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Laura Bellia » 6.La percezione dei colori: cenni di colorimetria e spettrofotometria

I colori degli oggetti

I colori degli oggetti derivano dalle caratteristiche spettrali della luce che incide su essi e dalle proprietà monocromatiche di assorbimento, riflessione e trasmissione degli oggetti stessi.

Gli oggetti su cui incide la luce riflettono, assorbono e trasmettono le radiazioni in funzione della lunghezza d’onda.

La composizione spettrale delle radiazioni provenienti dall’oggetto stimola in misura differente i tre tipi di coni presenti sulla retina, producendo la sensazione di colore.

La luce riflessa produce la sensazione del rosso

La luce trasmessa produce la sensazione del verde

Colorimetria

La colorimetria identifica e misura i colori con una metodologia sistematica, a prescindere dalla risposta fisiopatologica dell’osservatore.

Il colore di un oggetto è individuato dalla composizione spettrale della radiazione visibile proveniente da esso. La misura di tale composizione è oggetto della spettrofotometria.

Le tre tipologie di coni presenti sulla retina hanno una sensibilità diversa al variare della lunghezza d’onda: la visione di un particolare colore è data dalla combinazione dei tre stimoli, di differente intensità, provenienti dai tre recettori.

Sensibilità spettrale dei tre tipi di coni

Sensibilità spettrale relativa dei tre tipi di coni

I valori tristimolo

Si supponga che sulla retina incida una radiazione monocromatica a 480 nm: gli stimoli relativi rispetto alla massima sensibilità di ciascun recettore sono:

S = 0,55 = 55%
M = 0,18 =18%
L= 0,10=10%

Se la lunghezza d’onda è di 575 nm, si ha:

S = 0 = 0%
M = 0,10 =10%
L= 0,62=62%

Ad ogni lunghezza d’onda, è quindi associata una tripletta di valori.

Stimoli prodotti da radiazioni monocromatiche

Il luogo spettrale nello spazio S, M, L

Il triangolo di Maxwell

Lunghezza d’onda dominante

Cosa accade quando la retina viene stimolata da una radiazione non monocromatica?

Ogni recettore sarà stimolato in una certa percentuale rispetto alla massima: si può anche in questo caso individuare una terna di valori, esprimibili in percentuale.

Se tale terna corrisponde a quella relativa ad una radiazione monocromatica, allora lo stimolo sulla retina è identico a quello generato dalla luce monocromatica e l’occhio non è in grado di distinguere se la radiazione è monocromatica o no. La lunghezza d’onda in questione è detta dominante. Si parla di lunghezza d’onda dominante anche quando la terna corrisponde ad una radiazione monocromatica che si somma ad uno stimolo acromatico.

La sintesi additiva

Si ottiene quando si sommano radiazioni luminose caratterizzate da differenti frequenze. La somma di tre radiazioni primarie consente di ottenere la luce bianca.

Ad esempio la luce bianca è ottenuta dalla miscela rosso – verde – blu. Il nero è dato dall’assenza delle tre radiazioni.

La sintesi additiva comporta la manipolazione delle sorgenti di luce. Il monitor della televisione utilizza i colori additivi.

Sintesi additiva

La sintesi sottrattiva

Si ottiene se si sommano pigmenti di colori diversi oppure si osservano pigmenti attraverso filtri colorati oppure si osservano pigmenti su cui incide una luce cromaticamente filtrata oppure si sovrappongono ad un fascio luminoso differenti filtri.

Ad esempio il nero è ottenuto dalla miscela dei primari magenta – ciano – giallo. Il bianco è dato dall’assenza dei tre colori, ad esempio luce bianca interamente riflessa.

Sintesi sottrattiva

Le leggi di Grassmann

Ogni colore può essere riprodotto dalla miscela di non più di tre colori primari, scelti in modo tale che nessuno di essi possa essere ottenuto miscelando gli altri due.

Vale la relazione: L_c1(C₁) = L₁(R) + L₂(G) + L₃(B)

o anche:

C₁ = R’(R) + G’(G) + B’(B)

Se un colore ha luminanza pari a: L_c1(C₁) = L₁(R) + L₂(G) + L₃(B)

si ha:

nL_c1(C₁) = nL₁(R) + nL₂(G) + nL₃(B)

La luminanza della miscela di due colori è uguale alla somma delle luminanze dei singoli componenti:

se L_c1(C₁) = L₁(R) + L₂(G) + L₃(B) e L_c2(C₂) = L’₁(R) + L’₂(G) + L’₃(B)

allora:

L_c1(C₁)+ L_c2(C₂) = (L₁+ L’₁)(R) + (L₂+ L’₂) (G) + (L₃+ L’₃) (B)

Le leggi di Grassmann

Le combinazioni di colore godono della proprietà additiva:
- se C₁= C₂ e C₃= C₄, allora si ha C₁+ C₃ = C₂ + C₄
Le combinazioni di colore godono della proprietà sottrattiva:
- se C₁= C₂ e C₃= C₄, allora si ha C₁ – C₃ = C₂ – C₄
Le combinazioni di colore rispettano la proprietà transitiva:
- se C₁ = C₂ e C₂ = C₃, allora si ha C₁ = C₃
I componenti di una miscela di colore non possono essere distinti separatamente dall’occhio.

I valori tristimolo R, G, B

La teoria tricromatica prevede che mediante opportuno mescolamento di tre “primari”, si possa ottenere per ciascuna lunghezza d’onda uno stimolo equivalente alla radiazione monocromatica corrispondente. La tripletta corrispondente al “bianco equienergetico”, è quella che corrisponde ad una radiazione avente una distribuzione energetica costante per ciascuna lunghezza d’onda.

Tre stimoli primari spesso utilizzati corrispondono alle seguenti lunghezze d’onda:

R: λ= 700 nm; G: λ=546,1 nm B: λ= 435,8 nm

Funzioni tristimolo fr, fg, fb

Triangolo di Maxwell relativo ai primari R,G,B

Gli attributi dei colori

Gli attuali sistemi cromatici si basano su tre attributi (coordinate) che individuano ciascun colore:

Termine percettivo -> Termine usato in colorimetria

Tinta -> Lunghezza d’onda dominante (F=hue)
Saturazione -> Purezza (s=chroma)
Brillantezza -> Luminosità (b= lightness)

Tinta e saturazione

Lo spazio colorimetrico Yxy (CIE 1931, 2°)

La sintesi additiva di tre primari non consente di generare tutto lo spazio colorimetrico. Sono state dunque costruite tre funzioni in base alle quali si possono generare in modo additivo tutti i possibili stimoli cromatici. È possibile passare dalle coordinate R,G,B alle X,Y, Z mediante trasformazioni lineari.

A review of RGB color spaces, da pag 26.