CARACTERIZACION FISICA DE LA PERCEPCION DE COLORES DIGITALES

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1 CARACTERIZACION FISICA DE LA PERCEPCION DE COLORES DIGITALES Rafael Muñoz; Nelson Falcón; Aaron Muñoz; Rosa Morales de M. Universidad de Carabobo. Facultad Experimental de Ciencias y Tecnología. Departamento de Física. Apdo. Postal 129 Valencia 2001 Edo. Carabobo. Resumen. Se estudia la aplicación de estímulos generados en monitores CRT para evaluar la respuesta de la percepción digital del color y su empleo experimental en la determinación del umbral de sensibilidad de visión cromática en función de la longitud de onda, de la intensidad y la composición del estímulo. Palabras Claves: color digital, percepción cromática. Abstract. The application of stimulus generated in CRT monitors was studied to evaluate the answer of the digital color perception and its experimental employment in the determination of the threshold of sensibility vision chromatic in function of the wave longitude, of the intensity and the composition of the stimulus. Key words: digital color, chromatic perception. INTRODUCCION. La visión fotópica y la percepción del color ha motivado el concurso de físicos, fisiólogos y psicólogos, con el fin de modelar y reproducir la sensación de color y determinar los estímulos neurológicos que la generan. Tanto la pionera teoría tricromática de Young-Helmholtz como las más recientes teorías de la visión cromática humana (ver: Singer & Leonards, 1997; Aohjas et al 1995, y referencias en ellos) reconocen la respuesta desigual de la percepción óptica en relación con la longitud de onda, la intensidad del estímulo y la irradiancia de fondo (contraste). Sin embargo no existe aún una teoría completa que explique la visión de color humana, pues ella depende, además de los estímulos fisiológicos, de la auto-organización del sujeto, de su memoria y del aprendizaje (Serrano 1988). Esta limitación en el modelado de la visión motiva la realización de experiencias reproducibles con la finalidad de diagnosticar las características de la percepción de color para sujetos tricrómatas normales. Los desarrollos recientes en dispositivos multimedios invitan además a la caracterización de los colores generados por medio de la combinación de tríadas cromáticas en monitores de computadoras, tanto de cristal líquido como de tubos de rayos catódicos (CRT), para la reproducir los matices, colores y pigmentaciones de forma similar a como son percibidos naturalmente por sujetos tricrómatas normales. Los monitores CRT generan la policromía a partir de la combinación de tres haces rojo (R), Verde (G) y azul (B), en diferentes proporciones desde 0 hasta 255 (nivel RG13). Combinaciones idénticas entre estos 2" bits para el mismo nivel RGB en diferentes monitores, evidencian composiciones espectrales disímiles, por lo que un mismo sujeto podrá percibir matices diversos en monitores diferentes aún cuando estos tengan la misma selección de niveles RGB. Por otra parte la sensibilidad al estímulo depende del sujeto: un mismo nivel RGB generará estímulos diferentes en varios sujetos tricrómatas "normales" que empleen el mismo monitor. Influyen también las condiciones de

2 observación: iluminación del entorno, distancia a la fuente y ángulo de observación. Un método standards de caracterizar la visión cromática es el empleo del test de Ishihara (Matlin & Foly 1996), cuyo empleo en la percepción de colores digitales es limitado ya que está fundamentado en pigmentos sobre papel y no reproduce ni los matices ni las variaciones de intensidad, típicas en la generación de colores en monitores y pantallas electrónicas. Las consideraciones precedentes motivan la realización de experiencias reproducibles que posibiliten el diagnóstico de la percepción de color digital. En el presente trabajo se estudia la respuesta de la percepción de color digital y su empleo en experiencias con diversos sujetos tricrómatas normales. Primeramente se muestran los resultados de la colorimetría del monitor CRT, luego los experimentos efectuados para determinar la sensibilidad de la visión cromática respecto al nivel RGB, la diferenciación de colores (apareamiento cromático) y la sensibilidad al contraste respecto de la intensidad del estímulo (fenómeno de Bezold-Brucke). EXPERIMENTO 1: COLORIMETRIA DEL MONITOR. Las tarjetas controladoras de los monitores CRT solo permiten colores definidos por valores enteros del nivel RGB por lo que el espacio de colores generados es discreto y debe caracterizarse previamente. Por otro lado la emisión de la pantalla exhibe un espectro que no cubre toda la gama del espectro visible, sino que emite en zonas parciales del mismo, debido a las limitaciones inherentes a las frecuencias típicas de excitación de los revestimientos y componentes de la pantalla del CRT. Se empleó un monitor CRT Sansung modelo 4685; con frecuencias de barrido horizontal 31,5 KHz y vertical 60/70 Hz al cual se le determinó su composición espectral, calibrada por medio de los espectros de emisión del hidrógeno y del mercurio. Los resultados de la espectroscopia se muestran en la tabla 1 (gráfica 1) y la fotometría se resume en la gráfica 2.

3 Tabla 1. Característica Espectral del Monitor CRT Sansung modelo 4685

4 La distribución espectral permite elaborar la matriz colorimétrica (Palomares et al 1997) La asimetría de la matriz muestra que la composición de los colores derivados no es uniforme y que su ponderación para la generación final del color (autovalores) es heterogénea. La gráfica 1 sugiere que el color rojo es mas definido mientras que el verde es más difuso, adicionalmente muestra que los colores digitales "primarios" azul y verde no son homogéneos. Así el rojo es también naranja y el azul es levemente verde. La gráfica 2 muestra que la intensidad varía exponencialmente con el nivel RGB, siendo la constante de proporcionalidad máxima para el verde y mínima para el rojo. La dispersión se incrementa con el nivel RGB por encima de los 100. El umbral de diferenciación es inferior a los 0,5 lux, no permitiendo la diferenciación de colores para valores del orden de los 60 RGB. EXPERIMENTO 2: SENSIBILIDAD DIFERENCIAL Se efectuó un test de sensibilidad diferencial empleando un programa codificado en Visual Basic 5.0 (Microsoft Ó1997) para un computador compatible IBM y procesador AMD 586. Como estímulo se empleó un campo de observación interior monocromado situado en un campo visual oscuro (campo exterior). El área del campo interior sustiende un ángulo visual de 2 grados a la distancia de observación de 70 cm. Cada sujeto observa los campos para percibir la diferencia de luminosidad con intensidades (nivel RGB)1 y I + DDI. Las pruebas se realizan con iluminación natural y en condiciones de oscuridad sobre diez sujetos tricrómatas normales, 6 de sexo masculino incluyendo dos niños de seis años de edad. Se usa el método de los límites (Arens 1967) para medir la sensibilidad diferencial (I / DDI), mediante la observación de una serie ascendente en la que se aumenta el nivel RGB del test hasta su percepción por el sujeto. Se repite el procedimiento en la serie descendente disminuyendo el nivel RGB. Los resultados promedio se muestran en la gráfica 3. Gráfico 3. Sensibilidad Diferencial

5 Se observa que el umbral de sensibilidad RGB (promedio del grupo experimental) es de 30 para el color verde, de 40 para el azul y de 50 para el color rojo, tendencia que se mantiene conforme se incrementa el nivel RGB. La gráfica 3 ilustra que la sensibilidad diferencial se incrementa para el verde a una mayor rata, con respecto del nivel RGB, que para los colores rojo y azul. EXPERIMENTO 3: APAREAMIENTO CROMÁTICO. Un campo decolores digitales rojo y amarillo, generados por un computador y un monitor CRT descritos anteriormente, se le compara con una fuente de luz amarilla (LED) de longitud de onda pico en 585 nm. Cada sujeto debe realizar el apareamiento del campo de mezcla con el campo amarillo en orden ascendente y descendente. Se controla la luminancia de la fuente (LED) y la proporción rojo-verde del monitor desde N=0 (rojo) hasta N=99 (verde). El diseño se calibra previamente con 7 sujetos seleccionados mediante el Test de Ishihara. El campo del test abarca un ángulo visual de dos grados y las medidas son tres veces repetidas bajo condiciones regulares. Se emplean, luego de promediar los resultados por sujeto, los criterios de Pickford y la relación de Rayleigh (Matlin & Foly 1996): con el fin de clasificar anomalías y deficiencias en la percepción cromática de los sujetos (Tabla 2) indetectables con el test de Ishihara. Tabla 2: Anomalías de Pickford en apariamiento cromático

6 EXPERIMENTO 4: SENSIBILIDAD AL CONTRASTE Un conjunto de estímulos de onda cuadrada espacial, construidos mediante síntesis de Fourier y en forma de entramados sinusoidales isoiluminados con cromatismo rojo-verde(nivel RGB=125), se emplean para medir la sensibilidad al contraste de dos sujetos tricrómatas normales. Solo uno de los sujetos es un observador psicofísico experimentado. Las tramas de los entramados pueden variar su orientación vertical, horizontal u oblicuamente, preservando el ángulo visual de dos grados para la visión binocular. Se emplea el método de los límites en el rango de frecuencias [0,5;50] ciclospor grado de visión. Se disminuye en cada caso el contraste hasta que la percepción del entramado sea anulada por el fondo uniforme a una frecuencia límite. El perfil de iluminancia espacial del entramado se diseña de acuerdo con la relación: donde ω denota la frecuencia espacial; C el contraste, C su variación y Mr y Mv las luminancias medias en rojo y verde respectivamente. De la relación precedente es claro que el entramado cromático isoluminante corresponde a C = 0 y L= Mr-Mv. Análogamente los entramados homocromáticos luminantes corresponden a L = Mr + Mv y C =0. La luminancia combinada con entramados cromáticos se obtiene siempre que C 0. El resultado se presenta en la gráfica 4, evidenciando la frecuencia de umbral de 6 ciclos/s para la percepción del contraste (nivel RGB= 125). El contraste es percibido a ambos lados de la frecuencia umbral. Gráfico 4: Sensibilidad al Contraste DISCUSION. La similitud observada entre las formas de las gráficas 2 y 3, evidencian que en la percepción del color digital en monitores CRT la intensidad es un factor preponderante, frente a la longitud de onda. También los resultados del experimento 1 evidencian que el espectro discreto del color rojo generado por monitores CRT contribuyen a

7 la diferenciación de este pigmento frente a los pigmentos menos resueltos, espectroscópicamente continuos, del verde y el azul. La mayor sensibilidad de la visión (Reía 1991) hacia la longitud de onda de 550 nm (amarillo-verdoso) parece explicar los resultados del apareamiento cromático cuya tendencia hacia el verde es manifiesta. Los resultados del experimento 3 muestran la detección de patologías del cromatismo de la visión en sujetos que, frente al test de Ishihara, se consideraban tricrómatas normales. Por otro lado, los experimentos 3 y 4, parecen demostrar que el contraste y la intensidad son factores determinantes en la producción de los metamerismos de color digital y sugiere que la fatiga cromática ( Baüm 1995) puede ser causa de una menor sensibilidad cromática en la percepción digital del color. En general los resultados parecen indicar que el contraste, el carácter discreto o no del espectro de la fuente estímulo y la intensidad relativa afectan la sensibilidad diferencial. Mientras que la longitud de onda determina, como en el experimento 2, el umbral de sensibilidad de la percepción digital de color en sujetos tricrómatas normales. La aplicabilidad de estas ideas sugiere la posibilidad de su aplicación en el diseño de monitores RCT para la generación de metamerismos de color digital y el empleo de software en diagnóstico de patologías de percepción cromática. Es preciso, sin embargo, un estudio más lapso sobre estos aspectos. REFERENCIAS 1. Aohjas, L.; Copilla, J. Pujo, F. (1995) Optica fisiológica. Mc GrawHill N.Y. 2. Baüm, K.H. (1995) J. Op. Soc. Am. 12, Matlin, M.W; Foley, H. J. (1996) Sensación y Percepción. Pretince Hall México. 4. Palomares, A.; Lorente, A.; Martinez, F.; Artigas, J.M. (1997). J. Op. 28, 3, Rela, A. (1991) Rev. Arg. Ens. Física. 4, I, Serrano, H. (1988) El Enigma del color. Soc. Vnla. De Oftalmología. Conferencia Espino. Talleres Junko C. A..Caracas. 7. Singer, W.; Leonards, U. (1997) Visión Res. 37, 9,