Espacio de color CIE 1931

Espacio de color CIE 1931 – Sistema colorimétrico estándar que define las funciones de igualación cromática

Descripción general

El espacio de color CIE 1931, establecido por la Comisión Internacional de la Iluminación (CIE) en 1931, es la base de la ciencia moderna del color y la colorimetría. Proporciona una forma estandarizada y cuantitativa de describir cada color visible para el ojo humano promedio, conectando las propiedades físicas medibles de la luz con la percepción del color humano. Este sistema es esencial para industrias que requieren una reproducción precisa del color, como la fabricación de pantallas, pinturas y recubrimientos, diseño de iluminación, imagen digital, textiles e impresión.

El espacio de color CIE 1931 se basa en el concepto de valores tristímulos—X, Y y Z—derivados de un conjunto de funciones de igualación cromática que modelan la sensibilidad al color del observador humano promedio. Permite la especificación, medición y reproducción precisa del color de forma independiente del dispositivo y forma la columna vertebral de sistemas y estándares colorimétricos posteriores.

Antecedentes históricos

Antes del siglo XX, el color se describía principalmente en términos subjetivos o cualitativos. En la década de 1920, los experimentos de W. D. Wright y J. Guild midieron cómo los observadores humanos igualaban luces monocromáticas usando mezclas de tres primarios. La CIE sintetizó estos datos empíricos para definir un observador estándar y un espacio de color matemático, asegurando reproducibilidad y universalidad.

Hitos clave:

• Años 1920: Experimentos de igualación cromática de Wright y Guild.
• 1931: La CIE publica las funciones de igualación cromática RGB y XYZ y establece el espacio de color CIE 1931.
• Décadas posteriores: Adopción del CIE 1931 como la base internacional para la medición y comunicación del color.

Funciones de igualación cromática (CMFs)

Las funciones de igualación cromática (CMFs) describen cuánta cantidad de cada uno de tres primarios imaginarios se necesita para igualar una longitud de onda dada de luz visible, basándose en la visión humana promedio. El conjunto más utilizado es el de las funciones de igualación cromática XYZ de la CIE 1931—x̅(λ), y̅(λ), z̅(λ)—que están tabuladas en intervalos de 1 nm a lo largo del espectro visible (360–830 nm).

• x̅(λ): Relacionada con la sensibilidad al rojo.
• y̅(λ): Coincide estrechamente con la percepción del brillo (eficiencia luminosa) del ojo humano.
• z̅(λ): Relacionada con la sensibilidad al azul.

Estas funciones son la base matemática para todos los cálculos colorimétricos posteriores, asegurando que todos los colores visibles puedan describirse usando valores positivos—crucial para la medición práctica del color.

Valores tristímulos (X, Y, Z)

Los valores tristímulos (X, Y, Z) especifican numéricamente un estímulo de color:

• X: Respuesta relacionada con el rojo.
• Y: Respuesta relacionada con el verde, también corresponde a la luminancia (brillo).
• Z: Respuesta relacionada con el azul.

Se calculan de la siguiente manera:

X = k ∫ S(λ) x̅(λ) dλ
Y = k ∫ S(λ) y̅(λ) dλ
Z = k ∫ S(λ) z̅(λ) dλ

donde:

• S(λ) es la distribución espectral de potencia de la fuente de luz u objeto.
• k es una constante de normalización.
• x̅(λ), y̅(λ), z̅(λ) son las funciones de igualación cromática de la CIE.

Y es especialmente importante ya que representa la luminancia—directamente relacionada con el brillo percibido del color.

Coordenadas de cromaticidad (x, y, z)

Para describir el color independientemente del brillo, las coordenadas de cromaticidad se derivan de XYZ:

• x = X / (X + Y + Z)
• y = Y / (X + Y + Z)
• z = Z / (X + Y + Z) = 1 – x – y

En la práctica, solo se necesitan x e y, ya que z se determina a partir de las otras dos.

El diagrama de cromaticidad CIE 1931

El diagrama de cromaticidad (x, y) CIE 1931 es una representación bidimensional que muestra todos los matices y saturaciones perceptibles para el observador estándar. Características clave:

• Locus espectral: El borde curvo exterior, que representa los colores monocromáticos (de una sola longitud de onda).
• Línea de los púrpuras: El borde recto que conecta los extremos del locus espectral; representa los púrpuras no espectrales.
• Interior: Todos los colores físicamente realizables, incluyendo los producidos por mezcla de luces espectrales.

El diagrama es indispensable para:

• Visualizar la gama de dispositivos (por ejemplo, el triángulo formado por los primarios RGB de una pantalla).
• Evaluar diferencias y relaciones de color.
• Especificar estándares de iluminación y color.

Locus espectral

El locus espectral traza las coordenadas de cromaticidad de los colores espectrales puros (desde aproximadamente 380 nm hasta 700 nm). Define el límite del diagrama de cromaticidad, con los colores más saturados en cada longitud de onda. La línea de los púrpuras conecta los extremos del locus (violeta y rojo), encerrando todas las cromaticidades perceptibles.

Observador colorimétrico estándar de la CIE

El observador estándar de 2° de la CIE 1931 representa las capacidades promedio de igualación cromática de un humano típico viendo un campo visual de 2° (retina central). Esto se complementa con el observador de 10° de la CIE 1964, que contempla un campo más amplio.

Ambos se definen mediante tablas publicadas de funciones de igualación cromática XYZ y son cruciales para estandarizar las mediciones de color en la industria.

Función de eficiencia luminosa V(λ)

V(λ) es la curva estándar de eficiencia luminosa fotópica (luz diurna), con un pico en 555 nm (verde). La función y̅(λ) de la CIE 1931 coincide con V(λ), por lo que el valor tristímulo Y corresponde al brillo percibido (luminancia), medido en candelas por metro cuadrado (cd/m²).

Metamerismo

El metamerismo ocurre cuando dos distribuciones espectrales de potencia diferentes producen la misma sensación de color para un observador bajo un iluminante específico. A estos pares se les llama metámeros. Aunque es esencial para la igualación práctica de colores (por ejemplo, en impresión o tintura textil), el metamerismo puede hacer que las igualaciones fallen si cambia la iluminación u observador—lo que se conoce como falla metamérica.

Colores primarios en colorimetría

En el CIE 1931, los primarios son construcciones matemáticas, no luces físicamente realizables:

• Los primarios RGB originales (rojo 700 nm, verde 546.1 nm, azul 435.8 nm) se usaron en los experimentos.
• Los primarios XYZ son imaginarios pero permiten representar todos los colores visibles con valores positivos.

Iluminantes estándar

Los iluminantes estándar son fuentes de luz de referencia con distribuciones espectrales conocidas, asegurando consistencia en la medición de color:

• Iluminante A: Simula luz incandescente (~2856 K).
• Iluminante D65: Representa luz diurna promedio (~6504 K).

Son esenciales para especificaciones de color reproducibles y significativas.

Distribución espectral de potencia (SPD)

Una SPD describe la intensidad de la luz en cada longitud de onda. Es fundamental para calcular cómo aparecerá una fuente de luz u objeto, ya que la SPD, junto con las funciones del observador estándar y el iluminante estándar, determina las coordenadas de color resultantes.

Mezcla aditiva de colores

La mezcla aditiva (utilizada en pantallas, proyectores, etc.) implica combinar luz de diferentes longitudes de onda. El modelo CIE 1931 es inherentemente aditivo, ya que los valores tristímulos representan las cantidades de primarios necesarias para reproducir un color.

Espacio de color

Un espacio de color es un modelo que describe un rango de colores (gama). CIE 1931 XYZ es la referencia; otros espacios (sRGB, Adobe RGB, CIELAB) se derivan de él para dispositivos específicos o uniformidad perceptual.

Luminancia

La luminancia es el brillo percibido, representado por el valor Y en el espacio CIE 1931. Es un parámetro clave en iluminación, calibración de pantallas y ergonomía visual.

Iluminante

Un iluminante es cualquier fuente de luz caracterizada por su SPD. Iluminantes estándar como el D65 se utilizan para una evaluación y calibración de color consistentes.

Fórmulas de diferencia de color (ΔE*)

ΔE* cuantifica la diferencia perceptual entre dos colores, utilizando habitualmente el espacio de color CIELAB. Correcciones (CIE94, CIEDE2000) mejoran la precisión ante no uniformidades en la visión humana.

Gamas de color de dispositivos y mapeado de gama

La gama de color de un dispositivo es el subconjunto de colores que puede reproducir. En el diagrama de cromaticidad CIE, las gamas de dispositivos suelen mostrarse como triángulos (para pantallas RGB). El mapeo de gama asegura que los colores se reproduzcan consistentemente en dispositivos con diferentes gamas.

Índice de reproducción cromática (CRI) y temperatura de color correlacionada (CCT)

• CRI: Mide cuán fielmente una fuente de luz reproduce los colores en comparación con una referencia.
• CCT: Especifica la apariencia de color de una fuente de luz, asociándola a un cuerpo negro a una determinada temperatura.

Estas métricas se calculan usando el sistema CIE 1931 y son cruciales en el diseño y especificación de iluminación.

Variabilidad del observador y falla metamérica

Las diferencias individuales en la sensibilidad de los conos, la salud ocular y el envejecimiento causan variaciones en la percepción del color. Por ello, las igualaciones basadas en el observador estándar pueden no ser perfectas para todos o bajo toda iluminación, lo que lleva al metamerismo del observador y metamerismo del iluminante.

Transformaciones a otros espacios de color

XYZ sirve como referencia universal. Los espacios específicos de dispositivos (por ejemplo, sRGB) son transformaciones matriciales de XYZ; los espacios perceptualmente uniformes (CIELAB, CIELUV) son transformaciones no lineales diseñadas para la uniformidad visual.

Instrumentos de medición: colorímetros y espectrorradiómetros

• Colorímetros: Usan filtros para imitar al observador estándar y medir rápidamente los valores tristímulos.
• Espectrorradiómetros: Miden la SPD completa para un análisis de color preciso y flexible.

Ambos son esenciales para el control de calidad del color, la calibración de pantallas y la especificación de iluminación.

Aplicaciones e impacto

El espacio de color CIE 1931 es indispensable en:

• Calibración de pantallas: Garantiza la reproducción de color consistente en pantallas.
• Diseño de iluminación: Especifica temperatura de color, reproducción y brillo.
• Fabricación: Garantiza la consistencia de color en textiles, plásticos, pinturas e impresión.
• Imagen digital: Fundamenta los sistemas y flujos de trabajo de gestión del color.
• Investigación: Proporciona un lenguaje común para la ciencia del color, visión y psicofísica.

Resumen

El espacio de color CIE 1931 es el estándar internacional para describir, medir y comunicar el color tal como lo percibe el ser humano. Utilizando funciones de igualación cromática matemáticamente definidas, valores tristímulos y coordenadas de cromaticidad, permite una especificación de color precisa y reproducible en la ciencia, ingeniería e industria.

Ya sea calibrando una pantalla, especificando una fuente de luz o igualando pinturas, el sistema CIE 1931 es la referencia universal para la medición colorimétrica objetiva e independiente del dispositivo.

Para saber más

• Sitio oficial de la CIE
• Wikipedia – Espacio de color CIE 1931
• Color and Vision Research Laboratory – CIE Color Matching Functions
• Understanding Color – Bruce Lindbloom

Véase también

• Colorimetría
• Espacio de color CIELAB
• Iluminantes estándar
• Metamerismo (Color)

Palabras clave: CIE 1931, espacio de color, diagrama de cromaticidad, funciones de igualación cromática, valores tristímulos, luminancia, metamerismo, diferencia de color, iluminante estándar, ciencia del color, fotometría, colorimetría, XYZ, gama de color.