¿Cuántos colores y matices puede distinguir el ojo humano en una sola escena?

¿Cuántos colores, sombras, matices y matices distintos puede distinguir una persona promedio en una sola escena? En otras palabras, ¿cuál es la profundidad de bits teórica requerida para estar seguro de grabar una fotografía con toda la información visual que percibiría un ser humano?

He visto respuestas que van desde 200 000 a 20 000 000, y es difícil determinar la autoridad. Y el término "color" es ambiguo: ¿se refiere solo a la tonalidad o también se incluyen las diferencias en la saturación y la luminosidad?

Estoy seguro de que se han recopilado estadísticas para la "Prueba Farnsworth Munsell 100 Hue". Aquí hay una versión en línea de mala calidad que estoy seguro se ve afectada por la calibración del monitor: xrite.com/custom_page.aspx?PageID=77&Lang=en

Respuestas (4)

Cuando hablo de la cantidad de colores perceptibles para el ojo humano, tiendo a referirme a los 2,4 millones de colores del espacio de color CIE 1931 XYZ. Es un número bastante sólido y científicamente fundado, aunque admito que puede estar limitado en contexto. Creo que es posible que el ojo humano sea sensible a 10-100 millones de "colores" distintos cuando se refiere tanto a la cromaticidad como a la luminosidad.

Basaré mi respuesta en el trabajo realizado por CIE, que comenzó en la década de 1930 y progresó nuevamente en la década de 1960, con algunas mejoras algorítmicas y de precisión en la fórmula durante las últimas dos décadas. Cuando se trata de las artes, incluidas la fotografía y la impresión, creo que el trabajo realizado por el CIE es particularmente relevante, ya que es la base de la corrección de color y los modelos de color matemáticos modernos y la conversión del espacio de color.

La CIE, o Commission internationale de l'éclairage , en 1931 estableció el " espacio de color CIE 1931 XYZ". Este espacio de color era una trama de color de pureza total, mapeada desde 700nm (rojo infrarrojo cercano) hasta 380nm (ultravioleta cercano), y progresó a través de todas las longitudes de onda de la luz "visible". Este espacio de color se basa en la visión humana , que es un triestímulo creado por los tres tipos de conos en nuestros ojos: conos de longitud de onda corta, media y larga, que se asignan a longitudes de onda de 420-440nm, 530-540nm y 560-580nm. Estas longitudes de onda corresponden a azul, verde , y amarillo-rojo (o naranja-rojo) colores primarios (los conos rojos son un poco únicos, ya que su sensibilidad tiene dos picos, el principal en el rango de 560-580nm, y también un segundo en el 410- Rango de 440 nm Esta sensibilidad de doble pico indica que nuestros conos "rojos" en realidad pueden ser conos "magenta" en términos de sensibilidad real.) Las curvas de respuesta triestímulo se derivan de un campo de visión de 2° de la fóvea, donde nuestros conos están más concentrados y nuestra visión del color, bajo una intensidad de iluminación media a alta, es máxima.

El espacio de color real CIE 1931 se mapea a partir de valores triestímulo XYZ, que se generan a partir de derivados de rojo, verde y azul, que se basan en valores reales de color rojo, verde y azul (modelo aditivo). Los valores triestímulo XYZ se ajustan para un "iluminante estándar", que normalmente es un blanco equilibrado con luz solar de 6500K (aunque el espacio de color original CIE 1931 se creó para tres iluminantes estandarizados A 2856K, B 4874K y C 6774K), y ponderado de acuerdo con un "observador estándar" (basado en en ese campo de visión foveal de 2 °). El diagrama de color estándar CIE 1931 XYZ tiene forma de herradura y está lleno de un diagrama de "cromaticidad" de "colores" puros, que cubre el rango de tono de 700 nm a 380 nm, y varía en saturación de 0 % centrado en el punto blanco al 100% a lo largo de la periferia. Esto es un "2,38 millones de colores que el ojo humano puede detectar bajo una iluminación de intensidad moderadamente alta, aproximadamente la misma temperatura de color y brillo de la luz del día (no la luz del sol, que está más cerca de los 5000k, sino la luz del sol + la luz del cielo azul, unos 6500k).

Entonces, ¿puede el ojo humano detectar solo 2,4 millones de colores? De acuerdo con el trabajo realizado por el CIE en la década de 1930, bajo un iluminante específico que equivale a la intensidad y temperatura de color de la luz del día, al tener en cuenta solo los 2° de conos concentrados en la fóvea de nuestros ojos, entonces parece que sí podemos ver 2,4 millones de colores.

Sin embargo, las especificaciones CIE tienen un alcance limitado. No tienen en cuenta los diferentes niveles de iluminación, los iluminantes de diferente intensidad o temperatura de color, o el hecho de que tenemos más conos repartidos en al menos un área de 10° de nuestras retinas alrededor de la fóvea. Tampoco tienen en cuenta el hecho de que los conos periféricos parecen ser más sensibles a los azules que los conos concentrados en la fóvea (que son principalmente conos rojos y verdes).

Los refinamientos de los gráficos de cromaticidad CIE se realizaron en los años 60 y nuevamente en 1976, lo que perfeccionó el "observador estándar" para incluir un punto sensible al color completo de 10° en nuestras retinas. Estos refinamientos de los estándares de CIE nunca se han utilizado mucho, y la extensa investigación de sensibilidad de color que se ha realizado en relación con el trabajo de CIE se ha limitado en gran medida al espacio de color original CIE 1931 XYZ y al gráfico de cromaticidad.

Dada la limitación de la sensibilidad al color a solo un punto de 2° en la fóvea, existe una gran probabilidad de que podamos ver más de 2,4 millones de colores, particularmente extendiéndose a los azules y violetas. Esto es corroborado por los refinamientos de la década de 1960 a los espacios de color CIE .

El tono, quizás mejor denominado luminosidad (el brillo o la intensidad de un color), es otro aspecto de nuestra visión. Algunos modelos combinan cromaticidad y luminosidad, mientras que otros los separan claramente. El ojo humano contiene una retina compuesta tanto por conos... "dispositivos sensibles al color", como por bastones, que son independientes del color pero sensibles a los cambios de luminosidad. El ojo humano tiene unas 20 veces más bastones (94 millones) que conos (4,5 millones). Los bastones también son unas 100 veces más sensibles a la luz que los conos, capaces de detectar un solo fotón. Los bastones parecen ser más sensibles a las longitudes de onda de luz de color verde azulado (alrededor de 500 nm) y tienen menor sensibilidad a las longitudes de onda rojizas y cercanas al UV. Cabe señalar que la sensibilidad de una varilla es acumulativa, por lo que cuanto más tiempo se observa una escena estática, más claros serán percibidos por la mente los niveles de luminosidad en esa escena. Los cambios rápidos en una escena, o el movimiento panorámico, reducirán la capacidad de diferenciar una gradación tonal fina.

Dada la mayor sensibilidad del bastón a la luz, parece lógico concluir que los humanos tienen una sensibilidad más fina y distinta a las variaciones en la intensidad de la luz que a los cambios en el matiz y la saturación cuando se observa una escena estática durante un tiempo. No puedo decir exactamente cómo influye esto en nuestra percepción del color y cómo afecta la cantidad de colores que podemos ver. Se puede realizar una prueba simple de sensibilidad tonal en la tarde de un día despejado, justo cuando se pone el sol. El cielo azul puede variar desde un azul casi blanco hasta un azul medianoche oscuro. Mientras que el tono de un cielo así cubre un rango muy pequeño, el grado tonal es inmenso y muy fino. Al observar un cielo así, uno puede ver un cambio infinitamente suave de un azul blanco brillante a un azul cielo y a un azul medianoche oscuro.

Estudios no relacionados con el trabajo de CIE han indicado una amplia gama de "colores máximos" que el ojo humano puede percibir. Algunos tienen un límite superior de 1 millón de colores, mientras que otros tienen un límite superior de 10 millones de colores. Estudios más recientes han demostrado que algunas mujeres tienen un cuarto tipo de cono único, un cono "naranja", que posiblemente podría extender su sensibilidad a 100 millones, sin embargo, ese estudio contó tanto la cromaticidad como la luminosidad en su cálculo de "color".

Eso finalmente plantea la pregunta, ¿podemos separar la cromaticidad de la luminosidad al determinar el "color"? ¿Preferimos definir el término "color" como el matiz, la saturación y la luminosidad de la luz que percibimos? ¿O es mejor separar los dos, mantener la cromaticidad distinta de la luminosidad? ¿Cuántos niveles de intensidad puede ver realmente el ojo, frente a cuántas diferencias distintas en la cromaticidad? No estoy seguro de que estas preguntas hayan sido respondidas de manera científica todavía.

Otro aspecto de la percepción del color implica el contraste. Es fácil percibir una diferencia en dos cosas cuando contrastan bien entre sí. Al tratar de determinar visualmente cuántos "colores" se ven cuando se observan diferentes tonos de rojo, puede ser bastante difícil saber si dos tonos similares son diferentes o no. Sin embargo, compare un tono de rojo con un tono de verde, y la diferencia es muy clara. Compare ese tono de verde en secuencia con cada tono de rojo, y el ojo puede captar más fácilmente las diferencias en los tonos rojos en relación periférica entre sí, así como en contraste con el verde. Todos estos factores son facetas de la visión de nuestra mente, que es un dispositivo mucho más subjetivo que el ojo mismo (lo que dificulta medir científicamente la percepción del color más allá del alcance del ojo mismo.en contexto que un entorno sin ningún contraste en absoluto.

De todos modos: 10-100 millones de colores distintos = 24-27 bits, de los cuales 22 son tono y saturación.
Lo triste del modelo de color RGB es que mezcla cromaticidad y luminosidad. No puede simplemente cambiar la luminosidad independientemente de la cromaticidad, debe cambiar la cromaticidad al mismo tiempo... están intrínsecamente vinculados. Ese enlace limita inherentemente la precisión que podemos extraer de RGB hasta que alcancemos profundidades de bit más altas más allá de 8bpc... 16bpc es bastante adecuado, pero aún no es ideal. Un verdadero fastidio acerca de muchas pruebas de visión es... se hace con computadoras y pantallas de computadora, UTILIZANDO el modelo de color RGB. Creo que eso ha limitado nuestra medición de la visión humana de alguna manera.
@jrista: ¿Cómo cambia Bezold-Brücke en relación con eso?
Creo que Bezold-Brücke se basa solo en pruebas de percepción extrafoveales, o pruebas que involucran el punto sensible al color externo de 10 °, pero ignoran (o subestiman) el punto foveal de 2 ° (que tiene más conos rojos y verdes). La mayor concentración de conos azules en el área extrafoveal podría explicar el cambio ponderado azul/amarillo. Sin embargo, no sé mucho sobre sus estudios, así que no puedo decir nada definitivo.
@jrista: ¿cómo se realizan pruebas como esa? Los artículos los veo referenciando estudios sobre sujetos humanos dando respuestas subjetivas, más que mediciones ni nada. En este momento estoy demasiado cansado para entender nada de lo que estoy leyendo, pero estoy desarrollando la sospecha furtiva de que un modelo que separa el color en matiz, saturación y valor también tiene limitaciones. No es que eso necesariamente se relacione directamente con mi pregunta aquí. :)
@mattdm: Cada modelo de color que hemos ideado tiene limitaciones... es la naturaleza de lo mejor. Eran solo "modelos" de la realidad, nada más. Hasta el día en que podamos tomar medidas directas desde el interior del ojo, o incluso directamente de los conos y bastones, probablemente nunca entenderemos completamente la visión del color y, por lo tanto, todos nuestros modelos tendrán fallas de una forma u otra. Para simplificar las cosas, los modelos de color HSV/B/L y RGB tienen sus limitaciones. RGB es una manera horrible de modelar el color, pero es una excelente manera de emitir o sentir el color, ya que coincide con el diseño del nivel de hardware.
Los sistemas de color que separan el tono y la saturación de la luminosidad son mejores formas de modelar el color, ya que se asemejan más a nuestra forma de ver. Técnicamente hablando, el modelo Lab es el modelo más relevante desde el punto de vista de la percepción, ya que tiene un eje de color verde/magenta y un eje de color azul/amarillo, que son polos diametralmente opuestos que no se pueden usar para representar sus dos colores primarios en al mismo tiempo (es decir, puede tener magenta o verde, pero no ambos simultáneamente). La luminosidad es presentada por un tercer eje en un plano diferente. continuación ->
L a b* es lo más parecido a los dos ejes de color y al eje de intensidad de la vista humana, por lo que es el único espacio/modelo de color que se utiliza para calcular la diferencia de color cromáticamente adaptada, que es fundamental en la combinación de colores. conversión de espacio de color, desarrollo de modelos de color perceptivamente precisos (como modelos de color de inyección de tinta), etc. Por otro lado, HSL, HSB, YCC, etc. no son excelentes para emitir o detectar colores, ya que es difícil o imposible diseñar un dispositivo de tal manera que lo haría posible. La detección de colores específicos (es decir, RGB) es más fácil y rentable.
En cuanto a cómo se realizan las pruebas de visión, tiene que ver con el campo de visión. Muchas pruebas de visión del color usan una pantalla oscura y emiten puntos de luz en ciertos ángulos en un campo de visión específico. Puede estimular solo el área de 2 a 10° alrededor del punto foveal, o estimular solo el punto foveal, o estimular las regiones periféricas extremas de la retina. Acuda a un oftalmólogo y quéjese de problemas de visión extensos... aprenderá mucho sobre la visión y las pruebas de visión de esa manera. ;Tengo algo llamado masas fibrosas nubladas en mis ojos, que causan estragos en mi visión. He hecho todas las pruebas.
@jrista: respuesta increíble y fascinante. Por lo general, hojeo u omito las respuestas largas (en el primer párrafo sabes que se dirá poco), pero terminé deseando que esta respuesta fuera mucho más larga y detallada . ¿Algún otro enlace a artículos sobre esto? De cualquier manera, gracias por esta magnífica explicación.
@bill: Hay mucha información sobre este tema. Hay al menos cientos, si no miles, de sitios y páginas en la red que cubren el color, los modelos y modelos de color, los espacios de color, la visión, el diseño y las capacidades del ojo, los aspectos subjetivos de cómo nuestro cerebro procesa lo que nuestros ojos recoger, etc. Es posible que tenga más enlaces en archivos antiguos de mis marcadores en casa... Sin embargo, no he hojeado esas cosas en mucho tiempo.

150: el número de tonos que el ojo puede discriminar en el espectro.

1.000.000: el número de colores (combinaciones de matiz, saturación y brillo) que el ojo puede discriminar en condiciones óptimas de laboratorio.

De visualexpert.com

Sin embargo, este parece ser un tema controvertido.

Curiosamente, después de dar el número un millón, ese sitio continúa: "Esto es solo una estimación, ya que sería imposible probar todas las combinaciones posibles. Algunos incluso creen que el número es tan alto como 7,000,000".
El ángulo particular de ese sitio, distinguir entre colores por razones legales, también es interesante. Este tema tiene aplicaciones bastante amplias. :)
Entonces, este sitio sugiere 20 bits, 22 si tomamos el número más alto. 8 de los bits dedicados al matiz.
Diría que acertaron bastante cuando decidieron que 24 bits era suficiente precisión para los monitores. Sé que puedo ver el color del panel TN de 18 bits, pero 24 bits es tan suave como prácticamente puedo ver.

Un par de puntos.

  1. El millón de colores discriminables, incluso si es cierto, en el mejor de los casos se aplica a las condiciones ideales de laboratorio. En el mundo real, el número sin duda será mucho, mucho menor. Puede ignorar con seguridad toda esta charla sobre millones de colores.

  2. En fotografía, el rango dinámico es una pequeña fracción del rango dinámico de la escena, por lo que de todos modos no puede producir muchos de los colores. Toda la tecnología enumera drásticamente la gama de producción de color. Sobre todo estampados.

  3. El número de bits necesarios depende de mucho más que el número de colores. El espacio de color no es lineal (consulte la ley de Weber, la ley de Fechner, las elipses de McAdam, etc.), por lo que no puede simplemente dividir el espacio de color en una serie de pasos de igual tamaño según la cantidad de bits. Siempre necesitará muchos más bits de los que sugiere la cantidad de colores. 24 bits produce 16 millones de colores, pero aun así no produce buenas imágenes. Necesita al menos 10 o 12 bits por color para crear degradados suaves sin bandas.

#3 es una cuestión de codificación. Nunca necesita más bits que el tamaño de los datos.
"#3 es una cuestión de codificación. Nunca necesita más bits que el tamaño de los datos". A efectos prácticos, estás equivocado. La respuesta no lineal del ojo y de la mayoría de los dispositivos de visualización asegura que la mayoría de los niveles en los extremos alto y bajo se desperdicien. Muchos de los niveles de color producirán colores indistinguibles. Hay algunas formas de evitar esto con equipos especializados que mapean datos de alta resolución en los 8 bits superiores, pero después de hacerlo, descubrí que no vale la pena.
@mattdm: Creo que estás malinterpretando lo que está diciendo. Art tiene razón en su declaración de que el espacio de color no es lineal (si observa el diagrama de color CIE 1931 XYZ, verá que tiene una forma curva con más área dedicada a los tonos verdes). Creo que lo que Art quiere decir es debe asignar más bits al verde que al azul o al rojo para aprovechar al máximo el potencial de un espacio de color. Usar 10 o 12 bits por canal ayuda a lograr esto, aunque todavía no es una distribución ideal de bits por color. No estaría de acuerdo con el n. ° 1... pero esa es una discusión para otro día.
La clave es "pasos de igual tamaño". El hecho de que no pueda hacer eso no significa que necesite más precisión que datos. Solo necesita la codificación correcta. Pero estoy absolutamente de acuerdo en que puede haber razones prácticas para usar más bits y una codificación menos eficiente en el espacio. (Vea nuestra larga discusión anterior sobre el espacio de trabajo scRGB muy ineficiente).
@mattdm, ¿tiene un enlace a esa discusión? ¿La corrección gamma común es insuficiente para alinear los valores de bits con la respuesta del ojo?

Para darle una idea: la mayoría de los monitores afirman poder mostrar aproximadamente 16 millones de colores. Los paneles más baratos son en realidad solo de 6 bits/canal y usan tramado para mezclar los 16 millones. ¡Esto es realmente notable! (algunos usan difuminado animado, allí puede verlo como un ligero efecto de parpadeo) En mi opinión, los 24 bits verdaderos (8/canal) son realmente necesarios para transiciones de color agradables y suaves.

"Lo que a su vez plantea la pregunta: ¿son los formatos que usan 48 bits, 16 por canal, en realidad mucho más grandes de lo necesario?"

  • Depende de para qué quieras usarlo. Solo para mostrar en la pantalla, sí. Pero si quieres trabajar con la imagen o como formato de entrada, no.
Todavía tengo que encontrar un monitor que no muestre las bandas en esta imagen especialmente construida: marksblog.com/gradient-noise . Esas bandas difieren en un solo bit en el espacio de color de 8 bits. En cuanto a los 16 bits por canal, generalmente usan un espacio de color lineal en lugar de uno corregido por gamma, por lo que en el rango inferior esos bits no se desperdician tanto como parecen.
¿Cuántos colores y matices puede distinguir el ojo humano en una sola escena?
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