una temperatura de color correlacionada de 6504K.
2. Iluminante estándar C: Promedio de la luz de día (sin la región de longitudes de onda ultravioleta= con una temperatura de color correlacionada de 6774K.
3. Iluminante estándar A: Luz incandescente con una temperatura de color correlacionada de 2856K