En la ciencia del color , un modelo de color es un modelo matemático abstracto que describe la forma en que los colores pueden representarse como tuplas de números, normalmente como tres o cuatro valores o componentes de color. Cuando este modelo se asocia a una descripción precisa de cómo deben interpretarse los componentes (condiciones de visualización, 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 los receptores de luz de longitud de onda larga ( L ), longitud de onda media ( M ) y longitud de onda corta ( S ) . El origen, ( S , M , L ) = (0,0,0), corresponde al negro. El blanco no tiene una posición definida en este diagrama; más bien, se define de acuerdo con la temperatura de color o el balance de blancos según se desee o según esté disponible a partir de 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 saturarán o incluso se dañarán a intensidades de luz extremadamente altas, pero tal comportamiento no es parte del espacio de color CIE y tampoco lo es la percepción cambiante del color a niveles bajos de luz (ver: curva de Kruithof ). Los colores más saturados se encuentran en el borde exterior de la región, y los colores más brillantes se encuentran 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 que es menor que la luz de las áreas circundantes. Se puede observar esto mirando la pantalla de un retroproyector durante una reunión: se ven letras negras sobre un fondo blanco, aunque el "negro" de hecho no se ha vuelto más oscuro que la pantalla blanca en la que se proyecta antes de que se encendiera el proyector. 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 que las rodea. Véase también constancia del 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 permite, por ejemplo, describir fácilmente los colores posibles ( gama ) que se pueden construir a partir de los primarios rojo, verde y azul en una pantalla de ordenador.
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 una cierta cantidad de arbitrariedad en ellas. Las formas de las curvas de sensibilidad X, Y y Z individuales se pueden medir con una precisión razonable. Sin embargo, la función de luminosidad general (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. En la misma línea, 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 se representan mediante 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 aplicación de pintura y pigmento en arte y 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 RYB tradicional, este último surgiendo 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 amarillo, rojo y 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 los 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 de color humanas. Es por eso que los televisores en color o los monitores de computadora en color solo necesitan producir mezclas de luz roja, verde y azul. Consulte Color aditivo .
En principio, se podrían utilizar otros colores primarios, pero con el rojo, el verde y el azul se puede captar la mayor parte del espacio cromático humano. Lamentablemente, no hay un consenso exacto sobre qué lugares deben ocupar los colores rojo, verde y azul en el diagrama de cromaticidad , por lo que los mismos valores RGB pueden dar lugar a colores ligeramente diferentes en distintas pantallas.
RGB es un modelo de color dependiente del dispositivo : diferentes dispositivos detectan o reproducen un valor RGB dado 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 que los seres humanos pueden percibir si se combinan tintes o tintas transparentes de color cian , magenta y amarillo sobre un sustrato blanco. Estos son los colores primarios sustractivos . A menudo se agrega una cuarta tinta, el negro , 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 la verde y la azul, la tinta magenta absorbe la luz verde pero transmite la roja y la azul, y la tinta amarilla absorbe la luz azul pero transmite la roja y la verde. El sustrato blanco refleja la luz transmitida de vuelta al espectador. Debido a que en la práctica las tintas CMY adecuadas para la impresión también reflejan un poco de color, lo que hace imposible un negro profundo y neutro, el componente K (tinta negra), que normalmente se imprime en último lugar, es necesario para compensar sus deficiencias. El uso de una tinta negra separada también es económico cuando se espera un gran contenido de negro, por ejemplo en medios de texto, para reducir el uso simultáneo de las tres tintas de color. Los tintes utilizados en las impresiones fotográficas y diapositivas en color tradicionales son mucho más 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 colocan en formas cónicas , cilíndricas o esféricas , con colores neutros que van del negro al blanco a lo largo de un eje central y tonos que corresponden a ángulos alrededor del perímetro. Las 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 sólidos de color únicos . Muchos tienen forma de esfera , mientras que otros son figuras elipsoidales 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 típicos y prototipos de muchos otros esquemas de sólidos de color. [14] Los modelos de Runge e Itten son básicamente idénticos y forman la base de la descripción que sigue.
Los tonos puros, saturados y de igual brillo se encuentran alrededor del ecuador, en la periferia de la esfera cromática. Al igual que en el círculo cromático, los tonos contrastantes (o complementarios) se encuentran uno frente al otro. Al desplazarse hacia el centro de la esfera cromática 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 . Al desplazarse verticalmente en la esfera cromática, los colores se vuelven más claros (hacia la parte superior) y más oscuros (hacia la parte inferior). En el polo superior, todos los tonos se encuentran en el blanco; en el polo inferior, todos los tonos se encuentran en el negro.
El eje vertical de la esfera de color es gris en toda su longitud, variando desde el negro en la parte inferior hasta el blanco en la parte superior. Todos los tonos puros (saturados) se encuentran en la superficie de la esfera, variando de claros a oscuros a lo largo de la esfera de color. Todos los tonos impuros (no saturados, creados al mezclar colores contrastantes) comprenden el interior de la esfera, variando igualmente en brillo de arriba a abajo.
Tanto HSL como HSV son geometrías cilíndricas, en las que el tono, su dimensión angular, comienza en el primario rojo a 0°, pasa por el primario verde a 120° y el primario azul a 240°, y luego vuelve 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 ordenador y proyectores producen colores combinando luz roja, verde y azul en distintas intensidades (los colores primarios aditivos RGB) . Sin embargo, la relación entre las cantidades de luz roja, verde y azul que constituyen 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 de dar cabida a modelos de mezcla de colores más tradicionales e intuitivos, los pioneros de los gráficos por ordenador de PARC y NYIT desarrollaron [ se necesita más explicación ] el modelo HSV a mediados de los años 1970, descrito formalmente por Alvy Ray Smith [16] en la edición de agosto de 1978 de Computer Graphics . En la misma edición, Joblove y Greenberg [17] describieron el modelo HSL (cuyas dimensiones denominaron tono , croma relativo e intensidad ) y lo compararon con HSV. Su modelo se basaba más en cómo se organizan y conceptualizan los colores en la visión humana en términos de otros atributos que forman el 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 negro o blanco para lograr colores más claros, más oscuros o menos coloridos.
El año siguiente, 1979, en SIGGRAPH , Tektronix presentó terminales gráficas que utilizaban HSL para la designación de colores, y el Comité de estándares de gráficos por computadora lo recomendó en su informe de situación anual. Estos modelos eran útiles no solo porque eran más intuitivos que los valores RGB sin procesar, sino también porque las conversiones a 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 más antiguo e 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 que determinan el color en dimensiones separadas, a las que llamó tono , valor y croma , y después de tomar medidas cuidadosas de las respuestas perceptivas, se dio cuenta de que ninguna forma simétrica serviría, por lo que reorganizó su sistema en una mancha abultada. [18] [19] [A]
El sistema de Munsell se volvió extremadamente popular, la referencia de facto para los estándares de color estadounidenses (utilizado no solo para especificar el color de pinturas y crayones, sino también, por ejemplo, el color de los cables eléctricos, la cerveza y el suelo) porque estaba organizado en base a mediciones perceptivas, especificaba los colores mediante un triple de números 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 en el tiempo (en lugar de desteñirse) y porque era comercializado de manera efectiva por la Compañía de Munsell . En la década de 1940, la Sociedad Óptica de Estados Unidos realizó mediciones extensas y ajustó la disposición de los colores de Munsell, emitiendo un conjunto de "renotaciones". El problema con el sistema Munsell para aplicaciones de gráficos de computadora es que sus colores no se especifican mediante ningún conjunto de ecuaciones simples, sino solo mediante sus mediciones fundamentales: efectivamente una tabla de búsqueda . La conversión de RGB ↔ Munsell requiere interpolar entre las entradas de esa tabla y es extremadamente costosa computacionalmente 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 de color natural sueco (NCS), ampliamente utilizado en Europa, adopta un enfoque similar al bicono de Ostwald de la derecha. Debido a que intenta adaptar el color a un sólido con una forma familiar basándose en características " fenomenológicas " en lugar de fotométricas o psicológicas, sufre algunas de las mismas desventajas que el HSL y el HSV: en particular, su dimensión de luminosidad difiere de la luminosidad percibida, porque fuerza el amarillo, el rojo, el verde y el azul coloridos a estar en un plano. [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 nuestros H y H 2 , respectivamente, pero definidos en relación con los colores de tinta cian, amarillo y magenta idealizados. 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 coincidir con el metamerismo visual humano , en lugar de ser perceptualmente uniforme, geométricamente. En las décadas de 1960 y 1970, se hicieron intentos de transformar los colores XYZ en una geometría más relevante, influenciados 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, basadas en la teoría del proceso oponente del color, pero ambos también se describen a menudo utilizando coordenadas polares— ( L *, C * uv , h * uv ) y ( L *, C * ab , h * ab ) , respectivamente—donde L * es luminosidad, C * es croma y h * es ángulo de tono. Oficialmente, tanto CIELAB como CIELUV se crearon para 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 utilizado ampliamente como sistemas de orden de color y modelos de apariencia de color, incluso en gráficos de computadora y visión artificial. 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 perceptualmente 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 de la CIE, CIECAM02 (CAM significa "modelo de apariencia de color"), es más sofisticado teóricamente y más complejo computacionalmente 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 de color de escenas del mundo real. Sus dimensiones J (luminosidad), C (croma) y h (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 famosa clasificación que organiza varios colores en un sólido de color basado en 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 América (OSA-UCS) y el sistema Coloroid 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 el Munsell, el OSA-UCS y el Coloroid intentan modelar la uniformidad del color. Los sistemas de igualación de color comerciales americano Pantone y alemán RAL difieren de los anteriores en que sus espacios de color no se basan en un modelo de color subyacente.
También utilizamos el término "modelo de color" para indicar un modelo o mecanismo de la visión del color que explica cómo se procesan las señales de color desde los conos visuales hasta las células ganglionares. Para simplificar, llamamos a estos modelos modelos del mecanismo del color. Los modelos clásicos del mecanismo del 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 llegó a entender que los mecanismos responsables de la oponencia del 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 simétrico compatible con la teoría tricromática, la teoría oponente y el modelo de transformación del color de Smith se llama 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 la luz ultravioleta. Hoy en día, los peces, los anfibios, los reptiles y las aves son todos tetracromáticos. Los mamíferos placentarios perdieron tanto los conos de longitud de onda media como los de longitud de onda corta. Por lo tanto, la mayoría de los mamíferos no tienen una visión compleja del color: son dicromáticos , pero son sensibles a la luz ultravioleta, aunque no pueden ver sus colores. La visión tricromática del color humana 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 por duplicación de la opsina sensible a la longitud de onda larga , 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 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.
