En la ciencia del color , un modelo de color es un modelo matemático abstracto que describe la forma en que los colores se pueden representar como tuplas de números, generalmente como tres o cuatro valores o componentes de color. Cuando a este modelo se le asocia una descripción precisa de cómo se van a interpretar los componentes (condiciones de visión, etc.), teniendo en cuenta la percepción visual , el conjunto de colores resultante se denomina " espacio de color ".
Este artículo describe formas en que se puede modelar la visión humana del color y analiza algunos de los modelos de uso común.
Se puede imaginar este espacio como una región en el espacio euclidiano tridimensional si se identifican los ejes x , y y z con los estímulos para la longitud de onda larga ( L ), la longitud de onda media ( M ) y la longitud de onda corta ( S). ) receptores de luz . El origen, ( S , M , L ) = (0,0,0), corresponde al negro. Las blancas no tienen una posición definida en este diagrama; más bien se define según la temperatura de color o el balance de blancos según se desee o según esté disponible en la iluminación ambiental. El espacio de color humano es un cono en forma de herradura como el que se muestra aquí (ver también el diagrama de cromaticidad CIE a continuación), que se extiende desde el origen hasta, en principio, el infinito. En la práctica, los receptores de color humanos se saturan o incluso se dañan con intensidades de luz extremadamente altas, pero tal comportamiento no forma parte del espacio de color CIE , como tampoco lo es la percepción cambiante del color con niveles de luz bajos (ver: Curva de Kruithof ). Los colores más saturados se encuentran en el borde exterior de la región, con colores más brillantes más alejados del origen. En lo que respecta a las respuestas de los receptores del ojo, no existe la luz "marrón" o "gris". Los últimos nombres de colores se refieren a la luz naranja y blanca respectivamente, con una intensidad menor que la luz de las áreas circundantes. Esto se puede observar mirando la pantalla de un retroproyector durante una reunión: se ven letras negras sobre un fondo blanco, aunque el "negro" en realidad no se ha vuelto más oscuro que la pantalla blanca en la que se proyectaba antes de que se encendiera el proyector. encendido. Las áreas "negras" en realidad no se han vuelto más oscuras, sino que parecen "negras" en relación con el "blanco" de mayor intensidad proyectado en la pantalla a su alrededor. Véase también constancia de color .
El espacio triestímulo humano tiene la propiedad de que la mezcla aditiva de colores corresponde a la suma de vectores en este espacio. Esto facilita, por ejemplo, describir los posibles colores ( gama ) que se pueden construir a partir de los primarios rojo, verde y azul en una pantalla de computadora.
Uno de los primeros espacios de color definidos matemáticamente es el espacio de color CIE XYZ (también conocido como espacio de color CIE 1931), creado por la Comisión Internacional de Iluminación en 1931. Estos datos se midieron para observadores humanos y un campo de visión de 2 grados. En 1964 se publicaron datos complementarios para un campo de visión de 10 grados.
Tenga en cuenta que las curvas de sensibilidad tabuladas tienen cierta arbitrariedad. Las formas de las curvas de sensibilidad individuales X, Y y Z se pueden medir con una precisión razonable. Sin embargo, la función de luminosidad global (que de hecho es una suma ponderada de estas tres curvas) es subjetiva, ya que implica preguntar a una persona de prueba si dos fuentes de luz tienen el mismo brillo, incluso si son de colores completamente diferentes. Del mismo modo, las magnitudes relativas de las curvas X, Y y Z se eligen arbitrariamente para producir áreas iguales bajo las curvas. También se podría definir un espacio de color válido con una curva de sensibilidad X que tenga el doble de amplitud. Este nuevo espacio de color tendría una forma diferente. Las curvas de sensibilidad en el espacio de color xyz CIE 1931 y 1964 están escaladas para tener áreas iguales bajo las curvas.
A veces, los colores XYZ están representados por las coordenadas de luminancia, Y y cromaticidad x e y , definidas por:
Matemáticamente, x e y son coordenadas proyectivas y los colores del diagrama de cromaticidad ocupan una región del plano proyectivo real . Debido a que las curvas de sensibilidad CIE tienen áreas iguales bajo las curvas, la luz con un espectro de energía plano corresponde al punto ( x , y ) = (0,333,0,333).
Los valores de X , Y y Z se obtienen integrando el producto del espectro de un haz de luz y las funciones de coincidencia de colores publicadas.
RYB es un modelo de color sustractivo utilizado en arte y diseño aplicado en el que los pigmentos rojo , amarillo y azul se consideran colores primarios . [1] [2] El modelo de color RYB se relaciona específicamente con el color en forma de pintura y aplicación de pigmentos en el arte y el diseño. [3] [4] [5] Otros modelos de color comunes incluyen el modelo de luz (RGB) y el modelo de color CMY de pintura, pigmento y tinta , que es mucho más preciso en términos de gama de colores e intensidad en comparación con el modelo de color tradicional RYB. , este último surgió junto con el modelo de color CMYK en la industria de la impresión. [6] [7] Este modelo fue utilizado para la impresión por Jacob Christoph Le Blon en 1725 y lo llamó Coloritto o armonía de coloración , [8] afirmando que los colores primitivos (primarios) son el amarillo, el rojo y el azul, mientras que los secundarios son naranja, verde y morado o violeta . [9] [10]
Los medios que transmiten luz (como la televisión) utilizan una mezcla aditiva de colores con colores primarios rojo , verde y azul , cada uno de los cuales estimula uno de los tres tipos de receptores de color del ojo con la menor estimulación posible de los otros dos. Esto se llama espacio de color " RGB ". Las mezclas de luz de estos colores primarios cubren una gran parte del espacio de color humano y, por lo tanto, producen una gran parte de las experiencias cromáticas humanas. Por este motivo, los televisores en color o los monitores de ordenador en color sólo necesitan producir mezclas de luz roja, verde y azul. Ver Color aditivo .
En principio, se podrían utilizar otros colores primarios, pero con el rojo, el verde y el azul se puede capturar la mayor parte del espacio de color humano. Desafortunadamente, no existe un consenso exacto sobre qué lugares en el diagrama de cromaticidad deben tener los colores rojo, verde y azul, por lo que los mismos valores RGB pueden dar lugar a colores ligeramente diferentes en diferentes pantallas.
RGB es un modelo de color que depende del dispositivo : diferentes dispositivos detectan o reproducen un valor RGB determinado de manera diferente, ya que los elementos de color (como fósforos o tintes ) y su respuesta a los niveles individuales de rojo, verde y azul varían de un fabricante a otro. o incluso en el mismo dispositivo a lo largo del tiempo. [11] [12] Por lo tanto, un valor RGB no define el mismo color en todos los dispositivos sin algún tipo de gestión del color . [13]
Es posible lograr una amplia gama de colores vistos por los humanos combinando tintes/tintas transparentes cian , magenta y amarillo sobre un sustrato blanco. Estos son los colores primarios sustractivos . A menudo se añade una cuarta tinta, negra , para mejorar la reproducción de algunos colores oscuros. Esto se denomina espacio de color "CMY" o "CMYK".
La tinta cian absorbe la luz roja pero transmite verde y azul, la tinta magenta absorbe luz verde pero transmite roja y azul, y la tinta amarilla absorbe luz azul pero transmite roja y verde. El sustrato blanco refleja la luz transmitida hacia el espectador. Debido a que en la práctica las tintas CMY adecuadas para imprimir también reflejan un poco de color, haciendo imposible un negro profundo y neutro, se necesita el componente K (tinta negra), que generalmente se imprime al final, para compensar sus deficiencias. El uso de una tinta negra separada también resulta económico cuando se espera una gran cantidad de contenido negro, por ejemplo en medios de texto, para reducir el uso simultáneo de las tres tintas de colores. Los tintes utilizados en las impresiones y diapositivas fotográficas en color tradicionales son mucho más perfectamente transparentes, por lo que normalmente no se necesita ni se utiliza un componente K en esos medios.
Existen varios modelos de color en los que los colores se ajustan en formas cónicas , cilíndricas o esféricas , con los neutros que van del negro al blanco a lo largo de un eje central y los tonos corresponden a ángulos alrededor del perímetro. Disposiciones de este tipo se remontan al siglo XVIII y continúan desarrollándose en los modelos más modernos y científicos.
Diferentes teóricos del color han diseñado colores sólidos únicos . Muchos tienen forma de esfera , mientras que otros son figuras elipsoides tridimensionales deformadas; estas variaciones están diseñadas para expresar algún aspecto de la relación de los colores con mayor claridad. Las esferas de color concebidas por Phillip Otto Runge y Johannes Itten son ejemplos y prototipos típicos de muchos otros esquemas de colores sólidos. [14] Los modelos de Runge e Itten son básicamente idénticos y constituyen la base de la siguiente descripción.
Alrededor del ecuador, en la periferia de la esfera de color, se encuentran tonos puros y saturados de igual brillo. Al igual que en la rueda de colores, los tonos contrastantes (o complementarios) se ubican uno frente al otro. Al moverse hacia el centro de la esfera de color en el plano ecuatorial, los colores se vuelven cada vez menos saturados, hasta que todos los colores se encuentran en el eje central como un gris neutro . Moviéndose verticalmente en la esfera de color, los colores se vuelven más claros (hacia arriba) y más oscuros (hacia abajo). En el polo superior todos los tonos se encuentran en el blanco; en el polo inferior, todos los tonos se encuentran en negro.
El eje vertical de la esfera de color, entonces, es gris en toda su longitud, variando del negro en la parte inferior al blanco en la parte superior. Todos los tonos puros (saturados) se encuentran en la superficie de la esfera, variando de claro a oscuro a lo largo de la esfera de color. Todos los impuros (tonos no saturados, creados mezclando colores contrastantes) componen el interior de la esfera, y también varían en brillo de arriba a abajo.
HSL y HSV son geometrías cilíndricas, con tono, su dimensión angular, comenzando en el primario rojo a 0°, pasando por el primario verde a 120° y el primario azul a 240°, y luego regresando al rojo a 360°. En cada geometría, el eje vertical central comprende los colores neutros , acromáticos o grises , que van desde el negro con luminosidad 0 o valor 0, la parte inferior, hasta el blanco con luminosidad 1 o valor 1, la parte superior.
La mayoría de los televisores, pantallas de computadora y proyectores producen colores combinando luz roja, verde y azul en diferentes intensidades: los llamados colores primarios aditivos RGB . Sin embargo, la relación entre las cantidades constituyentes de la luz roja, verde y azul y el color resultante no es intuitiva, especialmente para usuarios inexpertos y para usuarios familiarizados con la mezcla sustractiva de colores de pinturas o modelos de artistas tradicionales basados en tintes y sombras.
En un intento por adaptarse a modelos de mezcla de colores más tradicionales e intuitivos, los pioneros de los gráficos por computadora en PARC y NYIT desarrollaron [ se necesita más explicación ] el modelo HSV a mediados de la década de 1970, descrito formalmente por Alvy Ray Smith [16] en la edición de agosto de 1978 de Gráficos por computadora . En el mismo número, Joblove y Greenberg [17] describieron el modelo HSL (cuyas dimensiones denominaron tono , croma relativo e intensidad ) y lo compararon con HSV. Su modelo se basó más en cómo se organizan y conceptualizan los colores en la visión humana en términos de otros atributos de creación de color, como el tono, la luminosidad y el croma; así como en los métodos tradicionales de mezcla de colores (por ejemplo, en pintura) que implican mezclar pigmentos de colores brillantes con blanco o negro para lograr colores más claros, más oscuros o menos coloridos.
El año siguiente, 1979, en SIGGRAPH , Tektronix introdujo terminales gráficos que utilizaban HSL para la designación de colores, y el Comité de Estándares de Gráficos por Computadora lo recomendó en su informe de estado anual. Estos modelos eran útiles no sólo porque eran más intuitivos que los valores RGB sin procesar, sino también porque las conversiones hacia y desde RGB eran extremadamente rápidas de calcular: podían ejecutarse en tiempo real en el hardware de la década de 1970. En consecuencia, estos modelos y otros similares se han vuelto omnipresentes en todo el software de edición de imágenes y gráficos desde entonces.
Otro modelo de color cilíndrico antiguo influyente es el sistema de color Munsell de principios del siglo XX . Albert Munsell comenzó con una disposición esférica en su libro de 1905 A Color Notation , pero deseaba separar adecuadamente los atributos de creación de color en dimensiones separadas, a las que llamó tono , valor y croma , y después de tomar medidas cuidadosas de las respuestas perceptuales, se dio cuenta. que ninguna forma simétrica serviría, por lo que reorganizó su sistema en una masa grumosa. [18] [19] [A]
El sistema de Munsell se volvió extremadamente popular, la referencia de facto para los estándares de color estadounidenses (utilizados no sólo para especificar el color de pinturas y crayones, sino también, por ejemplo, del cable eléctrico, la cerveza y el color del suelo), porque estaba organizado en base a mediciones perceptuales. colores especificados a través de un triple sistemático y fácil de aprender, porque las fichas de color vendidas en el Libro de colores de Munsell cubrían una amplia gama y permanecían estables con el tiempo (en lugar de desvanecerse), y porque Munsell's Company los comercializaba eficazmente . En la década de 1940, la Sociedad Óptica de América realizó extensas mediciones y ajustó la disposición de los colores Munsell, publicando una serie de "renotaciones". El problema con el sistema Munsell para aplicaciones de gráficos por computadora es que sus colores no se especifican mediante ningún conjunto de ecuaciones simples, sino sólo mediante sus medidas fundamentales: efectivamente, una tabla de búsqueda . La conversión de RGB ↔ Munsell requiere interpolar entre las entradas de esa tabla y es extremadamente costosa desde el punto de vista computacional en comparación con la conversión de RGB ↔ HSL o RGB ↔ HSV, que solo requiere unas pocas operaciones aritméticas simples. [20] [21] [22] [23]
El Sistema Sueco de Color Natural (NCS), ampliamente utilizado en Europa, adopta un enfoque similar al bicónico de Ostwald de la derecha. Debido a que intenta encajar el color en un sólido de forma familiar basándose en características " fenomenológicas " en lugar de fotométricas o psicológicas, sufre algunas de las mismas desventajas que HSL y HSV: en particular, su dimensión de luminosidad difiere de la luminosidad percibida, porque fuerza colorido amarillo, rojo, verde y azul en un avión. [24]
En densitometría , se utiliza un modelo bastante similar al tono definido anteriormente para describir los colores de las tintas de proceso CMYK . En 1953, Frank Preucil desarrolló dos disposiciones geométricas de tono, el "círculo de tono Preucil" y el "hexágono de tono Preucil", análogos a nuestro H y H 2 , respectivamente, pero definidos en relación con los colores de tinta idealizados cian, amarillo y magenta. El " error de tono Preucil " de una tinta indica la diferencia en el "círculo de tono" entre su color y el tono del color de tinta idealizado correspondiente. El gris de una tinta es m / M , donde m y M son el mínimo y el máximo entre las cantidades de cian, magenta y amarillo idealizados en una medición de densidad. [25]
La Comisión Internacional de Iluminación (CIE) desarrolló el modelo XYZ para describir los colores de los espectros de luz en 1931, pero su objetivo era igualar el metamerismo visual humano , en lugar de ser perceptualmente uniforme y geométrico. En las décadas de 1960 y 1970, se intentó transformar los colores XYZ en una geometría más relevante, influenciada por el sistema Munsell. Estos esfuerzos culminaron en los modelos CIELUV y CIELAB de 1976 . Las dimensiones de estos modelos ( L *, u *, v *) y ( L *, a *, b *) , respectivamente, son cartesianas y se basan en la teoría del color del proceso oponente , pero ambos también se describen a menudo utilizando polar. coordenadas: ( L *, C * uv , h * uv ) y ( L *, C * ab , h * ab ) , respectivamente, donde L * es la luminosidad, C * es el croma y h * es el ángulo de tono. Oficialmente, tanto CIELAB como CIELUV se crearon por sus métricas de diferencia de color ∆ E * ab y ∆ E * uv , particularmente para su uso en la definición de tolerancias de color, pero ambos se han vuelto ampliamente utilizados como sistemas de orden de color y modelos de apariencia de color, incluso en gráficos por computadora y visión por computadora. Por ejemplo, el mapeo de gama en la gestión de color ICC generalmente se realiza en el espacio CIELAB, y Adobe Photoshop incluye un modo CIELAB para editar imágenes. Las geometrías CIELAB y CIELUV son mucho más relevantes desde el punto de vista perceptual que muchas otras, como RGB, HSL, HSV, YUV/YIQ/YCbCr o XYZ, pero no son perceptualmente perfectas y, en particular, tienen problemas para adaptarse a condiciones de iluminación inusuales. [20] [26] [27] [24] [28] [29] [B]
El espacio de color HCL parece ser sinónimo de CIELCH.
El modelo más reciente del CIE, CIECAM02 (CAM significa "modelo de apariencia de color"), es teóricamente más sofisticado y computacionalmente más complejo que los modelos anteriores. Sus objetivos son solucionar varios de los problemas con modelos como CIELAB y CIELUV, y explicar no sólo las respuestas en entornos experimentales cuidadosamente controlados, sino también modelar la apariencia del color de escenas del mundo real. Sus dimensiones J (luminosidad), C (croma) yh ( tono) definen una geometría de coordenadas polares. [20] [24]
Existen varios tipos de sistemas de color que clasifican el color y analizan sus efectos. El sistema de color americano Munsell ideado por Albert H. Munsell es una clasificación famosa que organiza varios colores en un color sólido según el tono, la saturación y el valor. Otros sistemas de color importantes incluyen el Sistema de Color Natural Sueco (NCS), el Espacio de Color Uniforme de la Sociedad Óptica de Estados Unidos (OSA-UCS) y el sistema Coloroide Húngaro desarrollado por Antal Nemcsics de la Universidad de Tecnología y Economía de Budapest . De ellos, el NCS se basa en el modelo de color del proceso oponente , mientras que Munsell, OSA-UCS y Coloroid intentan modelar la uniformidad del color. Los sistemas de combinación de colores comerciales Pantone americano y RAL alemán se diferencian de los anteriores en que sus espacios de color no se basan en un modelo de color subyacente.
También utilizamos "modelo de color" para indicar un modelo o mecanismo de visión del color para explicar cómo se procesan las señales de color desde los conos visuales hasta las células ganglionares. Para simplificar, llamamos a estos modelos modelos de mecanismo de color. Los modelos clásicos de mecanismo de color son el modelo tricromático de Young - Helmholtz y el modelo de proceso oponente de Hering . Aunque inicialmente se pensó que estas dos teorías estaban en desacuerdo, más tarde se comprendió que los mecanismos responsables de la oponencia al color reciben señales de los tres tipos de conos y las procesan a un nivel más complejo. [30] Un modelo ampliamente aceptado se llama modelo de zona. Un modelo de zona simétrica compatible con la teoría tricromática, la teoría del oponente y el modelo de transformación de color de Smith se denomina modelo de decodificación [31].
Los animales vertebrados eran primitivamente tetracromáticos . Poseían cuatro tipos de conos: conos de longitud de onda larga, media y corta y conos sensibles a los rayos ultravioleta. Hoy en día, los peces, anfibios, reptiles y aves son todos tetracromáticos. Los mamíferos placentarios perdieron los conos de longitud de onda media y corta. Por tanto, la mayoría de los mamíferos no tienen una visión compleja de los colores: son dicromáticos pero sensibles a la luz ultravioleta, aunque no pueden ver sus colores. La visión humana tricromática del color es una novedad evolutiva reciente que evolucionó por primera vez en el ancestro común de los primates del Viejo Mundo. Nuestra visión tricromática del color evolucionó mediante la duplicación de la opsina sensible a longitudes de onda largas , que se encuentra en el cromosoma X. Una de estas copias evolucionó para ser sensible a la luz verde y constituye nuestra opsina de longitud de onda media. Al mismo tiempo, nuestra opsina de longitud de onda corta evolucionó a partir de la opsina ultravioleta de nuestros ancestros vertebrados y mamíferos.
El daltonismo humano rojo-verde se produce porque las dos copias de los genes de opsina roja y verde permanecen muy próximas en el cromosoma X. Debido a la frecuente recombinación durante la meiosis, estos pares de genes pueden reorganizarse fácilmente, creando versiones de los genes que no tienen sensibilidades espectrales distintas.
