Cromaticidad – Calidad del color de la luz independiente de la luminancia

La cromaticidad es una piedra angular de la ciencia del color y la fotometría, que describe la calidad de un color tal como lo perciben los humanos—específicamente en términos de su matiz y saturación, independiente de la luminancia (brillo). Esta distinción permite la especificación, comparación y reproducción precisa del color, sin importar cuán clara u oscura parezca una tonalidad. La cromaticidad es central en aplicaciones de iluminación, tecnología de pantallas, manufactura e investigación científica.

Fundamentos teóricos

Teoría tricromática y funciones de igualación de color

La visión del color humana se basa en las respuestas de tres tipos de conos en la retina, cada uno sensible a diferentes partes del espectro visible. La teoría tricromática forma la base para representar cualquier color como una mezcla de tres primarios. A través de experimentos de igualación de color, se derivaron las funciones estándares de igualación de color (CMFs), que cuantifican la respuesta promedio humana a los colores espectrales. Estas funciones sustentan el sistema colorimétrico CIE.

La CIE define un observador estándar (inicialmente con un campo de visión de 2° en 1931, luego extendido a 10° en 1964 y refinado aún más en 2015) basado en un gran volumen de datos psicofísicos. Usando el observador estándar y las CMFs, el color de cualquier luz puede expresarse como un conjunto de valores tristímulos (X, Y, Z), calculados como integrales ponderadas de la distribución espectral de potencia de la luz.

[ X = k \int \Lambda(\lambda) \overline{x}(\lambda) d\lambda ] [ Y = k \int \Lambda(\lambda) \overline{y}(\lambda) d\lambda ] [ Z = k \int \Lambda(\lambda) \overline{z}(\lambda) d\lambda ]

Las coordenadas de cromaticidad se derivan luego normalizando estos valores:

[ x = \frac{X}{X + Y + Z} ] [ y = \frac{Y}{X + Y + Z} ]

Este proceso elimina la componente de luminancia (Y), aislando el matiz y la saturación del color.

Diagramas de cromaticidad

Los diagramas de cromaticidad son gráficos bidimensionales que representan todos los colores perceptibles basados en sus coordenadas de cromaticidad. Los más utilizados son los definidos por la Comisión Internacional de Iluminación (CIE).

Diagrama de cromaticidad CIE 1931 (x, y)

El diagrama CIE 1931 (x, y) es la representación clásica de la cromaticidad. Muestra toda la gama de colores visibles para el observador estándar como una región en forma de herradura. El borde curvado—el locus espectral—corresponde a los colores espectrales puros, mientras que la línea recta púrpura conecta los extremos.

El punto blanco (x, y) = (0.333, 0.333) está marcado. El límite en forma de herradura es el locus espectral de la luz monocromática.

El diagrama incluye:

• Puntos blancos (por ejemplo, Iluminante E, D65) como referencia
• El locus de Planck que traza radiadores de cuerpo negro y define la temperatura de color correlacionada (CCT)
• Regiones de cromaticidad para colores estándar y cumplimiento regulatorio

Escalas uniformes de cromaticidad

El diagrama CIE 1931 no es perceptualmente uniforme—distancias iguales no corresponden a diferencias de color igualmente percibidas. La CIE abordó esto con diagramas mejorados:

• Diagrama CIE 1960 (u, v): Usado para CCT y Duv, ahora es principalmente histórico.
• Diagrama CIE 1976 (u’, v’) UCS: Ofrece mejor uniformidad perceptual, por lo que es preferido para definir tolerancias de color y clasificar LEDs. Las elipses de MacAdam (regiones de diferencia de color indistinguible) se vuelven casi circulares en este diagrama.
• CIE 2015 (s, t) UCS: Basado en un observador de 10° para una mejor igualación de color en áreas grandes, especialmente en iluminación arquitectónica.

Cromaticidad, matiz, saturación y luminancia

La cromaticidad caracteriza el matiz (la tonalidad, como rojo o verde) y la saturación (intensidad o pureza) de un color, pero no la luminancia (brillo). Esta separación es crítica en la ciencia del color:

Por ejemplo, el blanco, gris y negro tienen la misma cromaticidad pero difieren en luminancia. Dos fuentes de luz con coordenadas de cromaticidad idénticas aparecerán como el mismo color; solo diferirá su brillo.

Cálculo y medición

Determinación paso a paso de la cromaticidad

1. Medir la distribución espectral de potencia (SPD):
   Utilice un espectrorradiómetro para capturar la intensidad de luz en cada longitud de onda.

2. Aplicar las funciones de igualación de color CIE:
   Integre la SPD con las CMFs para calcular los valores tristímulo ((X, Y, Z)).

3. Normalizar para obtener las coordenadas de cromaticidad:
   Calcule (x, y) (o sus equivalentes en otros diagramas) para representar la cromaticidad.

4. Graficar en el diagrama de cromaticidad:
   Visualice el color y compárelo con los estándares.

Instrumentos

• Espectrorradiómetros: Proporcionan mediciones SPD de alta precisión.
• Colorímetros: Usan filtros para aproximar las funciones CIE para mediciones más rápidas, aunque menos precisas.

Tolerancias de cromaticidad y elipses de MacAdam

Las elipses de MacAdam definen regiones en un diagrama de cromaticidad dentro de las cuales las diferencias de color son visualmente indetectables. Son críticas para:

• Control de calidad y manufactura
• Definición de tolerancias de color para LEDs y pantallas
• Cumplimiento regulatorio (por ejemplo, normas ANSI, IEC)

En diagramas perceptualmente uniformes (por ejemplo, CIE 1976 UCS), estas elipses son casi circulares, facilitando la definición de tolerancias.

Aplicaciones y casos de uso

Tecnología de iluminación

La cromaticidad es esencial para especificar y clasificar (binning) LEDs, lámparas y luminarias para asegurar la consistencia del color. Normas como ANSI C78.377 definen agrupamientos de cromaticidad para temperaturas de color correlacionadas (CCTs) comunes. Los datos de cromaticidad garantizan que los recambios de lámparas coincidan con las instalaciones existentes.

Tecnología de pantallas

La cromaticidad define el gamut de color (gama de colores) de las pantallas. La calibración y el control de calidad dependen de mediciones de cromaticidad para lograr una reproducción de color consistente. Monitores profesionales, proyectores y cámaras utilizan datos de cromaticidad para mantener la precisión del color.

Iluminación de señales y seguridad

Semáforos, balizas de aviación y señales de emergencia deben cumplir estrictas regiones de cromaticidad, asegurando que sean fácilmente reconocibles en todas las condiciones. Las normas regulatorias especifican estas regiones por motivos de seguridad.

Reproducción del color y metamerismo

Dos fuentes de luz pueden coincidir en cromaticidad pero diferir en cómo reproducen los colores de los objetos si sus espectros son diferentes—fenómeno llamado metamerismo. Por ello, la cromaticidad se combina con métricas como el Índice de reproducción cromática (CRI) e IES TM-30 para una evaluación completa de la calidad de la luz.

Métricas de calidad del color

• Temperatura de color correlacionada (CCT): Cuantifica la “calidez” o “frialdad” de la luz blanca, derivada de la cromaticidad.
• Duv: Mide la desviación del blanco ideal sobre el locus de Planck.

Evolución de los estándares de cromaticidad

El perfeccionamiento continuo de los sistemas de cromaticidad refleja un mayor entendimiento de la visión y percepción del color humana, llevando a un control del color más preciso y robusto en todas las industrias.

Resumen

La cromaticidad es un concepto fundamental para la especificación y control de la calidad del color en la ciencia, tecnología e industria. Al caracterizar el color solo en términos de matiz y saturación, independiente de la luminancia, la cromaticidad permite la especificación, comparación y reproducción precisa del color en una amplia gama de aplicaciones—desde iluminación y pantallas hasta manufactura y señalización de seguridad. La evolución de los estándares de cromaticidad ha ido en paralelo a los avances en la ciencia del color, asegurando que productos y entornos cumplan con estándares cada vez más altos de consistencia y calidad cromática.

Términos relacionados: Colorímetro , Luminancia , Índice de reproducción cromática (CRI) , Espectrorradiómetro , Metamerismo