Bases sobre a teoria da cor aplicada aos sistemas digitais

   Antes de serem abordados os vários modelos de cor serão feitas algumas considerações básicas sobre a teoria da cor. O conceito de cor está associado à percepção, pelo sistema de visão do ser humano, da luz emitida, difundida ou reflectida pelos objectos, sendo considerada um atributo dos mesmos. A cor de um objecto depende das características das fontes de luz que o iluminam, da reflexão da luz produzida pela sua superfície e, por último, das características sensoriais do sistema de visão humano, os olhos, ou de câmaras digitais. A não existência de luz implica que nada se veja e, portanto, significa a não existência de cor.

A interpretação das cores é feita pelo cérebro humano depois de a luz atravessar a íris e ser projectada na retina. Desta forma, os olhos são os sensores de toda a visão e esta pode ser do tipo escotópica e fotópica.

·         A visão escotópica é assegurada por um único tipo de bastonetes existentes na retina. Estes são sensíveis ao brilho e não detectam a cor. Isto quer dizer que são sensíveis a alterações da luminosidade, mas não aos comprimentos de onda da luz visível.

·         A visão fotópica é assegurada por um conjunto de três tipos diferentes de cones existentes na retina.

A luz contém uma variedade de ondas electromagnéticas com diferentes comprimen­tos de onda. Se o comprimento de uma onda electromagnética pertencer ao intervalo de 380 a 780 nm (1 nanómetro = 10-9 m) é detectada e interpretada pelo sistema de visão do ser humano. Estes diferentes comprimentos de onda constituem o espectro de luz visível do ser humano e estão associados a diferentes cores (fig. 3.1.).

 Estes são sensíveis à cor e, portanto, aos comprimentos de onda da luz visível. Os números de cones da retina distribuem-se da seguinte forma: 64% são do tipo vermelho (Red), 32% do tipo verde (Green) e 2% do tipo azul (Blue).Como os bastonetes e os cones constituem dois tipos de sensores diferentes que apreendem a intensidade da luz e as diferenças de cor, é usual associá-los, respectivamente, aos conceitos de Iuminância e crominância. Estes conceitos estão, por sua vez, relacionados com as diferentes formas de representar as cores.

Modelos aditivo e subtractivo

Os modelos de cor fornecem métodos que permitem especificar uma determinada cor.  

Por outro lado, quando se utiliza um sistema de coordenadas para determinar os componentes do modelo de cor, está-se a criar o seu espaço de cor. Neste espaço cada ponto representa uma cor diferente.
Antes de serem descritos alguns modelos, convém diferenciar modelo aditivo de subtractivo. O modelo utilizado para descrever as cores emitidas ou projectadas é considerado aditivo e para as cores impressas é considerado subtractivo.

Exemplificação:

Modelo Aditivo: Luz emitida é projectada num ecrã;

                                  Mistura de cores emitidas por fontes de luz.

Modelo Subtractivo: Luz reflectida;

                                        Mistura de cores de leitura ou impressão.

Num modelo subtractivo, ao contrário do modelo aditivo, a mistura de cores cria uma cor mais escura, porque são absorvidos mais comprimentos de onda, subtraindo-os à luz. A ausência de cor corresponde ao branco e significa que nenhum comprimento de onda é absorvido, mas sim todos reflectidos. O modelo subtractivo explica a mistura de pinturas e tintas para criarem cores que absorvem alguns comprimentos de onda da luz e reflectem outros. Assim, a cor de um objecto corresponde à luz reflectida por ele e que os olhos recebem.

Num modelo aditivo a ausência de luz ou de cor corresponde à cor preta, enquanto a mistura dos comprimentos de onda ou das cores vermelha (Red), verde (Green) e azul (Blue) indicam a presença da luz ou a cor branca. O modelo aditivo explica a mistura dos comprimentos de onda de qualquer luz emitida.

O Modelo da Cor CMYK

Caracterização do modelo

O modelo CMYK é um modelo constituído a partir do modelo CMY em que foi acrescentada a cor preta (black). O modelo CMY é um modelo subtractivo, descrevendo as cores como uma combinação das três cores primárias ciano (Cyan), magenta (Magenta) e amarelo (Yellow). A cor preta foi adicionada ao modelo por ser mais fácil a sua obtenção quando impressa em papel do que recorrendo à mistura de cores. 

O modelo CMY baseia-se na forma como a Natureza cria as suas cores quando reflecte parte do espectro de luz e absorve outros. Por isso, é considerado um modelo subtractivo, porque as cores são criadas pela redução de outras à luz que incide na superfície de um objecto.
A observação dos cubos de cor das figuras mostram que as cores primárias do modelo CMY são as cores secundárias do RGB e as cores primárias de RGB são as cores secundárias de CMY.

O Modelo HSV

Nos pontos anteriores foram vistos os modelos RGB e CMYK, mas outros modelos podem ser criados baseados nas suas aplicações ou utilizações e de acordo com as seguintes categorias: 

Standard (CIE-XYZ);

Percentual (Luv e Lab);

Linear (RGB CMYK);

Artístico (Munsell, HSV HLS); 

Transmissão de sinais de televisão (YIQ YUV).

O  modelo HSV é definido pelas grandezas tonalidade de (Hue), saturação (Saturation) e valor (Value), onde este último representa a luminosidade ou o brilho de uma cor.

Aplicações

O modelo HSV baseia-se na percepção humana da cor do ponto de vista dos artistas plásticos. Isto é, os artistas plásticos para obterem as várias cores das suas pinturas combinam a tonalidade com elementos de brilho e saturação. Desta forma, o modelo HSV é mais intuitivo de utilizar do que o modelo RGB. Do ponto de vista de um artista plástico, é mais fácil manusear as cores em função de tons e sombras do que apenas como combinações de vermelho, verde e azul.

A exemplifica a utilização de vários modelos de cor por diferentes equipamentos e a necessidade das respectivas conversões. Por exemplo, a câmara de vídeo converte os dados RGB capturados pelos seus sensores em sinais YUV. O ecrã, para efectuar o rendering destes sinais, precisa de voltar a convertê-los para RGB.

O Modelo YUV

Caracterização do modelo

Os modelos anteriores apresentam objectivos específicos, como, por exemplo:
• o modelo RGB permite exibir imagens de cor em monitores;
• o modelo CMYK é utilizado na impressão;
• o modelo HSV é utilizado na mistura de cores do ponto de vista artístico.

Contudo, nenhum destes modelos tem em conta uma propriedade da visão humana. Esta é mais sensível às mudanças de intensidade da luz (luminância) do que da cor (crominância). O modelo YUV tem em conta, esta característica.
O modelo YUV foi criado a par do desenvolvimento da transmissão de sinais de cor de televisão.
Este modelo baseado na luminância permite transmitir componentes de cor em menos tempo do que seria necessário se fosse utilizado o modelo RGB. Ao mesmo tempo, o modelo YUV permite transmitir imagens a preto e branco e imagens de cor de forma independente.

Nos modelos RGB e CMYK cada cor incluiu informação relativa à luminância, permitindo ver cada cor independente de outra. No caso de se estar a guardar um pixel de acordo com o modelo RGBe se o vermelho, o verde e o azul tiverem os mesmos valores de luminância, isto significa que se está a guardar a mesma informação três vezes, aumentando o tamanho da informação.

O modelo YUV guarda a informação de luminância separada da informação de crominância ou cor. Assim, o modelo YUV é definido pela componente luminância (Y) e pela componente crominância ou cor (U = blue - Y e V= red - Y).  Com este modelo é possível representar uma imagem a preto e branco utilizando apenas a luminância e reduzindo bastante a informação que seria necessária noutro modelo.

Aplicações

O modelo YUV é adequado às televisões a cores, porque permite enviar a informação da cor separada da informação de luminância. Assim, os sinais de televisão a preto e branco e de televisão a cores são facilmente separados. O modelo YUV é também adequado para sinais de vídeo. 

Este modelo permite uma boa compressão dos dados, porque alguma informação de crominância pode ser retirada sem implicar grandes perdas na qualidade da imagem, pois a visão humana é menos sensível à crominância do que à luminância. O modelo YUV é utilizado pelos sistemas de televisão europeu PAL e francês SECAM e na compressão dos formatos JPEG/MPEG. No sistema de televisão americano e asiático NTSC é utilizado um modelo de cor equivalente designado YIQ.