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GDC | §1.4 – Percepción del color

< §1.3 – La relación entre color y espectro

Desde un punto de vista general, la percepción del color en el ser humano se produce mediante la recepción de la luz por parte del ojo y su proyección en su parte posterior, la retina, que contiene células especializadas para detectar las distintas longitudes de onda presentes. Estas células generan impulsos nerviosos que, a través del nervio óptico, llegan a la corteza visual, la parte del cerebro encargada del procesamiento e interpretación de los estímulos visuales. Analizaremos en mayor detalle estas etapas.

El ojo

Desde el punto de vista óptico, el ojo humano funciona como una cámara oscura con una abertura para el paso de la luz (la pupila), un lente para enfocarla (el cristalino) y una superficie donde la imagen se proyecta y detecta (la retina). Esta última es la que participa en el proceso de la percepción del color.

diagrama del ojo
Diagrama esquemático del ojo humano, visto desde arriba (ojo derecho), con indicación de las partes relevantes a la visión de color.

Los impulsos nerviosos se conducen al cerebro mediante el nervio óptico; el punto de la retina donde estos confluyen no tiene capacidad de detectar luz: es el punto ciego.

Retina

La retina consta de la pared posterior del ojo, y allí es donde se proyecta la imagen. La homogeneidad de su superficie sólo se interrumpe en dos lugares: el punto ciego, que es el lugar de donde parte el nervio óptico hacia el cerebro, y la fovea, una pequeña depresión ubicada justo en el eje óptico, en un lugar aproximadamente opuesto a la pupila.

Distribuidas en toda su superficie, la retina contiene células de dos tipos: los bastones y los conos. La denominación que reciben proceden de una descripción simplificada de la forma de esas células; los primeros tienen forma aproximadamente cilíndrica, mientras que los segundos terminan en punta como pequeños conos. Los bastones y los conos son las células sensibles a la luz y responsables de la primera etapa de la visión. Sin embargo, cada uno de estos tiene su especialización.

Bastones

Los bastones son sensibles sólo a bajas intensidades de luz y prácticamente dejan de ser útiles a intensidades medias a elevadas. Sólo detectan cantidad de luz y no tienen discriminación de color, aunque no responden igualmente a cualquier longitud de onda: son más sensibles en el rango azul-verde (aproximadamente 500 nm) y prácticamente insensibles al rojo (640 nm o más). Hay en la retina entre 90 y 100 millones en promedio y son mucho más numerosos que los conos (aproximadamente 13:1). Tienden a concentrarse más hacia la parte externa de la retina y por lo tanto son los que dominan nuestra visión periférica. Son responsables de la visión escotópica, la que opera en condiciones de penumbra o de visión nocturna, y son alrededor de 100 veces más sensibles que los conos. Se los representa con la letra R (por rods, bastones).

Conos

Los conos son estructuralmente similares a los bastones, pero requieren mucha mayor intensidad de luz para volverse operativos. Operan en condiciones de luz diurna y son responsables de la visión fotópica, donde ocurre la auténtica percepción del color. Son menos numerosos (alrededor de 7 millones) y tienden a concentrarse en la fovea. A diferencia de los bastones, existen tres tipos de conos sensibles a una parte particular del espectro visible. Individualmente, cada uno responde a la cantidad de luz que se concentra en el rango de longitudes de onda correspondiente; la discriminación de color aparece por la diferencia relativa en la excitación de cada uno. Por ejemplo, dado un espectro particular, el color que se percibe del mismo dependerá de cuanta energía ese espectro tiene en el rango de sensibilidad de cada cono. Por lo tanto, dos espectros luminosos distintos que produzcan en la retina los mismos estímulos serán percibidos necesariamente como el mismo color, dado que los impulsos nerviosos que cada cono transmite al cerebro serán respectivamente los mismos en cada caso.

Los conos se denominan en función del rango de longitudes de onda en el que operan:

  • Conos S (por short, corto) trabajan en el rango de longitudes de onda más cortas (zona azul del espectro), con un máximo de sensibilidad en 420 nm;
  • Conos M (por medium) son sensibles a la zona de los verdes, con un máximo en los 530 nm;
  • Conos L (por large, grande) operan en longitudes de onda algo más largas que los M (zona del verde-amarillo), con un pico de sensibilidad en los 560 nm.

Como la información de color que el ojo entrega consta de sólo tres cantidades (el nivel de excitación de cada cono), decimos que la visión humana del color es tricromática:

La visión humana del color se denomina tricromática debido a que el ojo consta de tres sensores independientes (los conos L, M y S) que operan en zonas diferentes del espectro visible.

Esto explica por qué los sistemas que cuantifican el color requieren siempre tres parámetros.

Los conos no transmiten los impulsos nerviosos directamente al cerebro. Ciertas células especializadas llamadas ganglios toman esos impulsos de grupos de conos, procesan esas señales y entregan el resultado al nervio óptico.

Bastones, conos y ganglios
Corte transversal de la retina. En este diagrama, la luz incide desde la izquierda e incide en los conos ubicados sobre la pared posterior. Los ganglios integran (suman) la respuesta de varios conos y envían el resultado a un nervio.

Las señales nerviosas procesadas por los ganglios resultan de la comparación de ciertas combinaciones de los impulsos de los conos L, M y S. Por ejemplo, algunos ganglios responden a la suma de los impulsos de todos los conos y son los responsables de generar la escala negro-blanco, ya que obtiene el brillo absoluto del color percibido. El proceso explica la imposibilidad fisiológica de percibir ciertos tonos “imposibles”, como un color rojo-verde, y justifica la llamada teoría de los procesos por oposición:

La teoría de los procesos por oposición se desarrolló para explicar la inexistencia de ciertas combinaciones de colores (blanco-negro, rojo-verde, azul-amarillo) y otros fenómenos como el de las imágenes latentes (las percibidas luego de una larga exposición a un color determinado), y apuntan a cómo se genera la percepción de color, más que la forma en la que se detecta.

La teoría tricromática fue elaborada por Thomas Young en 1802 y luego perfeccionada por Hermann von Helmholtz en 1850, mientras que la teoría de los procesos por oposción fue propuesta por Ewald Hering en 1872. Ambas teorías fueron rivales en el intento de describir la visión del color, hasta que se comprobó que ambas eran correctas en el sentido de describir cada una de ellas una parte específica del proceso de visión.

Sensibilidad espectral del ojo humano

En el gráfico siguiente se observan las curvas de sensibilidad relativa de bastones (R) y conos (L, M y S). Notar que estas curvas sólo indican el rango de longitudes de onda a las que son sensibles y la posición en la que presentan su máxima respuesta.

Curvas de sensibilidad relativa LMS y R
Respuesta espectral relativa de los bastones (R) y los conos (L, M, S). Notar la proximidad entre la curva de los conos L y M. La razón de esta semejanza es evolutiva; ver texto para una justificación.

Estas curvas nos permiten precisar dos nociones:

  • El ojo no es sensible separadamente al rojo, verde y azul como es de creencia común. Si bien el modelo RGB es una consecuencia de la manera en que opera la visión humana, no existe una relación uno a uno con la respuesta espectral de los conos;
  • Los conos L y M tienen respuestas muy cercanas; la razón descansa en el proceso evolutivo que tuvo lugar en los mamíferos primitivos (que sólo contaban con conos S y M) y que desembocó en los simios superiores y el hombre. Se piensa que una alteración genética de los conos M produjo la creación de conos L con una sensibilidad espectral ligeramente desplazada al rojo, lo que pudo haber sido una ventaja evolutiva importante para detectar el grado de maduración de vegetales y frutos, imprescindibles en la alimentación de los primeros simios. La alteración de este gen puede dar lugar a la falta de desarrollo de los conos L o M, provocando alguna variante de daltonismo. Como el gen responsable de este cambio se encuentra en el cromosoma X, del cual los hombres (que son XY) sólo poseen una copia, las alteraciones en la visión de color son mucho más frecuentes que en las mujeres (que al poseer dos cromosomas X tienen mucha menor posibilidad de presentar la alteración en ambos al mismo tiempo).

Proceso del color por oposición

El principio biológico de la teoría del proceso por oposición descansa en la existencia de los ganglios, que en un primer análisis simplificado se pueden diferenciar tres grupos:

  • Los que procesan la intensidad absoluta de la luz recibida, a partir de la suma de la respuesta de todos los conos: son los responsables del eje blanco-negro (canal 1);
  • Los que procesan la diferencia de excitación entre los conos L y M: son los responsables de definir el eje rojoverde del color percibido (canal 2);
  • Los que lo hacen entre una suma de los L y M y los conos S, y son los que definen el eje azulamarillo (canal 3).
color-opponent-process
Diagrama del proceso de visión del color en el ser humano.

El proceso, analizado en conjunto, muestra por qué tanto la teoría tricromática como la teoría del proceso por oposición explican satisfactoriamente la visión de color: en esencia, ambos describen partes separadas el proceso:

  • La teoría tricromática explica la captura de la información cromática de la luz incidente;
  • La teoría del proceso por oposición explica el proceso de comparación intermedio al que se somete la información captada por los conos.

La información así procesada es conducida por el nervio óptico a la corteza visual, donde tiene lugar el auténtico proceso de percepción, de modo que:

  • La percepción del brillo del color proviene del canal 1;
  • Lo que identificamos como matiz o tono es una relación entre los canales 2 y 3. Como estos dos canales son independientes, esta relación ocupa una posición en un plano y justifica asignar al tono un ángulo; de allí la posibilidad de representar el matiz mediante un círculo cromático;
  • Lo que percibimos como saturación es la intensidad de ambos canales 2 y 3, es decir, que tan inclinados están hacia uno de sus extremos; como un canal balanceado equivale a una percepción acromática, esta cantidad indica que tan lejos esta el color percibido de esa percepción.