SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN PARTE II COLORIMETRIA

Transcripción

1 SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN PARTE II COLORIMETRIA

2 COLORIMETRÍA Es la ciencia y la tecnología usada para cuantificar y describir matemáticamente las percepciones humanas del color RETINA HUMANA 6.8 MILLONES DE CONOS (DIA Y COLOR) 115 MILLONES DE BASTONES (ROD) (NOCTURNA Y PERIFÉRICA) Los conos están concentrados en la Fóvea ( 15º ) Los bastones solo contienen un fotopigmento (Rhodopsin) y no permite el reconocimiento de colores. Los conos contienen 3 clases de fotopigmentos: L-CONE Long wavelength sensitive, vulgarmente ROJO (R) M-CONE Medium wavelength sensitive, vulgarmente VERDE (V) S-CONE Short wavelength sensitive, vulgarmente AZUL (B) La abundancia relativa de los conos es: R=40 G=20 B=1

3 V() 1 SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO: VISIÓN FOTÓPICA (PHOTOPIC) (ALTOS NIVELES DE LUZ) MÁXIMO EN 555 nm (AMARILLO-VERDOSO) 92 lx 59% 100 lx 100% Publicada en 1923 por K.S.Gibson y E.P.T. Tyndall (National Bureau of Standards) 52 observadores en los años 1921 hasta 1923 LUMINOSIDAD AZUL 17 absoluta (11%) ROJO 47 absoluta (30%) VERDE 92 absoluta (59%) TOTAL lx 11% 47 lx 30% COMENTARIO: 4 bombillas de distintos colores todas de la misma potencia, se aprecia diferente brillo. 0 V( ) 1.0 e ( 0.555) 2 [nm] Si la amarilla da 100 lx, la verde dará 92 lx, la roja 47 lx y la azul 17 lx. En un televisor: Luminancia = 0.30 rojo verde azul

4 SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO: VISIÓN ESCOTOPICA (SCOTOPIC) (BAJOS NIVELES DE LUZ 1 ESTÁNDAR DEFINIDO EN 1931 V'() MÁXIMO EN 505 nm (VERDE-AZULADO) "De noche la sensibilidad se desplaza hacia el azul" 0 [nm] V Aproximación matemática ` ( ) 1.0 e ( 0.505) 2

5 ALTOS NIVELES DE LUZ (FOTÓPICA) "Trabajan los conos fotorreceptores de la retina del ojo". Proceso de adaptación NIVELES DE LUZ INTERMEDIOS VISIÓN MESOTÓPICA (MESOPIC) BAJOS NIVELES DE LUZ (ESCOTÓPICA) "Trabajan los bastones ("rods") fotorreceptores de la retina del ojo". Reconocimiento de colores. NOCHE DIA No permiten reconocimiento de color

6 MODELOS MATEMÁTICOS PARA IGUALAR COLORES El primer modelo procede directamente del análisis de la fisiología del ojo MEZCLA DE TRES COLORES INDEPENDIENTES ROJO SATURADO (R). MONOCROMÁTICO DE 700 nm (Lámpara incandescente con un filtro de banda estrecha) VERDE SATURADO (G). MONOCROMÁTICO DE nm (Obtenida del espectro de mercurio) AZUL SATURADO (B). MONOCROMÁTICO DE nm (Obtenida del espectro de mercurio) "Color-matching" experimentos realizados en 1920 por W.D. Wright, J. Guild y D. Judd "CIE 1931 RGB PRIMARY SYSTEM" R RATIOS DE POTENCIA RADIANTE RELATIVA UTILIZADA B G [nm] R= G= B=1

7 "CIE 1931 RGB PRIMARY SYSTEM" EL ESTÍMULO R SE SELECCIONA CON UN FILTRO DE INTERFERENCIA Y LOS ESTÍMULOS G Y B SON LÍNEAS DE EMISIÓN DE LA DESCARGA DE MERCURIO LAS UNIDADES DE RGB HAN SIDO TOMADAS DE FORMA QUE LA MEZCLA DE 1 UNIDAD DE R, CON 1 UNIDAD DE G, CON UNA UNIDAD DE B PROPORCIONE UN COLOR IGUAL QUE EL ESTÍMULO BLANCO DE TEST RATIOS DE POTENCIA RADIANTE RELATIVA UTILIZADA 1 UNIDAD DE R 1 UNIDAD DE G 1 UNIDAD DE B R= G= B=1 1 UNIDAD DE R APORTA cd/m 2 1 UNIDAD DE G APORTA cd/m 2 1 UNIDAD DE B APORTA cd/m 2 BLANCO DE cd/m 2 "EQUAL-ENERGY STIMULUS" ESTIMULO BLANCO DE TEST P() W nm ESTIMULO E P() = [nm]

8 IDEAS IMPORTANTES DE LA COLORIMETRÍA 1.- CUALQUIER ESTÍMULO PUEDE CONSIDERARSE COMO UNA SUMA DE ESTÍMULOS MONOCROMÁTICOS P() P() P() P() = +... "LEYES DE GRASSMAN" P()

9 IDEAS IMPORTANTES DE LA COLORIMETRÍA 2.- SI TODOS LOS COLORES MONOCROMÁTICOS ENTRE 38O nm Y 780 nm SE IGUALAN CON UNA MEZCLA DE LOS COLORES RGB SE OBTIENEN LAS LLAMADAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" r(), g(), b(). b() g() r() Las "color matching functions" son muy importantes. nos permiten obtener el RGB de cualquier lámpara 17 observadores [nm] FUNCIONES DE AJUSTE DE COLOR =COLOR MATCHING FUNCTIONS

10 EXPERIMENTO PARA OBTENER LAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" "Este proceso se repite con todos los i" B R G ESTIMULO CON LA MISMA ENERGÍA A TODAS LAS b() g() r() = i i [nm] [nm]

11 i R INTERPRETACIÓN VALORES NEGATIVOS EN LAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" B R No es posible igualar la luz de i mezclando RGB G ESTIMULO CON LA MISMA ENERGÍA A TODAS LAS b() g() r() = i i [nm] [nm]

12 Las "COLOR MATCHING FUNCTIONS" r(), g(), b() son importantes, conocido el Espectro de una lámpara podemos conocer la cantidad de R, G y B que necesitamos para describir matemáticamente su color. P() [W/nm] R G P( ) r( ) d P( ) g( ) d [nm] B P( ) b( ) d LA LUMINANCIA DE UN COLOR DADO POR SU RGB SERÁ: L = R G B [cd/m 2 ]

13 COMENTARIO: La sensación de color de un estímulo cualquiera definido por su espectro P(), será igual a la suma de sensaciones de cada una de sus componentes. NORMALMENTE SE NORMALIZA EL RESULTADO r R R G B g G R G B b B R G B OBVIAMENTE: r+g+b = 1

14 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL RESULTADO: TRIÁNGULO DE COLOR DE MAXWELL P() W nm "CIE 1931 RGB PRIMARY SYSTEM" "EQUAL-ENERGY STIMULUS" ESTIMULO BLANCO DE TEST P() W nm ESTÍMULOS MONOCROMÁTICOS [nm] 510 G g 1 [nm] ESTIMULO E P() = P() [W/nm] [nm] 0.33 E 450 B R 1 r NUESTRA LÁMPARA

15 IMPORTANTE: PUEDEN EXISTIR DOS LÁMPARAS CON DISTINTO ESPECTRO PERO EL MISMO COLOR. (COLORES METAMÉRICOS) P() W nm [nm] LÁMPARA 1 G g 1 P() [W/nm] R [nm] B r LÁMPARA 2

16 EL SISTEMA RGB NO SE UTILIZA POR LA DIFICULTAD DE REALIZAR "COLORÍMETROS FOTOELÉCTRICOS" CON CANTIDADES POSITIVAS Y NEGATIVAS EL CIE EN 1931 ADOPTO UN NUEVO CONJUNTO DE ESTÍMULOS PRIMARIOS QUE SE DENOMINAN X, Y, Z. ESTOS ESTÍMULOS SON IMAGINARIOS Y NO SE CORRESPONDEN CON NINGÚN COLOR REAL. SON PURAS TRANSFORMACIONES MATEMÁTICAS. SE HA TOMADO DE FORMA QUE LAS COORDENADAS CROMÁTICAS DEL ESTIMULO BLANCO DE TEST EN RGB Y EN XYZ SEAN LAS MISMAS. UNA DE LAS NUEVAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" SE HA TOMADO V() (ESTÁNDAR FOTÓPICO DEL OJO HUMANO). SE HA TOMADO y() = V(). LAS COORDENADAS DE TODOS LOS COLORES REALES DEBEN DE SER POSITIVAS

17 LA TRANSFORMACIÓN ADOPTADA POR LA CIE XYZ 1931 FUE: X = R G B Y = R G B Z = R G B RGB XYZ "NOTAR QUE LA Y DE LA TRANSFORMACIÓN ES LA LUMINANCIA" LA TRANSFORMACIÓN INVERSA PUEDE OBTENERSE (INVIRTIENDO LA MATRIZ): R = X Y Z G = X Y Z B = X Y Z XYZ RGB

18 LAS NUEVAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" x(), y(), z() PUEDEN OBTENERSE MATEMÁTICAMENTE x() = r() g() b() y() = r() g() b() z() = r() g() b() recordar que se ha preparado todo para que y() = V() z() y() x() Se pueden aproximar matemáticamente: x( ) 0.34e 1200( 0.445) e 450( 0.600) 2 y( ) V( ) 1.0 e ( 0.555) 2 [nm] z( ) e en m 800( 0.450) 2

19 Utilizando las "COLOR MATCHING FUNCTIONS" x(), y(), z() pueden obtenerse las coordenadas cromáticas XYZ de una lámpara P() [W/nm] X Y P( ) x( ) d P( ) y( ) d [nm] Z P( ) z( ) d NOTAR QUE AHORA Y ES DIRECTAMENTE LA LUMINANCIA (L) DE LA LÁMPARA

20 Sistemas Electrónicos para iluminación Z Y X X x Z Y X Y y Z Y X Z z OBVIAMENTE: x+y+z = 1 IGUAL QUE ANTES, SE NORMALIZA EL RESULTADO

21 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL RESULTADO: CIE 1931 XYZ P() W nm "CIE 1931 XYZ PRIMARY SYSTEM" "EQUAL-ENERGY STIMULUS" ESTIMULO BLANCO DE TEST P() W nm y ESTÍMULOS MONOCROMÁTICOS [nm] G [nm] ESTIMULO E P() = P() [W/nm] 0.33 E 620 R 460 [nm] B x NUESTRA LÁMPARA

22 MEZCLA DE 2 COLORES PROPORCIÓN DE A PROPORCIÓN DE B COLOR A COLOR B COLOR OBTENIDO

23 CASO PARTICULAR MEZCLA DE EXTREMOS DEL ESPECTRO VISIBLE: LÍNEA DE PÚRPURAS LÍNEA DE PÚRPURAS COLOR A COLOR PÚRPURA

24 IMÁGENES DE TELEVISIÓN LONGITUD DE ONDA COMPLEMENTARIA BLANCO "El color A puede considerarse una mezcla de blanco (LUMINANCIA) con el color monocromático correspondiente (CROMINANCIA) "El color B puede obtenerse de filtrar del color blanco el color monocromático correspondiente B A LONGITUD DE ONDA DOMINANTE

25 MEZCLA SUBSTRACTIVA DE COLORES (PINTURA, FOTOGRAFÍA Y ARTES GRÁFICAS) MEZCLA DE COLORES FILTRADO DE COLORES FILTROS FILTROS FILTROS BLANCO CYAN (AZUL-VERDOSO) AZUL NEGRO BLANCO MAGENTA (AZUL-ROJO) ROJO NEGRO BLANCO AMARILLO (VERDE-ROJO) VERDE NEGRO

26 MEZCLA DE TRES COLORES: MONITORES COLORES QUE PUEDEN SER REPRESENTADOS POR EL MONITOR FÓSFOROS X

27 OTROS ESTÁNDARES PARA DEFINIR EL COLOR HAN SIDO INTRODUCIDOS POR EL CIE CIE 1960 (u,v) (LAS COORDENADAS CROMÁTICAS SON U, V, W) u 12 4 x y 2 x 3 x 1.5u u 4v 2 v 12 6 y y 2 x 3 y v u 4v 2 ESTE DIAGRAMA ES INTERESANTE PARA EL TEMA DE LA TEMPERATURA DE COLOR

28 Sistemas Electrónicos para iluminación CIE 1976 (u',v') (LAS COORDENADAS CROMÁTICAS SON U', V', W') ' x y x u ' x y y v 3 ' 4 ' ' 2.25 v u u x 3 ' 4 ' ' v u v y

29 TEMPERATURA DE COLOR Y TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA EL MODELO MATEMÁTICO DEL CUERPO NEGRO SIRVE PARA APROXIMAR LA EMISIÓN DE UNA LÁMPARA INCANDESCENTE Y TAMBIÉN LA LUZ SOLAR OBVIAMENTE, LAS LÁMPARAS NO RESPONDEN AL ESPECTRO DEL CUERPO NEGRO "LA TEMPERATURA DE COLOR DE UNA LÁMPARA ES LA TEMPERATURA A LA QUE TENGO QUE PONER EL CUERPO NEGRO PARA QUE LA APARIENCIA DE COLOR DE AMBOS SEA LA MISMA" P() W nm TEMPERATURA DE COLOR DE NUESTRA LÁMPARA 3000 K [nm] CUERPO NEGRO A 3000 K P() [W/nm] T NUESTRA LÁMPARA [nm]

30 DIAGRAMA CIE 1931 XY: TEMPERATURA DE CUERPO NEGRO Y POSICIÓN DE LOS ILUMINANTES ESTÁNDAR DE LA CIE

31 ILUMINANTES ESTANDARIZADOS POR LA CIE ILUMINANTE A: LÁMPARA INCANDESCENTE DE TUNGSTENO A K (CUERPO NEGRO A K) ILUMINANTE B: LUZ SOLAR DIRECTA CON TEMPERATURAS DE COLOR K ILUMINANTE C: LUZ SOLAR DÍA NUBLADO CON TEMPERATURAS DE COLOR K ILUMINANTE D 65 : LUZ NATURAL A TEMPERATURA DE COLOR K ILUMINANTE E: ESTÍMULO EQUI-ENERGÉTICO

32 EVOLUCIÓN DEL COLOR DEL CUERPO NEGRO EN DISTINTOS DIAGRAMAS CIE 1931 XYZ CIE 1960 (u,v)

33 SE USA LA "TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA" PARA CASO EN QUE EL COLOR DE LA LÁMPARA ESTÉ ALEJADO DEL LUGAR DE COLOR DEL CUERPO NEGRO TEMPERATURA DE COLOR DE NUESTRA LÁMPARA? P() [W/nm] T NUESTRA LÁMPARA [nm]

34 TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA T = 3000 K 90º TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA DE NUESTRA LÁMPARA 3000 K P() [W/nm] NUESTRA LÁMPARA [nm] CIE 1960 (u,v)

35 ÍNDICE DE REPRODUCCIÓN CROMÁTICA (IRC) LA CAPACIDAD PARA RECONOCER EL COLOR DE OBJETOS ILUMINADOS POR UNA FUENTE DE LUZ SE MIDE POR MEDIO DEL IRC EL IRC VARIA DE 0 HASTA 100. BUEN IRC 85 NORMAL ENTRE 70 Y 85 MALO 70

36 EJEMPLO DE UN MAL Y DE UN BUEN IRC SODIO DE ALTA PRESIÓN (IRC 25) FLUORESCENTE TRIFOSFORO (IRC 85) MUESTRA DE TEST AZUL VERDE AMARILLO ROJO