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 1 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. 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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