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Spazio colore e percezione cromatica
Spazio colore e percezione cromatica
Emidio Frattaroli - 23 Aprile 2021
“Questa breve guida sulla percezione del colore fondamentale per comprendere le 'misure' che pubblichiamo su AV Magazine nell'analisi dei display e proiettori con strumentazione ad altissima precisione, particolare che ci distingue nel panorama editoriale, anche a livello internazionale. ”
Pagina 1 - Luce, colori e spettro luminoso


Spazio colore CIE Y,x,y 1931
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Nel corso dell'anno 1931, la Commission Internationale de l'Éclairage (CIE, Commissione internazionale per l'illuminazione, oggi con sede a Vienna), basandosi sugli studi degli scienziati David Wright e John Guild e, in parte, anche su quelli del matematico Hermann Grassmann, definì l'algoritmo della percezione 'tristimolo' (leggerete più avanti cosa significa), fondamentale per la definizione matematica della percezione dei colori, per disegnare il primo spazio colore e per definire all'interno di questo spazio le coordinate cromatiche dei colori percepiti dai nostri occhi.

Quella che segue è una breve guida sulla percezione del colore, fondamentale per comprendere le 'misure' che pubblichiamo su AV Magazine nell'analisi dei display e proiettori con strumentazione ad altissima precisione, particolare che ci distingue nel panorama editoriale, anche a livello internazionale. Per comprendere al meglio quello che segue, sarebbe utile (ma non indispensabile) leggere con attenzione anche la guida di Fotometria Generale che ho pubblicato nel lontano Marzo 2009 a questo indirizzo

Luce e colori sono fatti di fotoni, ovvero particelle quantistiche indivisibili, con massa nulla e allo stesso tempo con tutte le caratteristiche di un'onda. Si muovono - ovviamente - alla velocità della luce e lo fanno con un moto ondulatorio che, per quanto concerne la radiazione visibile, è compreso in un intervallo di frequenze tra circa 800 THz (ultravioletto) e 400 THz (infrarosso).

Per fare un esempio comune, sulla Terra, la maggior parte della radiazione emessa dal Sole viene filtrata dall'atmosfera; sulla superficie ne arriva solo una piccola parte, composta dallo spettro ultravioletto (9%), da quello visibile (49%) e dall'infrarosso (42%). Per essere ancora più precisi, quando si parla di luce visibile, non ci si riferisce più alla frequenza ma alla lunghezza d'onda.


Radiazione solare prima dell'ingresso nell'atmosfera terrestre
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In altre parole, lo spettro della luce visibile si estende da circa 380 nm (789 THz) e fino a circa 760 nm (394 THz), passando quindi attraverso il colore 'blu' a cavallo dei 460 nm (650 THz), il colore 'verde' a cavallo dei 540 nm (555 THz) e il colore 'rosso' a cavallo dei 640 nm (476 THz). Lo 'spettro di emissione' del Sole che vedete qui in alto è stato catturato con uno spettrometro, uno strumento di misura di cui vi descrivo subito il funzionamento per meglio comprendere alcuni concetti che illustrerò nelle pagine seguenti.


Schema di uno spettrometro Ocean Optics: 1- ingresso; 2- slit; 3- specchio collimatore;
4- sistema di grating; 5- specchio di messa a fuoco; 6- sensore lineare

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Lo schema è piuttosto semplice: la luce entra attraverso una fessura (slit) che si comporta come un diaframma: più è piccola, più la risoluzione sarà alta ma allo stesso tempo passerà meno luce e la sensibilità sarà inferiore. La luce viene poi suddivisa nei vari componenti dello spettro da un sistema, cosiddetto, di 'grating' che funziona più o meno come il prisma del disco 'The dark side of the moon'... L'arcobaleno viene proiettato su un sensore che di solito è lineare, nel senso che è formato da centinaia o migliaia di pixel su una sola linea, uno a fianco all'altro. Il sistema determina quanti fotoni cadono su ogni pixel, quindi su ogni banda di frequenza. Potete provare anche a casa con un piccolo prisma, a poco più di 10 Euro, con la luce del sole o qualsiasi altra sorgente luminosa.

 

Pagina 2 - Coni, bastoncelli e sistema percettivo

Nei nostri occhi sono presenti due classi di cellule sensoriali di cui avrete sicuramente sentito parlare: sono 'coni' e 'bastoncelli'. Di bastoncelli ce ne sono fino a 150 milioni per ogni occhio ma li usiamo quasi esclusivamente nella visione 'notturna', detta anche 'scotopica', ovvero quando c'è pochissima luce: la visione scotopica con l'utilizzo esclusivo dei bastoncelli ha una risoluzione molto bassa (la densità dei bastoncelli nella retina è molto bassa, al contrario dei coni), è caratterizzata da 'rumore' elevato (c'è molta 'grana'), i tempi di risposta molto lunghi e c'è anche assenza di percezione cromatica: in questo specifico articolo non ce ne occuperemo per niente

Per tutto il 'resto', con un po' più di luce, usiamo i coni che sono appena 6 milioni; sono concentrati in una piccola zona centrale della retina detta 'fovea', con dimensioni pari ad un angolo di campo di circa 2 gradi. In questi 2 gradi di angolo di campo, la densità dei coni è elevatissima; nel resto della retina ce ne sono pochissimi, partecipano tutti alla sensibilità cromatica ma solo quelli centrali rendono la nostra vista ad altissima risoluzione: ecco il motivo per cui, per leggere il testo di questo articolo, saltate con i vostri occhi leggendo soltanto un gruppo di lettere alla volta.


Le curve di sensibilità specifica delle tre classi di coni (fonte; licenza CC-BY SA)
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I coni sono suddivisi in tre tipi: ci sono quelli sensibili al blu, quelli sensibili al verde e quelli sensibili al rosso, questi ultimi sensibili allo stesso tempo anche un pochino al blu. Quelle che vedete qui in alto sono le curve di sensibilità delle tre classi di coni, curve sui cui, prima o poi sarà necessario un approfondimento: l'approfondimento ha a che fare con le nuove tecnologie di illuminamento e riproduzione delle immagini e - soprattutto - con il cosiddetto fallimento metamerico. Ne riparleremo prestissimo. Nel frattempo date un'occhiata a questa discussione.


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La nostra percezione cromatica funziona in modo semplice e molto simile ad un sensore di una moderna fotocamera digitale, quest'ultimo composto da milioni di pixel coperti da filtri colore, in modo da simulare i nostri tre tipi di coni, sensibili al rosso, al verde e al blu. Alla visione della luce, indipendentemente dall'intensità o dal colore, verranno emessi tre stimoli differenti (di qui la percezione 'tristimolo') che verranno decodificati dal cervello nella sensazione cromatica vera e propria.

 

Pagina 3 - Metamerismo e stimolazione tricromatica


Le curve di sensibilità specifica delle tre classi di coni (fonte; licenza CC-BY SA)
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Torniamo ora ai nostri occhi e alle tre classi di coni, con curve di sensibilità ben precise e che si sovrappongono tra loro per lunghi tratti. Iniziamo con qualche esempio reale, indispensabile per comprendere il funzionamento della percezione cromatica. Tutti gli esempi che vedrete da qui in avanti sono riassunti in due grafici che vengono pubblicati affiancati: a sinistra ho inserito lo spettro della luce o dei colori misurati, con la sovrapposizione delle curve di sensibilità dei tre coni; sempre in questo grafico (quindi sempre a sinistra), in alto a destra, troverete i tre valori dello stimolo relativo alle tre classi di coni ovvero X (rosso), Y (verde) e Z (blu) che, nella realtà non sono 'assoluti' ma dipendono da vari fattori; ho inserito i tre valori X, Y e Z relativi: il valore più elevato sarà pari ad 1,00; più a destra c'è la 'traduzione' del tri-stimolo X, Y, Z in coordinate cromatiche Y, x, y dove Y è l'intensità luminosa (in LUX oppure in NIT) mentre x e y sono le coordinate sugli assi cartesiani in ascisse e ordinate all'interno dello spazio colore CIE 1931.


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Quando osserviamo la luce generata da una lampadina ad incandescenza, i fotoni emessi dalla corrente che attraversa il filamento (con temperatura compresa tra circa 2.500 e 3.000 gradi kelvin), eccitano tutte e tre le classi di coni in maniera proporzionale, con i coni sensibili al rosso che saranno eccitati sicuramente di più rispetto a quelli sensibili al blu. La vecchia lampadina ad incandescenza emette soprattutto fotoni nello spettro infrarosso che sono invisibili; qui lo spettro infrarosso non lo vediamo perché non ha effetti sulla percezione cromatica. Ecco perché le lampadine ad incadescenza sono così inefficienti: l'energia viene 'sprecata' per produrre calore (spettro infrarosso) piuttosto che luce visibile.


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Osservando con un telescopio la stella Rigel, tra le più luminose del cielo notturno, la situazione è ben differente. La temperatura della superficie di Rigel è quattro volte quella del filamento al tungsteno di una vecchia lampadina ad incandescenza (più di 12.000º K); quindi lo spettro luminoso è molto diverso. In questo caso, i coni sensibili al blu vengono eccitati in proporzione sensibilmente superiore rispetto a quelli sensibili al rosso. Ecco perché il 'bianco' della stella ci apparirà tendente al blu, mentre quello della lampadina da 3.000º K sarà tendente all'arancio.


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Veniamo ora al metamerismo, caratteristica che viene sfruttata da tutte le tecnologie di riproduzione delle immagini. Quello che vedete qui in alto è lo spettro di un classico LED di colore bianco, composto in realtà da un LED blu (la porzione dello spettro luminoso a cavallo dei 450 nm) a cui viene aggiunta una miscela di fosfori gialli (la 'collina' a cavallo dei 580 nm): la sensazione visiva è di una luce bianca tendente più al blu, soprattutto rispetto alla lampadina ad incandescenza.


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In questo caso, invece, lo spettro si riferisce ad un sistema d'illuminamento con LED RGB puri, quindi senza fosfori. Lo spettro del LED blu è praticamente lo stesso del LED 'bianco', mentre al posto dei fosfori 'gialli', ci sono stavolta due insiemi di fotoni distinti per il verde (540 nm) e per il rosso (640 nm), con energia leggermente inferiore rispetto all'insieme dei fotoni di 'colore' blu. Il risultato percettivo sarà identico a quello precedente ottenuto con il LED 'bianco' perchè, che si tratti dei fotoni emessi dai fosfori di colore giallo oppure dai fotoni di colore rosso e verde, i coni sensibili al rosso e al verde saranno eccitati più o meno allo stesso modo e il colore percepito sarà più o meno lo stesso.


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Il 'trucco' è tutto qui: basta eccitare in maniera differente i tre diversi tipi di coni, per avere percezioni cromatiche diverse ma scientificamente prevedibili. Un esempio eclatante riguarda il colore magenta: al contrario dei colori che vanno dal blu-violetto al rosso profondo, passando ovviamente dall'azzurro, dal verde, giallo, dall'arancio e da tutti i colori intermedi, non esiste una lunghezza d'onda che possa essere associata al magenta. In altre parole, dal punto di vista spettrografico il magenta non esiste: il magenta esiste soltanto a livello percettivo, poiché è il risultato dell'unione di due stimoli diversi che eccitano i coni sensibili al rosso e al blu.

 

Pagina 4 - Spazi colore, tinta e saturazione


Spazio colore CIE Y,x,y 1931
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Lo spazio CIE 1931 che vedete qui in alto e che usiamo anche qui in AV Magazine per rappresentare i colori riprodotti da un display o da un proiettore, unisce la rappresentazione spettrale a quella percettiva: sul bordo esterno vengono rappresentati i colori 'puri', alla massima saturazione, quindi con spettrogramma dei fotoni molto 'stretto', ovvero con gruppo di fotoni che hanno più o meno tutti la stessa lunghezza d'onda.


Componente verde con laser puro
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Dal punto di vista percettivo, un fascio di fotoni concentrato su una banda molto stretta, ecciterà quasi esclusivamente una sola classe di coni. Nell'immagine qui in alto, potete osservare che il fascio laser concentrato sulla banda a 523 nanometri, ecciterà i coni sensibili al blu e al rosso di circa il 10% rispetto a quelli sensibili al verde. Le coordinate cromatiche sullo spazio colore CIE xy saranno quindi sul bordo estremo dello spazio colore, con coordinate 0,105x e 0,819y.


Componente verde con tecnologia fosfori
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Se il fascio è composto da fotoni con lunghezza d'onda più eterogenea, quindi da una banda complessiva più ampia, allora verrebbero eccitate sicuramente di più anche le altre classi di coni. Infatti qui in alto potete osservare lo spettro di un colore verde (in questo caso generato da fosfori), che ecciterà i coni sensibili al blu e al rosso di circa il 35% rispetto a quelli sensibili al verde. La  sensazione percettiva sarebbe quella di un colore meno saturo, con coordinate cromatiche pari a 0,210x e 0,589y decisamente più all'interno dello spazio colore.


Verde poco saturo riprodotto da un proiettore laser 3P
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Grazie al metamerismo, la sensazione percettiva di un colore meno saturo, può essere generata dalla modulazione delle tre componenti cromatiche di riferimento RGB. Qui in alto possiamo osservare l'analisi spettrale di un proiettore laser 3P (3 Primari): significa che tutti e tre i colori primari sono generati con tecnologia laser. La tecnologia laser genera fasci di fotoni con spettro molto stretto, quindi i colori primari hanno coordinate cromatiche sul bordo dello spazio colore. In questo caso alla componente verde vengono aggiunte le componenti rossa e blu, quel tanto da eccitare anche i coni sensibili al verde e al blu con la stessa proporzione del verde precedente meno saturo (creato con i fosfori). In altre parole, spettro diverso ma stesso risultato.


Il 'bianco' riprodotto da un proiettore laser 3P
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L'assenza di cromaticità (bianco o scala dei grigi) può essere ottenuta eccitando tutte e tre le classi di coni in maniera ben definita. Questo può succedere in vari modi, utilizzando una luce con uno spettro molto ampio come quello emesso dal Sole, come abbiamo visto nella prima pagina. In alternativa, sfruttando il metamerismo, è possibile miscelare tre componenti primarie (tipicamente rosso, verde e blu) in modo da ottenere la stessa percezione visiva. Vi ricordo che per ottenere la sensazione del 'bianco', in realtà bastano due componenti cromatiche (blu + giallo oppure rosso + ciano), con l'obiettivo di eccitare comunque tutti e tre i tipi di coni con la stessa proporzione.


Relazione tra spettro e coordinate di una sorgente laser
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Generando un fascio di fotoni con spettrogramma molto stretto e variando la lunghezza d'onda di picco, le coordinate cromatiche si sposteranno di conseguenza ma sempre sul bordo dello spazio colore, dal vertice che delimita il confine con l'ultravioletto (380nm) fino a quello che è dalla parte opposta, al confine dell'infrarosso (760nm). Per questo motivo, di solito sul bordo dello spazio colore sono segnate le lunghezze d'onda di riferimento dei colori puri.


Colore 'magenta' riprodotto con un proiettore LED RGB
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Questo non succede sul 'bordo' inferiore che va dal blu al rosso, poiché in questo caso si entra nello 'spazio esclusivamente percettivo': Vi ho già anticipato nella pagina precedente che "il magenta non esiste": tutti i colori dello spazio CIE 1931 compresi tra il rosso e il blu, sono il risultato della stimolazione contemporanea dei coni sensibili al rosso e al blu. Non esiste un singolo fascio di fotoni con banda molto stretta per generare la sensazione del colore 'magenta'. Per generare lo stimolo percettivo del colore magenta, è necessario stimolare sia i coni sensibili al rosso sia quelli sensibili al blu, quindi con due colori distinti.


Spettro e coordinate cromatiche di un fanale posteriore tradizionale
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Per produrre un fascio di fotoni con spettro a banda molto stretta, è possibile utilizzare un laser, ovvero un gruppo di laser tutti con la stessa lunghezza d'onda. In alternativa è possibile usare qualsiasi tipo di tecnologia d'illuminamento, (LED, OLED, Quantum Dots, lampade a scarica, al neon, persino lampade a incandescenza) aggiungendo poi uno o più filtri per selezionare la banda spettrale che ci interessa. Qui in alto potete osservare a sinistra un laser rosso mentre a destra c'è uno 'stop' posteriore di un'autovettura, generato con una lampada a inscandescenza, filtrata poi dalle plastiche rosse del fanale: il risultato percettivo è molto simile ma l'efficienza è drammaticamente diversa.

 

Pagina 5 - Triangolo di gamut e conclusioni


Triangoli di gamut BT.2020 e BT.709 a confronto
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Le tecnologie di riproduzione delle immagini dei display e videoproiettori sfruttano il metamerismo, eccitando i coni esclusivamente con tre componenti cromatiche fondamentali, ovvero RGB. Le coordinate cromatiche di queste tre componenti rappresentano i vertici di un triangolo: il cosiddetto triangolo di GAMUT. Nell'immagine in alto, il triangolo nero identifica lo spazio REC BT.2020 mentre quello bianco identifica quello REC BT.709. Miscelando le tre componenti, sarà possibile riprodurre tutti i colori all'interno dei relativi triangoli. Esistono anche display e proiettori con 4, 5 o addirittura 6 componenti cromatiche, utilizzate soprattutto per aumentare l'efficienza luminosa del sistema piuttosto che per aumentare le dimensioni del gamut. Fu l'azienda israeliana Genoacolor (acquisita nel 2007 da Samsung) a introdurre i primi pannelli con 4 e 5 componenti. Al momento la riproduzione con più di tre primari viene utilizzata quasi esclusivamente nella videoproiezione DLP con la tecnologia 'Brilliant Color'.


Gamut di un laptop Lenovo ideapad 520-15IDK
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L'utilizzo di componenti cromatiche con spettro più o meno stretto sarà determinante per le dimensioni del gamut, quindi per la massima saturazione raggiungibile dal sistema di riproduzione delle immagini. Per alcune tecnologie, come per quella LCD, la scelta della unità di retroilluminazione e dei filtri colore davanti ad ogni sub-pixel è estremamente importante ed è una continua 'lotta' tra costi di produzione ed efficienza luminosa. Ecco perché - per fare un esempio - i display LCD dei notebook più economici hanno un gamut colore molto ridotto: utilizzano LED 'bianchi' con una miscela di fosfori gialla e filtri colore sui pixel di tipo standard; al contrario, ci sono display con unità di retroilluminazione con LED blu e quantum dots rossi e verdi che si comportano come fosfori ma sono caratterizzati da uno spettro di emissione più stretto e quindi riescono a riprodurre un gamut nativo molto più esteso.


Video con visione tridimensionale dello spazio CIE 1931 con coordinate del gamut sRGB
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Benché ne osserviamo soltanto la proiezione bidimensionale, lo spazio CIE 1931 nella realtà è tridimensionale: uno spazio euclideo con l'intensità luminosa 'Y' che si sviluppa in altezza ed è ortogonale agli altri due assi. Lo spazio CIE 1931 ha anche una particolarità: c'è tantissimo spazio per il verde ma pochissimo spazio per il blu. In altre parole, lo spazio CIE 1931 non è percettualmente uniforme. Questo limite è stato superato parzialmente con un nuovo spazio colore assoluto, quello CIE Lu'v' del 1976. Neanche questo è percettualmemte uniforme, ma è decisamente più accurato rispetto a quello del 1931. Per questo motivo, quando c'è la necessità di indicare differenze cromatiche tra due colori, ad esempio tra il 'bianco' di riferimento e quello riprodotto da un TV, è più corretto utilizzare lo spazio colore CIE Lu'v' 1976.


Spazio colore CIE Y,x,y 1931
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Nell'immagine qui in alto potete osservare le differenze tra due triangoli di gamut di riferimento nello spazio colore CIE Lu'v' 1976: quello più piccolo è il REC BT.709 e quello più grande è quello REC BT.2020. Da questo momento in avanti, nei grafici pubblicati su AV Magazine utilizzeremo progressivamente e infine quasi esclusivamente lo spazio CIE Lu'v' 1976 e inseriremo quello CIE 1931 soltanto in alcune occasioni, ad esempio per dare uno sguardo più 'accurato' alla riproduzione dei colori nella 'zona verde'.

Il prossimo 30 aprile, produrremo un webinar in collaborazione con BenQ Italy proprio su questi argomenti e, in particolare, sulla percezione dell'intensità luminosa e della sensazione cromatica che deriva dall'utilizzo di differenti tecnologie di illuminamento: lampada, laser-fosfori, LED-fosfori, LED RGB e laser 3P. Per la registrazione al webinar, controllate all'interno della nostra prossima newsletter: all'interno di questo evento formativo in diretta, daremo spazio anche a domande su argomenti affrontati in questa guida alla percezione del colore.

... continua