¿Por qué el cielo de repente se ve gris a través de esta ventana?

Intentemos validar y cuantificar la conjetura planteada por primera vez por Carl Witthoft en un comentario a la pregunta, que es básicamente que el cielo solo parece menos azul en la segunda imagen porque mucha más luz se dispersa por las ventanas hacia tu cámara.

Si esto es cierto, deberíamos ser capaces de verlo. Lo primero que debe hacer es convertir las imágenes del espacio de color RGB relativamente inútil al espacio de color XYZ mucho más útil que se basa en un modelo de los receptores reales en el ojo humano. los$Y$coordenada corresponde a la luminancia percibida de la imagen (es decir, la respuesta humana promedio en todo el espectro visible) y la$Z$coordenada corresponde a nuestra respuesta del receptor azul. los$X$La coordenada está configurada para tomar el relevo y no necesariamente tiene una interpretación física clara. Vea aquí las respuestas en todo el espectro visible: (de wikipedia ):

Entonces, eso es lo primero que hice. Obtuve:

Arriba verá las dos imágenes originales, así como sus$Y$y$Z$valores. Aquí podemos ver claramente que la iluminación total ($Y$) en la imagen gris ha subido, y el contenido azul de la imagen ($Z$) también ha subido.

Intentemos echar un vistazo más de cerca. Para hacer eso, a continuación miraré un histograma de la$Y$y$Z$valores en las imagenes:

Mirando este histograma de valores, podemos ver claramente que en los niveles medios (cerca de ~ 0.5) ambas imágenes tienen una joroba azul. Supongamos que es el cielo (lo comprobaremos en un segundo). Pero tenga en cuenta también que, en todo caso, esa joroba azul se ha desplazado un poco hacia arriba en la activación. Sorta cerca de la joroba azul es una joroba en la luminancia ($Y$), que parece moverse mucho. Pero suceden muchas cosas en la imagen, y si la conjetura es correcta y entra más luz a través de las ventanas, esperaríamos que todo en la imagen sea más brillante, incluidas las columnas y la pared. Entonces, debemos tratar de filtrar el cielo, así que hagamos un corte en la imagen que dan esas jorobas en el azul. He mostrado mis elecciones para los cortes como líneas discontinuas verticales en la imagen. Aplicando ese corte a la imagen original obtenemos:

¡Absolutamente maravilloso! Acabamos de desarrollar un filtro de cielo casi perfecto. Ahora que sabemos qué píxeles corresponden al cielo, podemos volver a mirar nuestros histogramas, pero esta vez solo para los píxeles del "cielo".

Y ahora parecería que no se puede negar la explicación de Carl Witthoft, el cielo parece menos azul, en la imagen "Cielo gris", no porque el azul haya desaparecido (de hecho, en todo caso, hay más contenido azul en él ) sino porque hay mucha más luz proveniente de esos puntos más allá del azul, por lo que ya no se ve azul. Para completar, veamos los histogramas en los canales RGB de solo los píxeles del cielo:

Aquí podemos ver claramente que no es que el azul se haya ido, solo tenemos mucho más rojo y verde saliendo de las ventanas ahora.

Pero, ¿por qué se ve mucho menos azul , cuando los valores de los canales rojo y verde son aún más pequeños que el azul?

Eso es enteramente un efecto de la percepción humana. Somos mucho menos sensibles a la luz azul que a la verde. Si observa de nuevo el gráfico en la parte superior de esta respuesta, recuerde que el$Y$La curva fue elegida para ser la sensibilidad perceptiva de los sujetos humanos en todo el espectro visible. Observe lo poco que se superpone con el azul.

De hecho, una fórmula común que la gente usa para convertir imágenes a escala de grises (que es peor que la transformación XYZ, pero fácil de hacer) es:

Esto demuestra el problema con solo tres números. Aproximadamente el 72 % de lo que percibimos como brillo proviene del canal verde, el 21 % proviene del rojo y solo el 7 % proviene del azul. Esta es la razón por la que, cuando el sol brilla en las ventanas de su edificio, aunque entra más luz azul y los componentes azules aún dominan los otros colores, de repente se ve muy monótono.

^{Todo el código utilizado para hacer estas figuras está disponible como un cuaderno de ipython aquí .}

Hay una pregunta favorita en los exámenes de calificación de las escuelas de posgrado en física,

¿Por qué el cielo es azul?

La respuesta es la dispersión de Rayleigh . Los fotones de longitud de onda más corta tienen más probabilidades de cambiar la dirección en la atmósfera, por lo que la luz más azul y de longitud de onda más corta está sobrerrepresentada en la luz que proviene de direcciones aleatorias del cielo.

Creo que la misma razón por la que "el cielo es azul" es también la razón por la que "el cielo en determinadas circunstancias no es tan azul". Cuando el Sol brilla directamente sobre el cristal, pero no hacia usted, los fotones pueden dispersar la suciedad y las impurezas del cristal. A diferencia del aire, estas impurezas pueden cambiar la dirección de todos los fotones.

Entonces, si la suciedad del vidrio no está directamente iluminada por el Sol, los fotones de lugares genéricos del cielo solo llegan a tu ojo si se originaron de los fotones solares dispersados ​​por la atmósfera, y estos fotones tienden a ser azules. Sin embargo, si el vidrio se ilumina directamente, recibe muchos fotones del Sol que cambian de dirección al golpear la suciedad del vidrio, y estos no se desplazan hacia el extremo azul del espectro porque la dispersión de la suciedad no es dispersión de Rayleigh; es más daltónico. Por lo tanto, el color que se ve en las direcciones genéricas se vuelve más gris.

Tenga en cuenta que estoy diciendo que la pregunta correcta debería haber sido la opuesta a la suya: por qué el cielo es azul en la primera situación. Es el "estado predeterminado" para que la luz proveniente de algunas direcciones sea de color neutral, es decir, "gris". Esto ocurre cuando las direcciones de los fotones cambian bastante independientemente de su color o longitud de onda, y esta condición se cumple cuando la dispersión de las impurezas en el vidrio es la fuente dominante de luz desde una dirección. Por otro lado, es "extraordinario" que la luz no sea de color neutro, es decir, que sea azul, y por eso sigue siendo el cielo azul, y no el cielo gris, el que merece una explicación "especial". ¡Es la explicación habitual basada en la dispersión de Rayleigh! En este sentido,