Ligereza

La luminosidad es una percepción visual de la luminancia de un objeto. A menudo se juzga en relación con un objeto iluminado de manera similar. En los modelos de colorimetría y apariencia del color , la luminosidad es una predicción de cómo aparecerá un color iluminado para un observador estándar. Mientras que la luminancia es una medida lineal de la luz, la luminosidad es una predicción lineal de la percepción humana de esa luz.${\estilo de visualización (L)}$

Esta distinción es significativa porque la percepción de la luminosidad en la visión humana no es lineal en relación con la luz. Duplicar la cantidad de luz no da como resultado una duplicación de la luminosidad percibida, sino solo un aumento modesto.

El símbolo de luminosidad perceptual suele ser el que se utiliza en CIECAM02 o en CIELAB y CIELUV . No debe confundirse ("Lstar") con el que se utiliza para luminancia. En algunos sistemas de ordenación de colores como Munsell , la luminosidad se indica como valor .${\estilo de visualización J}$$Estilo de visualización L*$$Estilo de visualización L*$${\estilo de visualización L}$

Tanto el claroscuro como el tenebrismo aprovechan los contrastes dramáticos de valor para realzar el dramatismo en el arte. Los artistas también pueden emplear el sombreado , una manipulación sutil del valor.

En algunos espacios de color o sistemas de color como Munsell, HCL y CIELAB, la luminosidad (valor) restringe acromáticamente los límites máximo y mínimo, y funciona independientemente del tono y la crominancia . Por ejemplo, el valor Munsell 0 es negro puro y el valor 10 es blanco puro. Por lo tanto, los colores con un tono discernible deben tener valores entre estos extremos.

En un modelo de color sustractivo (por ejemplo, pintura, tinte o tinta), se pueden lograr cambios de luminosidad en un color a través de varios matices, sombras o tonos agregando blanco, negro o gris respectivamente. Esto también reduce la saturación .

En HSL y HSV , la luminancia mostrada es relativa al tono y al croma para un valor de luminosidad determinado; en otras palabras, el valor de luminosidad seleccionado no predice la luminancia mostrada real ni la percepción de esta. Ambos sistemas utilizan triples de coordenadas, donde muchos triples pueden mapearse sobre el mismo color.

En HSV, todos los triples con valor 0 son negros puros. Si el tono y la saturación se mantienen constantes, al aumentar el valor aumenta la luminancia, de modo que un valor de 1 es el color más claro con el tono y la saturación dados. HSL es similar, excepto que todos los triples con luminosidad 1 son blancos puros. En ambos modelos, todos los colores saturados puros indican la misma luminosidad o valor, pero esto no se relaciona con la luminancia mostrada, que está determinada por el tono. Es decir, el amarillo tiene una luminancia más alta que el azul, incluso si el valor de luminosidad se establece en un número determinado.

Si bien HSL, HSV y otros espacios similares sirven lo suficientemente bien para elegir o ajustar un solo color, no son uniformes desde el punto de vista perceptivo. Precisan a cambio de simplicidad computacional, ya que fueron creados en una era en la que la tecnología informática tenía un rendimiento limitado. ^[1]

Si tomamos una imagen y extraemos los componentes de tono, saturación y luminosidad o valor para un espacio de color determinado , veremos que pueden diferir sustancialmente de un espacio de color o modelo diferente. Por ejemplo, examine las siguientes imágenes de un tragafuegos ( fig. 1 ). El original está en el espacio de color sRGB. CIELAB es una predicción de luminosidad perceptualmente uniforme que se deriva de la luminancia , pero descarta el y , del espacio de color CIE XYZ . Observe que esto parece similar en luminosidad percibida a la imagen de color original. Luma es un componente de luminancia codificado en gamma de algunos sistemas de codificación de video como y . Es más o menos similar, pero difiere en alto croma, desviándose más de una señal acromática como la luminancia lineal o la luminosidad no lineal . HSL y HSV no son ni perceptualmente uniformes, ni uniformes en cuanto a luminancia.$Estilo de visualización L*$${\estilo de visualización Y}$${\estilo de visualización X}$${\estilo de visualización Z}$${\displaystyle (Y^{\prime})}$${\displaystyle (Y^{\prime }CI)}$${\displaystyle (Y^{\prime }UV)}$${\estilo de visualización Y}$$Estilo de visualización L*$${\estilo de visualización L}$${\estilo de visualización V}$

El valor de Munsell se ha utilizado durante mucho tiempo como una escala de luminosidad perceptualmente uniforme . Una cuestión de interés es la relación entre la escala de valores de Munsell y la luminancia relativa . Consciente de la ley de Weber-Fechner , Albert Munsell comentó: "¿Deberíamos utilizar una curva logarítmica o una curva de cuadrados?" ^[2] Ninguna de las opciones resultó ser del todo correcta; los científicos finalmente convergieron en una curva de aproximadamente raíz cúbica, consistente con la ley de potencia de Stevens para la percepción del brillo, que refleja el hecho de que la luminosidad es proporcional al número de impulsos nerviosos por fibra nerviosa por unidad de tiempo. ^[3] El resto de esta sección es una cronología de los modelos de luminosidad, que conducen a CIECAM02 .

Nota. – La V de Munsell va de 0 a 10, mientras que Y normalmente va de 0 a 100 (a menudo interpretada como un porcentaje). Normalmente, la luminancia relativa se normaliza de modo que el "blanco de referencia" (por ejemplo, óxido de magnesio ) tenga un valor triestímulo de Y = 100. Dado que la reflectancia del óxido de magnesio (MgO) en relación con el difusor reflector perfecto es del 97,5 %, V = 10 corresponde a Y = ⁠100/97,5⁠ % ≈ 102,6 si se utiliza MgO como referencia. ^[4]

Irwin Priest , Kasson Gibson y Harry McNicholas proporcionan una estimación básica del valor de Munsell (donde Y va de 0 a 1 en este caso): ^[5]

${\displaystyle V=10{\sqrt {Y}}.}$

Alexander Munsell, Louise Sloan e Isaac Godlove lanzan un estudio sobre la escala de valor neutro de Munsell, considerando varias propuestas que relacionan la luminancia relativa con el valor de Munsell, y sugieren: ^{[6] [7]}

${\displaystyle V^{2}=1,4742Y-0,004743Y^{2}.}$

Sidney Newhall, Dorothy Nickerson y Deane Judd preparan un informe para la Sociedad Óptica de América (OSA) sobre la renotación de Munsell. Sugieren una parábola quíntica (que relaciona la reflectancia en términos del valor): ^[8]

${\displaystyle Y=1,2219V-0,23111V^{2}+0,23951V^{3}-0,021009V^{4}+0,0008404V^{5}.}$

Utilizando la Tabla II del informe de OSA, Parry Moon y Domina Spencer expresan el valor en términos de luminancia relativa: ^[9]

${\displaystyle V=5\left({\frac {Y}{19.77}}\right)^{0.426}=1.4Y^{0.426}.}$

Jason Saunderson y BI Milner introducen una constante sustractiva en la expresión anterior, para un mejor ajuste al valor de Munsell. ^[10] Más tarde, Dorothea Jameson y Leo Hurvich afirman que esto corrige los efectos de contraste simultáneos . ^{[11] [12]}

${\displaystyle V=2,357Y^{0,343}-1,52.}$

Ladd y Pinney de Eastman Kodak están interesados ​​en el valor de Munsell como una escala de luminosidad perceptualmente uniforme para su uso en televisión . Después de considerar una función logarítmica y cinco funciones de ley de potencia (según la ley de potencia de Stevens ), relacionan el valor con la reflectancia elevando la reflectancia a la potencia de 0,352: ^[13]

${\displaystyle V=2,217Y^{0,352}-1,324.}$

Al darse cuenta de que esto está bastante cerca de la raíz cúbica , lo simplifican a:

${\displaystyle V=2,468{\sqrt[{3}]{Y}}-1,636.}$

Glasser et al. definen la luminosidad como diez veces el valor Munsell (de modo que la luminosidad varía de 0 a 100): ^[14]

${\displaystyle L^{\star }=25,29{\sqrt[{3}]{Y}}-18,38.}$

Günter Wyszecki lo simplifica así: ^[15]

${\displaystyle W^{\star }=25{\sqrt[{3}]{Y}}-17.}$

Esta fórmula aproxima la función de valor Munsell para 1% < Y < 98% (no es aplicable para Y < 1% ) y se utiliza para el espacio de color CIE 1964 .

CIELAB utiliza la siguiente fórmula:

${\displaystyle L^{\star }=116\left({\frac {Y}{Y_{\mathrm {n} }}}\right)^{\frac {1}{3}}-16.}$

donde Y _n es el valor triestímulo CIE XYZ Y del punto blanco de referencia (el subíndice n sugiere "normalizado") y está sujeto a la restricción ⁠Y/Y _n⁠ > 0,01 . Pauli elimina esta restricción calculando una extrapolación lineal que mapea ⁠Y/Y _n⁠ = 0 a L * = 0 y es tangente a la fórmula anterior en el punto en el que tiene efecto la extensión lineal. Primero, se determina que el punto de transición es ⁠Y/Y _n⁠ = ( ⁠6/29⁠ ) ^​​3 ≈ 0,008856 , entonces la pendiente de ( ⁠29/3⁠ ) ​​Se calcula ³ ≈ 903,3 . Esto da la función de dos partes: ^[16]

${\displaystyle f(t)={\begin{cases}t^{\frac {1}{3}}&{\text{si }}t>\left({\frac {6}{29}}\right)^{3}\\{\frac {1}{3}}\left({\frac {29}{6}}\right)^{2}t+{\frac {4}{29}}&{\text{en caso contrario}}\end{cases}}}$

La ligereza es entonces:

${\displaystyle L^{\star }=116f\left({\frac {Y}{Y_{\mathrm {n} }}}\right)-16.}$

A primera vista, se podría aproximar la función de luminosidad mediante una raíz cúbica, una aproximación que se encuentra en gran parte de la literatura técnica. Sin embargo, el segmento lineal cerca del negro es significativo, y por lo tanto los coeficientes 116 y 16. La función de potencia pura de mejor ajuste tiene un exponente de aproximadamente 0,42, lejos de ⁠1/3⁠ . ^[17] Una tarjeta gris de aproximadamente el 18 % , que tiene una reflectancia exacta de ( ⁠33/58⁠ ) ^​​3 , tiene un valor de luminosidad de 50. Se llama " gris medio " porque su luminosidad está a medio camino entre el negro y el blanco.

Ya en 1967 se descubrió una relación hiperbólica entre la intensidad de la luz y las respuestas de las células cónicas en peces, en línea con el modelo cinético de Michaelis-Menten de reacciones bioquímicas. ^[18] En los años 70 se encontró la misma relación en varios otros vertebrados y en 1982, utilizando microelectrodos para medir las respuestas de los conos en macacos rhesus vivos, Valeton y Van Norren encontraron la siguiente relación: ^[19]

1/V ~ 1 + (σ/I) ^0,74

donde V es el potencial medido, I la intensidad de la luz y σ una constante. En 1986 Seim y Valberg se dieron cuenta de que esta relación podría ayudar en la construcción de un espacio de color más uniforme. ^[20] Esto inspiró avances en el modelado del color y cuando la Comisión Internacional de Iluminación celebró un simposio en 1996, se formularon los objetivos para un nuevo modelo de color estándar y en 1997 se estandarizó CIECAM97s (Comisión Internacional de Iluminación, modelo de apariencia del color, 1997, versión simple). ^[21] CIECAM97s distingue entre luminosidad, qué tan claro parece algo en comparación con un objeto blanco iluminado de manera similar, y brillo, cuánta luz parece brillar desde algo. ^[22] Según CIECAM97s, la luminosidad de una muestra es:

J = 100 (Una _muestra / Un _blanco ) ^cz

En esta fórmula, para una pequeña muestra en condiciones brillantes en un campo circundante con una luminancia relativa n en comparación con el blanco, se ha elegido c de manera que:

${\displaystyle {\text{cz}}={\frac {1+{\sqrt {n}}}{1+{\sqrt {\frac {1}{5}}}}}}$

Este modelo muestra que una muestra aparecerá más oscura sobre un fondo claro que sobre un fondo oscuro. Consulte el efecto de contraste para obtener más información sobre el tema. Cuando n = ⁠1/5⁠ , cz = 1, lo que representa la suposición de que la mayoría de las escenas tienen una luminancia relativa promedio de ⁠1/5⁠ en comparación con el blanco brillante, y que por lo tanto una muestra en un entorno así debería percibirse con su luminosidad adecuada. La cantidad A modela la respuesta del cono acromático; depende del color, pero para una muestra gris en condiciones brillantes funciona como:

${\displaystyle {\frac {\text{A}}{{\text{N}}_{\text{bb}}}}={\frac {122}{1+2{\Bigl (}{\tfrac {1}{10}}Y{\sqrt[{3}]{5L_{A}}}{\Bigr )}^{-0.73}}}+1}$

N _bb es un factor de ajuste que normalmente es 1; solo es preocupante cuando se comparan juicios de brillo basados ​​en blancos de referencia ligeramente diferentes.

Aquí Y es la luminancia relativa comparada con el blanco en una escala de 0 a 1 y L _A es la luminancia media del campo visual de adaptación en su conjunto, medida en cd/m2 ^. La respuesta acromática sigue una especie de curva en forma de S , que va de 1 a 123, números que se desprenden de la forma en que se promedian las respuestas de los conos y que, en última instancia, se basan en una estimación aproximada del rango útil de impulsos nerviosos por segundo, y que tiene un rango intermedio bastante grande en el que sigue aproximadamente una curva de raíz cuadrada. El brillo según CIECAM97s es entonces:

Q = (1,24/c) (J/100) ^0,67 (A _blanco + 3) ^0,9

El factor 1,24/c es un factor de entorno que refleja que las escenas aparecen más brillantes en condiciones de oscuridad. También se formularon sugerencias para un modelo más completo, CIECAM97C, para tener en cuenta varios efectos en condiciones extremadamente oscuras o brillantes, iluminación de color, así como el efecto Helmholtz-Kohlrausch , donde las muestras altamente cromáticas aparecen más claras y brillantes en comparación con un gris neutro. Para modelar este último efecto, en CIECAM97C la fórmula para J se ajusta de la siguiente manera:

J _HK = J + (100 – J) (C / 300) |sin( ⁠1/2⁠ h – 45°)|,

donde C es el croma y h el ángulo de tono

Q se calcula entonces a partir de J _HK en lugar de a partir de J. Esta fórmula tiene el efecto de aumentar la luminosidad y el brillo de las muestras coloreadas. Cuanto mayor sea el croma, más fuerte será el efecto; para colores muy saturados, C puede estar cerca de 100 o incluso más. El término del seno absoluto tiene un valle agudo en forma de V con un cero en el amarillo y una meseta amplia en los azules profundos. ^[23]

La respuesta acromática en CIECAM97s es una suma ponderada de las respuestas de los conos menos 2,05. Dado que el término de ruido total suma 3,05, esto significa que A y, en consecuencia, J y Q no son cero para el negro absoluto. Para solucionar esto, Li, Luo y Hunt sugirieron restar 3,05 en su lugar, de modo que la escala comience en cero. ^[24] Aunque CIECAM97s fue un modelo exitoso para estimular y dirigir la investigación colorimétrica, Fairchild consideró que para aplicaciones prácticas eran necesarios algunos cambios. Los relevantes para los cálculos de luminosidad eran, en lugar de utilizar varios valores discretos para el factor de entorno c, permitir la interpolación lineal de c y, por lo tanto, permitir que el modelo se use en condiciones de entorno intermedias, y simplificar z para eliminar el caso especial de estímulos grandes porque consideró que era irrelevante para aplicaciones de imágenes. ^[25] Basándose en resultados experimentales, Hunt, Li, Juan y Luo propusieron una serie de mejoras. Lo relevante para el tema en cuestión es que sugirieron reducir ligeramente z. ^[26] Li y Luo descubrieron que un espacio de color basado en un CIECAM97s modificado que utiliza la luminosidad como una de las coordenadas era perceptualmente más uniforme que CIELAB. ^[27]

Debido a la forma de la curva de respuesta del cono en forma de S, cuando se reduce la luminancia de un color, incluso si su composición espectral permanece igual, las diferentes respuestas del cono no cambian exactamente al mismo ritmo entre sí. Por lo tanto, es plausible que el tono y la saturación percibidos cambien a niveles de luminancia bajos. Pero CIECAM97s predice desviaciones mucho mayores de lo que generalmente se cree probable y, por lo tanto, Hunt, Li y Luo sugirieron utilizar una curva de respuesta del cono que se aproxima a una curva de potencia para un rango mucho más amplio de estímulos, de modo que el tono y la saturación se conserven mejor. ^[28]

Todas estas propuestas, así como otras relacionadas con la cromaticidad, dieron como resultado un nuevo modelo de apariencia del color, el CIECAM02. En este modelo, la fórmula de luminosidad sigue siendo la misma:

J = 100 (Una _muestra / Un _blanco ) ^cz

Pero todas las cantidades que se incluyen en esta fórmula cambian de alguna manera. El parámetro c ahora es continuamente variable como se explicó anteriormente y z = 1,48 + √n. Aunque este valor es mayor que z en los CIECAM97, el factor de potencia efectivo total es muy similar porque el factor de potencia efectivo de la respuesta acromática es mucho menor:

${\displaystyle {\frac {\text{A}}{{\text{N}}_{\text{bb}}}}={\frac {1220}{1+{\frac {27.13}{\left({\frac {{\sqrt[{3}]{5{\text{L}}_{\text{A}}}}{\text{Y}}}{10}}\right)^{0.42}}}}}}$

Como antes, esta fórmula supone condiciones de luminosidad. Aparte de 1220, que resulta de una constante de respuesta del cono asumida arbitrariamente, las diversas constantes de CIECAM02 se ajustaron a conjuntos de datos experimentales. La expresión para la luminosidad también ha cambiado considerablemente:

${\displaystyle Q={\frac {4}{c}}{\frac {\sqrt {J}}{10}}(A_{white}+4)\left({\frac {\sqrt[{3}]{5L_{A}}}{10}}\right)^{0.25}}$

Obsérvese que, contrariamente a la sugerencia de CIECAM97C, CIECAM02 no contiene ninguna disposición para el efecto Helmholtz-Kohlrausch. ^{[29] [30]}

Esta percepción subjetiva de la luminancia de forma no lineal es una de las cosas que hace que valga la pena la compresión gamma de las imágenes. Además de este fenómeno, existen otros efectos relacionados con la percepción de la luminosidad. La cromaticidad puede afectar a la luminosidad percibida, como se describe en el efecto Helmholtz-Kohlrausch . Aunque el espacio CIELAB y los relativos no tienen en cuenta este efecto sobre la luminosidad, puede estar implícito en el modelo de color Munsell. Los niveles de luz también pueden afectar a la cromaticidad percibida, como ocurre con el efecto Purkinje .

• Brillo
• Tinte, sombra y tono

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