Física del Color

 La Luz

Lo que conocemos como "luz", es nuestra percepción de la radiación electromagnética (EM) que es captada por el ojo y trasladada por el nervio óptico hasta el cerebro, donde crea una mezcla de sensaciones que son las "imágenes" que "vemos".  Esta sensación es cualitativa,  matiz o coloración (colourfulness); saturación (cuanto color de cada matiz), y cuantitativa, brillo (brightness); cuanta luz.  Como veremos a continuación, la sensación producida por esta radiación dista mucho de ser uniforme y objetiva (igual para todas las personas).  Además, la sensación luminosa de una imagen se ve influenciada grandemente por las condiciones ambientales.

 Percepción humana del color

Como hemos señalado, el ojo humano solo es sensible a un estrecha gama de frecuencias de espectro electromagnético (aproximadamente 4.2-7.5 10¹⁴ Hz ).  Entre ambas longitudes de onda percibimos los diferentes colores del arco iris, el denominado espectro visible, que es una ínfima parte del total del espectro.  Las longitudes de onda de los  colores principales son aproximadamente las siguientes:

Violeta		400-440 nm	Amarillo		530-590 nm
Azul		440-480 nm	Naranja		590-630 nm
Verde		480-530 nm	Rojo		630-700 nm

La percepción de la luz y el color se rige por mecanismos extraordinariamente complejos y ricos en detalles en los que el ojo en sí mismo no es un mero captador de señales que se envían al cerebro, sino un dispositivo capaz de pre-procesar la señal recibida.  La retina del ojo humano tiene cuatro tipos de células sensibles a la luz.  Tres de ellas, las denominadas conos, tienen distintas sensibilidades a las radiaciones del espectro, e intervienen en la visión normal (fotópica) y en la percepción de los colores.  El cuarto tipo de células, los bastones, son extraordinariamente sensibles a la luz de intensidad muy baja, y colaboran a la visión en semi-oscuridad (en la denominada visión nocturna o escotópica), pero no tienen influencia en la formación de imágenes en condiciones normales de iluminación.  Existen unos 6 millones de conos y 100 millones de bastones en cada ojo, aunque su distribución no es uniforme.  La mayor concentración se produce en la mácula, que es la zona donde percibimos mayor finura en los detalles.

Aunque la sensibilidad a la luz varía de una persona a otra, en el espectro de frecuencias visibles tenemos una gran capacidad de discriminación (en este rango podemos distinguir unos 10 millones de colores distintos).  El ojo humano es más sensible a la luz verde/amarilla que a rojos y azules (la sensibilidad al amarillo es de orden de seis veces mayor que al azul).  Coloquialmente decimos que el azul tiene una pequeña contribución a la sensación de brillo, mientras que el amarillo la tiene alta (esto lo saben bien los pintores).  Sin embargo, el ojo humano tiene más capacidad para distinguir matices en los colores azules que en los amarillos.  En realidad el ojo tiene una mayor sensibilidad cromática para los colores extremos del espectro (especialmente rojos, azules y morados), de forma que tiene más capacidad para distinguir diferencias de color en estos que en los centrales, sin embargo estos últimos (verdes y amarillos) tienen valores máximos de saturación, es decir, son percibidos como más brillantes y luminosos.

Aparte de esta distinta sensibilidad para los diferentes colores, la resolución monocromática del ojo es mucho mayor que la cromática.  Dicho en otras palabras:  podemos distinguir mucho mejor diferencias de tono en la escala de grises que entre escalas de color.  Además, cuando los detalles se van haciendo más y más pequeños el ojo deja de poder detectar las diferencias de color, llegando un punto en que se vuelve virtualmente ciego para los colores, aunque aún puede distinguir diferencias de brillo.  Parece que esto se debe a los bastones a los que nos referíamos antes.

Un aspecto curioso de la percepción humana de la luz es la no linealidad de la respuesta del ojo a las variaciones de luminosidad (luminancia  H9.1.1 ), o dicho en otras palabras, la sensibilidad humana a sus variaciones no es lineal, sino prácticamente logarítmica.  Esto explica que la luminosidad aparente de un objeto que tenga el 50% de la luminosidad real otro, no se percibe como la mitad de luminoso.  De hecho basta una reducción del 18% de la luminosidad entre dos objetos para que la luminosidad aparente de uno parezca la mitad del otro.

Nota:  observará el lector que en este párrafo hemos utilizado dos conceptos:  La luminosidad real (una magnitud física) y la aparente (la percepción que tenemos de esa magnitud).  Estos conceptos son explicados con más detalle en la página siguiente (  H.9.1.1) 

Los sicólogos creen que la señal transmitida por el nervio óptico no depende el número de fotones de diferentes frecuencias que alcancen los conos de la retina, sino más bien de la relación entre estas cantidades.  Esto significaría que el ojo no codifica la luminancia sino el contraste, y explica que una fotografía vista en condiciones de mucha y poca luz, parezca igual, a pesar de la diferencia de luz que refleja en cada caso.  En consecuencia, las tecnologías de reproducción deben prestar más importancia a las diferencias (de color e intensidad) que a los valores absolutos.  Otra consecuencia es que la sensación de realidad de una imagen está más influida por una adecuadagradación de tonos o colores (profundidad de color utilizada) que por la definición.

Ejemplo: los cuadrados centrales de ambos lados del dibujo son exactamente iguales.  Observe como la luminosidad aparente varía en cada caso según la luminosidad del contorno.  Esto explica por ejemplo, que la pantalla de nuestro ordenador parezca gris cuando está apagada, pero algunas zonas nos parecen negras cuando está en funcionamiento a pesar de que en ese momento tienen "ausencia de luz" (el mismo color que cuando está apagada).

Parece que la causa de esta sensibilidad no lineal a la luminancia, radica en una especie de integración mental del color y la luminosidad de la escena; teniendo en cuenta que la luminosidad se refiere tanto a la existente en el área focal (central) como a la visión periférica.  La consecuencia es que por ejemplo, la percepción de la luminosidad y el contraste en un monitor (que son controlados por el factor gamma  H9.5), depende no solo de los datos en la memoria de imagen ("Frame buffer"), de las características físicas del tubo y del mecanismo de transferencia.  También depende de la luz que incida sobre la pantalla (que depende de la iluminación del local); de la luz y color del fondo (background de la aplicación) e incluso de la luz ambiente (alrededor de la pantalla, mesa de trabajo, fondo, etc).

La diferente sensibilidad cromática del ojo, unida a su sensibilidad (no lineal) a la intensidad de la luz recibida, hacen que sea difícil arbitrar medidas lumínicas que tengan correspondencia con la sensación humana.  Cuando se hicieron evidentes las especiales características de la percepción humana del color y la luz, se decidió crear una organización que estudiase un modelo humano universal (estadístico).  Al efecto se creó la CIE ("Commission Internationale de L'Eclairage"), que como veremos a continuación, ha elaborado definiciones y magnitudes relativas a la percepción humana de la radiación en el espectro visible.

Tomado de:

http://www.zator.com/Hardware/H9_1.htm