Teoría de la luz // Colorimetría

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Tal y como hablamos la clase pasada, la luz es uno de los aspectos más fundamentales en lo que refiere a la realización audiovisual. Aquí les dejo un apunte teórico que les puede servir para profundizar lo hablado.

Colorimetría y luz.

Antes de abordar el tema específico de las cámaras de video, cómo se produce el análisis y la síntesis de las imágenes para su posterior transmisión, conviene que estudiemos los aspectos elementales de:

La naturaleza de la luz: un fenómeno físico y objetivo.

El sentido de la vista: un fenómeno fisiológico y psíquico y por lo tanto subjetivo.

La Colorimetría: o sea el estudio de las sensaciones luminosas

Precisamente, conocer las características de estos fenómenos nos permitirá entender cómo el hombre desarrolló la televisión.

La naturaleza de la luz. Lo que comúnmente denominamos luz, es en realidad un conjunto de radiaciones electromagnéticas que se desplazan en un medio transmisor. Como tal la luz ocupa un lugar en el espectro de las radiaciones electromagnéticas.

El ojo humano es sólo sensible a una parte de ese espectro, por lo cual se denomina ESPECTRO VISIBLE. Esto significa que las radiaciones comprendidas en ese espectro visible, provocan en nuestra vista una sensación luminosa.

La luz blanca no existe en la naturaleza. La sensación de blanco nos la da la percepción simultánea de un conjunto de radiaciones, que van desde el rojo hasta el violeta, pasando por el naranja, el amarillo, verde, azul, y añil. Cada una de estas radiaciones monocromáticas que forman el espectro visible, por tener un comportamiento ondulatorio poseen una longitud de onda y una frecuencia propia que las caracteriza. (Estos dos parámetros están relacionados por la expresión:  = v / f donde v es la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas, aproximadamente igual a 300.000 km/seg en el vacío.)

En el límite inferior del espectro visible (desde el punto de vista de las frecuencias características de cada onda) se encuentra el rojo con una longitud de onda de 780 10-9 metros. Por debajo del rojo están las radiaciones infrarrojas.

En el extremo superior se encuentra el violeta con una longitud de onda de aproximadamente 400 10-9 metros. Más allá del violeta se encuentran las radiaciones ultravioletas.

En general el ojo observa una mezcla de luces monocromáticas en diferentes proporciones. Estas mezclas producen la sensación de otros colores diferentes de las monocromáticas que acabamos de definir y que existen objetivamente.

Observando el espectro de descomposición de la luz blanca al atravesar un prisma podemos hacer ciertas reflexiones. Este espectro comprende todas las frecuencias de las ondas electromagnéticas perceptibles para el ojo humano y a pesar de ello está lejos de ofrecernos todos los colores de los cuales podemos tener sensación.

Esto se debe a que el ojo no diferencia entre una radiación monocromática (su espectro es una raya de energía, de frecuencia determinada) y una de distribución espectral discreta ( o sea, con un espectro formado por dos o más rayas de energía de frecuencia distintas) o una de distribución espectral continua (es decir, cuyo espectro tenga en toda la banda de frecuencia un nivel de energía no nulo) y nos proporciona una impresión determinada de color o de blanco.

Ahora bien, las radiaciones luminosas pueden llegarnos a los ojos o bien directamente desde una fuente luminosa mono o poli cromática o indirectamente por intermedio de objetos que son iluminados por la fuente.

Estos objetos, pueden alterar la radiación que reciben según absorban o reflejan todo o parte del espectro recibido. Por esta razón podemos afirmar que los objetos no poseen u color propio sino que éste depende del espectro de la fuente que lo alumbra, del modo de transmisión propio del material y del objeto y de la sensibilidad diferencial del ojo para las distintas radiaciones. De ahí que podamos clasificar los materiales según como se comporten al ser iluminados por una luz blanca.

Incoloros: si dejan atravesar de forma igual todas las radiaciones del espectro visible

Blancos: si reflejan (difunden) en todas las direcciones y de forma igual todas las radiaciones de este espectro.

Negros: si absorben todas las radiaciones visibles.

Coloreados: si absorben o reflejan (difunden) de forma selectiva estas radiaciones en función de la longitud de onda.

Antes de comenzar a estudiar el ojo humano, recordemos una diferencia. Las radiaciones luminosas que excitan nuestro sistema visual, son objetivas. Como hemos observado, se pueden medir y comparar. Poseen parámetros que podemos medir como la frecuencia y la longitud de onda. En cambio, la sensación luminosa es subjetiva y propia de cada persona que recibe el estímulo visual. La sensación luminosa es lo que interpreta el ojo humano.

El ojo humano. Podemos comparar la constitución del ojo con una cámara fotográfica: la cámara negra del ojo es el humor vítreo, el objetivo está constituido por la córnea y el cristalino, el diafragma por el iris con el orificio de diámetro variable que es la pupila. La película fotosensible se corresponde con la retina y el obturador con el párpado.

La retina está constituida por una gran cantidad de células fotosensibles cada una de las cuales da en cada instante informaciones correspondientes a la intensidad y al color de las radiaciones recibidas.

Estas células captadoras que constituyen la retina son terminaciones de una gran cantidad de fibras nerviosas que salen de un solo haz: el nervio óptico, que es el encargado de transmitir las informaciones al cerebro. Ahora bien, existen dos tipos bien diferenciados de células: los conos y los bastoncitos.

Conos: poseen un enlace individual con el cerebro, por lo que proporcionan mensajes muy precisos.

Bastones: van agrupados de a trescientos a un conducto nervioso por lo que son muy sensibles, aún con niveles de energía luminosa muy escasa.

Si se examina con un microscopio la superficie retiniana se comprueba que la densidad de los conos es mucho mayor que la de los bastoncitos en una zona situada en el extremo opuesto de la pupila, que se llama mancha amarilla. El centro de esta zona está totalmente desprovista de bastones, se denomina fóvea. Cuando deseamos observar al detalle un objeto, automáticamente orientamos los ojos de manera que la imagen retiniana se forme en esta zona de máxima resolución.

Otra importantísima diferencia fisiológica entre conos y bastones es que los primeros son sólo sensibles al color, mientras que los bastones son dan información referente a la luminosidad global del objeto iluminado. Como los conos, que son menos sensibles que los bastones, son los únicos responsables de la percepción de los colores, con bajos niveles de luz se deja de tener visión de los colores(es lo que se denomina visión crepuscular).

Para explicar el mecanismo de la percepción de los colores se han propuesto diversas teorías. La más admitida sostiene que existen tres tipos de conos, sensibles unos a una banda de frecuencia centrada en el rojo; otros sensibles a una banda de frecuencia centrada en el azul, y por último, otros, sensibles a una banda de frecuencia centrada en le verde.

Se comprueba que el ojo tiene una sensibilidad relativa a la longitud de onda de las radiaciones percibidas, es decir que nuestra visión no responde de forma uniforme a todo el espectro visible sino que es más sensible a unas radiaciones que a otras. El ojo presenta una máxima sensibilidad al color verde: es una característica natural del ojo humano. Esto significa que el ojo necesita menor cantidad de luz para ver una imagen verde. A la noche la sensibilidad del ojo se va desplazando hacia el azul. Cuando hay poca luz el ojo es más sensible a las formas y a las variaciones de grises que a los colores porque los bastones son los más sensibles y los únicos que quedan actuando con poca luz.

Teniendo en cuenta esta característica natural del ojo humano, el proceso electrónico del verde en los televisores color, es más cuidado que el que se realiza con el rojo y el azul. Elegir 1 solo color para procesarlo mejor electrónicamente, simplifica el proceso. Esto significa que la cámara de televisión color no le asigna mayor resolución al rojo y al azul y por ese motivo los contornos de los objetos de esos colores aparecen un tanto borrosos. Por ese motivo es recomendable no utilizar colores rojo y azul saturados en televisión ( se ven con poco detalle).

Agudeza visual o poder separador del ojo. Teniendo en cuenta dos aspectos característicos de la visión humana ha sido posible la creación de las técnicas de reproducción de imágenes fijas y en movimiento.

La naturaleza discontinua de la superficie retiniana explica los límites de la agudeza visual: si dos fuentes luminosas puntuales suficientemente próximas impresionan en un solo cono, el cerebro recibirá una información sensorial.

La distancia aproximada que separa 2 elementos retinianos en la mancha amarilla es de 2,5m, la distancia focal del cristalino es de 2 cm, por lo que se puede deducir el ángulo mínimo que deben formar 2 rayos luminosos para poder ser percibidos distintamente es de ½ ´. En la práctica se acepta un ángulo de 1´ como poder separador del ojo o agudeza visual en un individuo de vista normal. Este límite de agudeza visual es muy importante en el terreno de reproducción de las imágenes, porque resultaría inútil reproducir imágenes con una definición que no esté en relación con este ángulo separador de un minuto. Elementos discretos lo suficientemente pequeños no serán discriminados por el ojo o lo bastante juntos darán una impresión de continuidad. Por eso con puntos negros y blancos en proporciones variables, se puede obtener la impresión de gris. Con puntos de colores se puede obtener la sensación de un color que puede ser diferente de los constituyentes, un grupo de puntos lo bastante juntos como para no ser disociados por el ojo será percibido entonces como una fuente puntual cuyo espectro sea la suma de las radiaciones de todos los puntos del grupo. (esto es cierto sólo en el caso de una síntesis aditiva de colores como sucede en televisión).

Tiempo de formación y de remanencia de la sensación luminosa. Otra característica de la visión humana que es aprovechada por las técnicas de reproducción de imágenes en movimiento es la inercia del sistema óptico: inercia para formarse la impresión luminosa e inercia para desaparecer esta impresión.

Es decir, si se suceden dos destellos con una rapidez suficiente, provocan la sensación de ser uno sólo, de una duración igual a la suma de ambos. Para provocar este fundido encadenado de la separación luminosa, las excitaciones sucesivas no deben estar separadas por un intervalo mayor a 1/15 de segundo, que es la duración media de la persistencia de las sensaciones visuales. Es decir, que para producir sensación de movimiento hay que proyectar imágenes sucesivas a un ritmo superior a 15 por segundo. En la práctica, se emplea un ritmo más alto, para evitar la fatiga visual que se produciría con una cadencia inferior, más cercana al valor crítico. En cine se proyectan 24 cuadros por segundo y en televisión 25 cuadros por segundo o 30 cuadros por segundo, según la norma.

Por otra parte, la inercia del sistema visual nos da la posibilidad de aprovechar el tiempo muerto entre imágenes sucesivas para proceder a su cambio; durante ese tiempo muerto el ojo no recibe información alguna, pero el cerebro no tiene tiempo de percibir esa ausencia de luz e integra esas informaciones discontinuas como una imagen continua en la que sólo se percibirán las variaciones parciales que se produzcan en la propia imagen.

Reproducción secuencial: En cine, cada imagen es proyectada durante un breve intervalo de tiempo, luego es sustituida por otra imagen que corresponde a la fase siguiente de la misma escena y así sucesivamente. Para que no se perciba la discontinuidad esta secuencia se realiza a un ritmo de 24 imágenes por segundo. La sustitución de una imagen por otra se hace en un tiempo más corto que el de la duración de la proyección de cada imagen y durante el cual un obturador intercepta el haz de luz luminoso de proyección. En definitiva el ojo integra: imagen1+negro+imagen2+negro…

Colorimetría ( estudio de las sensaciones de color)

LUMINANCIA, MATIZ Y SATURACIÓN (parámetros de la visión

Ahora vamos a definir ciertos parámetros que nos hacen diferenciar una percepción coloreada de otra.

A causa de la sensibilidad relativa del ojo, ciertos colores como el verde y el amarillo nos parecerán, con igual iluminación, más luminosos que otros como el azul y el rojo. Esta sensación de luminosidad relativa es un parámetro de la visión que se denomina luminancia y que físicamente corresponde a la energía luminosa percibida (y no a la emitida).

Luminancia: sensación de luminosidad relativa

Otro parámetro de la visión se refiere a la discriminación de matices: el ojo es capaz de distinguir en el espectro monocromático cerca de 250 tonos. Físicamente la noción de matiz está relacionada con las longitudes de ondas predominantes de la radiación percibida por el ojo.

Matiz: es el color propiamente dicho.

Para definir una radiación, por cada matiz debemos considerar un tercer parámetro: la saturación o pureza del color. Este parámetro nos permite distinguir un color vivo de un pastel desvaído.

Saturación: Es el grado de mezcla del color considerado con el blanco. Color puro: mayor saturación (0% de blanco)

En resumen: cualquier radiación puede definirse por su luminancia, y por dos parámetros de cromaticidad: matiz y saturación.

Reproducción de las imágenes en colores

Todos los procedimientos de reproducción de colores se apoyan en los principios de una teoría (tricromía) según los cuales se pueden reproducir prácticamente todas las sensaciones cromáticas que nos proporciona la sensación directa del mundo que nos rodea mediante la mezcla adecuada de tres colores elegidos. Estos colores denominados primarios, se eligen de modo distinto según que la radiación que llegue a nuestros ojos sea la suma de un conjunto de radiaciones generadas por el sistema de reproducción o la resta del espectro de iluminación por difusión, absorción, reflexión o transmisión selectiva de una parte de las radiaciones de dicho espectro por los materiales usados en la reproducción. En el primer caso se dice que se trata de una síntesis aditiva, y en el segundo de una síntesis sustractiva. En realidad en este caso no es síntesis, sino eliminación de alguna de las radiaciones por lo que podemos denominarla transmitancia selectiva.

Mezclas aditivas. Este método utiliza el fenómeno sicofisiológico del sentido de la vista, que realiza la integración de las radiaciones percibidas simultáneamente de diferentes longitudes de onda, brindándonos una sensación de un color determinada o de blanco. Por esta razón es el método que se utiliza en televisión.

Quiere decir que si regulamos 3 proyectores de luz de color para que sus haces se junten en el mismo punto podemos obtener una mezcla aditiva cuyas proporciones se pueden ajustar actuando sobre las intensidades de los distintos proyectores coloreados.

VERDE

AZUL

ROJO

Diagrama de colores

Rojo + Verde = Amarillo

Verde + Azul = Cyan

Rojo + Azul = Magenta

Rojo + Verde + Azul = Blanco

Ausencia de luz = Negro

Color Primario + su complementario, nos da el blanco:

Rojo + Cian = Blanco

Verde + Magenta = Blanco

Azul + Amarillo = Blanco

La suma de dos complementarios, nos da el color primario del complementario ausente:

Cian + Magenta = Azul

Cian + Amarillo = Verde

Magenta + Amarillo = Rojo

Mezclas sustractivas

Un ejemplo de la obtención de colores por mezcla sustractiva es el que nos brindan los filtros selectivos. Estos filtros modifican, por transmisión selectiva, la composición espectral de la radiación que los atraviesa. Un filtro rojo por ejemplo, sustrae de la radiación incidente casi la totalidad de las radiaciones de longitudes de onda diferentes de las del rojo. CURVAS DE TRANSMITANCIA SELECTIVA.

Filtros de 3200° K (para interiores) = son azules, dejan pasar más a las radiaciones azules

Filtros de 5700° K (para exteriores) = son amarillos, dejan pasar más a las radiaciones de la banda rojo/amarillo

Por el contrario, los objetos nos transmiten la luz por reflectancia o difusión, selectiva o no.

Diagrama de cromaticidad:

corresponde a la representación de todos los colores reproducibles en un plano.

Colores saturados: en la herradura

Zona de blancos: en el centro de la herradura

Un color primario más su complementario nos da el color blanco, por lo que el complementario de un color primario determinado, se encuentra a 180° en el diagrama de cromaticidad

RGB: son los colores primarios adoptados por la televisión, que ocupan un lugar en el espectro según las normas establecidas para cada sistema de televisión, y ocupan un lugar en el diagrama de cromaticidad según las normas establecidas en cada sistema de televisión.

Sabemos que la sensación de blanco está dada por la percepción simultánea de todo el espectro visible, o sea la mezcla de todas las radiaciones del espectro visible con una energía casi constante. Pero en la práctica no existe una fuente de tales características. Por esa razón, se definen diferentes blancos. En televisión, el BLANCO de referencia es el blanco que equivale a la luz solar filtrada por las nubes y corresponde a una temperatura color (o temperatura de cuerpo negro) de 6500 °K.

¿Por qué es importante, en video, conocer la temperatura color de una fuente luminosa? Porque los objetos se ven de determinados colores según la luz que los ilumina. Por lo tanto, el contenido espectral de la fuente de luz que ilumina una escena influye en la respuesta de la cámara de televisión.

Una lámpara de tungsteno es de 3200° K (porque emite una luz blanca igual a la que emite un cuerpo negro cuando se lo calienta a 3200° K).

Glosario

TEMPERATURA COLOR: Es la temperatura a la que hay que calentar un cuerpo patrón negro (radiador ideal) para que adquiera ese color. Por esa razón se mide en grados Kelvin. El espectro de radiación (el color que adquiere) depende de la temperatura. Pero conviene que tengamos en cuenta que aunque la calidad cromática de una fuente luminosa viene expresada en ° K no tiene que asociarse al concepto de temperatura térmica del calor que inevitablemente genera cualquier fuente de luz. El tubo fluorescente tiene una temperatura aproximada de 5.500 ° K y sin embargo genera mucho menos calor que una bombita incandescente cuya temperatura color es de 2.000° K.

TERMOCOLORÍMETRO: es un instrumento para medir la temperatura color de las fuentes luminosas.

FOTÓMETRO: es un instrumento que mide la luz reflejada o emitida por una fuente luminosa.

RESOLUCIÓN: capacidad para discriminar elementos cercanos, o sea capacidad para observar más detalles.

SENSIBILIDAD: capacidad para responder a un estímulo luminoso

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