Luce, colore e visione: le basi e le giuste parole

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In questo articolo cercherò di darvi le basi necessarie per comprendere in modo intuitivo il processo della visione dei colori. La trattazione sarà volutamente semplificata in quanto il mio scopo primario è quello di suscitare in voi interesse e spingervi ad approfondire l’argomento.

Troverete tutte le definizioni dei termini in grassetto alla fine dell’articolo, inoltre troverete le letture consigliate per un futuro approfondimento.

Il titolo scelto per l’articolo è volutamente un omaggio al libro del professor Andrea Frova, “Luce Colore Visione, perché si vede quel che si vede”, un piacevole trattato di divulgazione che mi ha permesso di creare una conoscenza di base sull’argomento per passare poi a testi più complessi, vivamente consigliato a chi si sta avvicinando a questo argomento.

“La luce è una cosa che non può essere riprodotta ma deve essere rappresentata attraverso un’altra cosa, attraverso il colore. Sono stato contento di me, quando ho scoperto questo”.
(Paul Cézanne)

Graphic redrawn from original by Mike Wood – Courtesy of IES

Ma è vero altresì che non possiamo vedere i colori se non tramite la luce. Quindi se vogliamo parlare di colore dobbiamo sicuramente partire da una sorgente di luce, e dovremmo essere in grado di quantificarla e caratterizzarla, per poterne studiare gli effetti. Faremo questo tramite il suo SPD, la sua distribuzione spettrale di potenza.

La distribuzione spettrale di potenza è propria di ogni sorgente luminosa e permette di definirne molte caratteristiche, tra le quali la lunghezza d’onda dominante, le coordinate cromatiche, la resa cromatica, e molto altro. Rappresenta le misure di potenza ottica relativa rispetto alla lunghezza d’onda dello spettro della luce visibile e più semplicemente indica come è composta la luce che si sta studiando.

Qui sopra trovate uno schema semplificato, ma efficace per comprendere alcuni dei meccanismi fondamentali del processo di visione e di percezione del colore, con riferimento alla distribuzione spettrale di potenza e alla riflettanza spettrale.

Graphic redrawn from original by Mike Wood – Courtesy of IES

La luce emessa da una sorgente luminosa, in questo caso il Sole, colpisce un oggetto, in questo caso una mela, venendo in parte riflessa, per poi essere intercettata dall’occhio. La percentuale di luce riflessa nelle diverse lunghezze d’onda dipende dalla riflettanza spettrale dell’oggetto, che è a sua volta data dalla tipologia dei pigmenti superficiali del materiale di cui è composto e dalle caratteristiche fisiche dello stesso.

Nel nostro caso specifico la luce solare, che ha uno spettro completo, verrà rifessa solo in parte dalla mela, nelle proporzioni date dalla sua riflettanza spettrale, riflettendo quindi le lunghezze d’onda più lunghe, quelle del “rosso” e assorbendo le altre. Non facciamoci sviare, non c’è colore in questo passaggio di energia, solo una radiazione elettromagnetica frutto dell’interazione tra una sorgente ed un oggetto che ne ha riflessa una parte, con un maggior impatto in una precisa area dello spettro della luce visibile.

È solo con l’ingresso della luce nell’occhio che potremo parlare di colore. La parte dell’occhio interessata maggiormente nel processo di visione dei colori è la retina, dove risiedono i bastoncelli e i coni, quest’ultimi sono cellule nervose che svolgono l’importante funzione di trasformare la luce che arriva sul fondo dell’occhio in una informazione trasmessa al cervello mediante il nervo ottico.

Eye Fisiology Credits: IES, Illuminating Engineering Society – Courtesy of IES

Qui sopra uno schema semplificato della fisiologia dell’occhio. Lo spettro luminoso incidente sulla retina viene “pesato” secondo tre curve di sensibilità producendo tre stimoli nervosi proporzionali all’intensità della radiazione nelle tre zone di sensibilità dei coni, le cellule dedicate alla visione in condizioni di alta luminosità e, come abbiamo già detto, molto sensibili al colore.

In altre parole, uno spettro viene ridotto a solo tre valori, informazioni che permettono al cervello di generare una chiara sensazione di colore. A partire da queste curve, la CIE (Commissione internazionale dell’illuminazione) nel 1931 ha studiato e creato tre curve di sensibilità attraverso le quali qualsiasi colore viene identificato con tre coordinate all’interno di uno spazio di colore colorimetrico.

Questo spazio è chiamato XYZ e le curve di “sensibilità” corrispondenti derivano da trasformazioni matematiche delle curve di sensibilità dell’occhio. Queste curve si chiamano Color Matching Functions e, dato uno spettro qualsiasi nel visibile, lo pesano restituendo i tre valori X, Y, e Z.

Diagramma di cromaticità CIE 1931

Tramite passaggi matematici, qualsiasi colore viene trasformato in una terna di valori nello spazio X, Y, Z, in modo da poterlo rappresentare in modo univoco rispetto ad un altro all’interno di un diagramma cromatico come quello riportato qui sopra.

Alcuni importanti osservazioni rispetto al grafico appena visto:

• Presi due punti qualsiasi, la linea che unisce i due punti rappresenta tutte le possibili combinazioni dei due colori rappresentati da quei due punti.
• Presi tre punti, che identificano un triangolo, qualsiasi colore all’interno del triangolo può essere generato attraverso la combinazione dei colori rappresentati dai vertici del triangolo.
• Agli estremi del grafico, la parabola che va dal blue al rosso passando per il verde al suo vertice, rappresenta i colori puri, che corrispondono alle lunghezze d’onda di luce monocromatica, è facile comprendere rispetto alle due osservazioni precedenti, che tramite mescolanze di colori puri non si possono ottenere altri colori puri.
• Il colore porpora nelle sue diverse sfumature, che si identifica con la line nella parte bassa del diagramma, non è un colore puro, non esistono quindi sorgenti monocromatiche con quello spettro in quanto non fa parte dello spettro visibile. Può essere generato solamente tramite la mescolanza di rosso e blue in diverse proporzioni.

Ci sarebbero moltissimi altri aspetti importanti da trattare e approfondire sul tema della visione e della colorimetria come ad esempio i colori metamerici, i diversi spazi colore e la loro importanza, le illusioni ottiche, ma come da incipit dell’articolo, lascerò a voi questo affascinante viaggio. Studiare la luce, la sua natura i suoi effetti e le sue implicazioni è un percorso emozionante, la cui multidisciplinarietà permette di passare dalla matematica alla biologia, dalla psicologia alla chimica, dall’architettura alla fisica senza nemmeno accorgersene.

Procediamo ora affrontando il tema della percezione del colore che, in quanto soggettiva e legata alle esperienze di ciascuno, potrebbe sembrare di difficile descrizione in termini di coerenza tra i diversi individui. Il colore così come lo intendiamo è una percezione propria dell’essere umano, in quanto, oltre ad avere uno specifico sistema visivo, ha anche un bagaglio di informazioni che ne permettono l’elaborazione e la descrizione. Gli animali, ad esempio, hanno sistemi completamente diversi e quindi percezioni dei colori differenti. Inoltre è risaputo che i neonati non vedono i colori alla nascita, ma li percepiscono gradualmente durante i primi mesi di vita.

Nonostante la soggettività, si è scoperto che le funzioni di sensibilità spettrale dei tre coni negli occhi umani sono più o meno le stesse o molto simili, per le persone con una normale visione dei colori. Infatti, se due persone guardano due oggetti e la prima persona afferma che quegli oggetti sono simili nel colore, la seconda persona sarà quasi sempre d’accordo. Questa caratteristica dell’essere umano ci permette di poter organizzare i colori secondo degli schemi chiari, di poter trasmettere informazioni riscontrabili dalla maggior parte delle persone e di prevedere risultati di calcoli e studi.

Non vi è un modo unidimensionale di organizzare i colori, uno di seguito all’altro, e nemmeno bidimensionale come una scacchiera, per poter rappresentare graficamente i colori ci si avvale di sistemi tridimensionali, questo dipende strettamente dal numero di fotorecettori nell’occhio umano, che ricordiamo essere tre, se fossero stati quattro, allora i sistemi sarebbero quadridimensionali.

Munsell 1943 color solid cylindrical coordinates – SharkD, CC BY-SA 3.0  via Wikimedia Commons

Prenderemo in esame ora uno dei sistemi più utilizzati e conosciuti universalmente, il solido di Munsell, qui sopra la sua rappresentazione digitale, nel quale ogni tinta viene estesa alla sua massima croma ad ogni valore. L’asse centrale del sistema di ordinamento rappresenta la chiarezza (che Munsell chiama “valore”) e ha una scala uniforme di undici livelli di grigio, dal nero al bianco, indicati con i valori da 0 a 10. La distanza di un colore dall’asse rappresenta la croma con valori che vanno da 0 a 16. Ogni semipiano che esce dall’asse centrale rappresenta una tinta.

Nel linguaggio comune, quando si dice “colore” si intende appunto la caratteristica che nel linguaggio tecnico si chiama tinta (inglese hue). Possiamo dire che in media le tinte che l’occhio umano può distinguere sono circa 200.

Il sistema Munsell è solo uno dei tanti modi di rappresentare i colori e ci permette di procedere con il nostro ragionamento, arrivando a parlare di resa cromatica, la misura di quanto naturali appaiano i colori degli oggetti illuminati da sorgenti di luce rispetto ad illuminanti di riferimento. Immaginiamo quindi di avere un illuminante di cui conosciamo la distribuzione spettrale di potenza e le sue altre caratteristiche illuminotecniche, e sotto di esso, abbiamo il set di colori Munsell.

Utilizziamo un altro set identico ma cambiamo sorgente di luce, e poniamo i due set vicini, questi appariranno diversi, le distribuzioni spettrali di potenza delle due sorgenti infatti, essendo diverse, verranno riflesse dai campioni uguali ma la risultante sarà una radiazione con uno spettro differente, in quanto la luce uscente da un oggetto è dipendente sia dalla luce incidente che dall’oggetto su cui si riflette. Potremmo cercare di capire le corrispondenze tra i campioni dei due set, a quale di quello di partenza corrisponde quello illuminato dalla seconda sorgente, potremmo provare a descrivere lo spostamento di tinta, lo spostamento in croma e lo spostamento in chiarezza.

Ovviamente farlo con i campioni fisici può sembrare semplice ed intuitivo, il problema è che in realtà ci sono milioni di campioni e potrebbero esserci migliaia di diverse funzioni di riflettanza spettrale che producono quello stesso colore. La quantità di informazioni sui cambiamenti di colore è quindi enorme e non dobbiamo dimenticare che ogni spostamento è costituito da tre spostamenti in tre dimensioni diverse.

TM-30-20 calculation tool extraction

Fortunatamente abbiamo ad oggi tutti i mezzi per fare queste valutazioni sistematicamente utilizzando spazi colore evoluti e potenti strumenti matematici. Il nostro obbiettivo è quello di trovare un modo utile per riassumere queste informazioni che ci aiuti a comunicare i risultati efficacemente tra di noi, a specificare le condizioni di illuminazione desiderabili, o quelle che ci aspettiamo siano accettabili.

In questo campo, lo scopo della Commissione colore all’interno della Illuminating Engineering Society è proprio sviluppare un linguaggio comune, il più dettagliato e funzionale possibile, che permettesse una descrizione qualitativa e quantitativa della resa cromatica. Il risultato di anni di studi e sperimentazioni è il technical memorandum TM-30-18, che descrive un metodo per valutare la resa dei colori delle sorgenti luminose.

La procedura utilizza un approccio oggettivo e statistico per quantificare la fedeltà (vicinanza a un riferimento) e la gamma (aumento o diminuzione della croma) di una sorgente luminosa. Sarà il tema del prossimo articolo di questa sezione, nel frattempo vi lascio con un breve glossario dei termini utilizzati e le letture consigliate.

Ci vediamo al prossimo articolo!

Glossario:

SPD Spectral power distribution

Una rappresentazione tabellare o grafica della potenza radiante emessa da una sorgente ad ogni lunghezza d’onda o entro bande di lunghezze d’onda attraverso lo spettro elettromagnetico.

Lunghezza d’onda dominante

La lunghezza d’onda dominante è un modo di caratterizzare una miscela di luce, in termini di luce spettrale monocromatica che evoca una percezione identica di tonalità.

Coordinate cromatiche

Identificano la posizione della sorgente luminosa in uno spazio color come, ad esempio, il CIE 1931 o il CIE 1964.

Resa cromatica

Effetto di una sorgente luminosa sull’aspetto dei colori degli oggetti attraverso il confronto conscio o subconscio con il loro aspetto sotto un illuminante di riferimento.

Riflettanza spettrale

Il rapporto tra il flusso riflesso e il flusso incidente a una particolare lunghezza d’onda, λ.

Color Matching Functions

Sono tabulate come funzioni di lunghezza d’onda in tutto lo spettro e sono la base per la valutazione dell’energia radiante come luce e colore.

Diagramma cromatico

Un diagramma cartesiano formato tracciando una delle tre coordinate di cromaticità rispetto ad un’altra.

Luce monocromatica

La luce monocromatica è la luce (radiazione ottica) in cui lo spettro ottico contiene solo una singola lunghezza d’onda.

Bibliografia e letture consigliate:

A. Frova – Luce colore visione. Perché si vede ciò che si vede.
A. Frova – Luce. Una storia da Pitagora a oggi.
Mauro Boscarol – Prima lezione sul colore.
Colore digitale blog – A mio parere la risorsa più completa e autorevole sul web.
Johann W. Goethe – La teoria dei colori.
Piero Bianucci – Vedere, Guardare.
Maurizio Rossi, Angelo Moretti – Sintesi delle immagini per il fotorealismo
L. Whitehead, A. David, M. Royer – Webinar: A technical discussion of IES TM-30-15 Sept 28, 2015
ANSI/IES LS-1-20, Lighting Science: Nomenclature and Definitions for Illuminating Engineering