Gama de colores

En la reproducción del color, incluidos los gráficos por computadora y la fotografía, la gama o la gama de colores, es un cierto subconjunto completo de colores. El uso más común se refiere al subconjunto de colores que se puede representar con precisión en una circunstancia dada, como dentro de un espacio de color dado o por un dispositivo de salida determinado.

Otro sentido, menos utilizado pero aún correcto, se refiere al conjunto completo de colores encontrados en una imagen en un momento dado. En este contexto, digitalizar una fotografía, convertir una imagen digitalizada en un espacio de color diferente o imprimirla en un medio determinado utilizando un determinado dispositivo de salida generalmente altera su gama, en el sentido de que algunos de los colores del original se pierden en el proceso.

Introducción
El término gama fue adoptado del campo de la música, donde significa el conjunto de tonos de los que se componen las melodías musicales; El uso de Shakespeare del término en La fierecilla domada a veces se atribuye al autor / músico Thomas Morley. En la década de 1850, el término se aplicó a una gama de colores o matices, por ejemplo, por Thomas De Quincey, quien escribió «Porphyry, he oído, recorre una gama de tonos tan amplia como el mármol».

En la teoría del color, la gama de un dispositivo o proceso es la parte del espacio de color que puede representarse o reproducirse. En general, la gama de colores se especifica en el plano de saturación del tono, ya que un sistema generalmente puede producir colores en un amplio rango de intensidad dentro de su gama de colores; para un sistema de color sustractivo (como el utilizado en la impresión), el rango de intensidad disponible en el sistema es, en su mayor parte, insignificante sin considerar las propiedades específicas del sistema (como la iluminación de la tinta).

Cuando ciertos colores no se pueden expresar dentro de un modelo de color particular, se dice que esos colores están fuera de gama. Por ejemplo, aunque el rojo puro se puede expresar en el espacio de color RGB, no se puede expresar en el espacio de color CMYK; el rojo puro está fuera de gama en el espacio de color CMYK.

Un dispositivo que puede reproducir todo el espacio de color visible es un objetivo no realizado en la ingeniería de pantallas de colores y procesos de impresión. Las técnicas modernas permiten aproximaciones cada vez mejores, pero la complejidad de estos sistemas a menudo las hace poco prácticas.

Al procesar una imagen digital, el modelo de color más conveniente utilizado es el modelo RGB. La impresión de la imagen requiere transformar la imagen del espacio de color RGB original al espacio de color CMYK de la impresora. Durante este proceso, los colores del RGB que están fuera de gama deben convertirse de alguna manera en valores aproximados dentro de la gama de espacios CMYK. Simplemente recortar solo los colores que están fuera de la gama de los colores más cercanos en el espacio de destino se quemaría la imagen. Hay varios algoritmos que se aproximan a esta transformación, pero ninguno de ellos puede ser verdaderamente perfecto, ya que esos colores simplemente están fuera de las capacidades del dispositivo de destino. Esta es la razón por la que la identificación de los colores en una imagen que están fuera de la gama en el espacio de color objetivo tan pronto como sea posible durante el procesamiento es crítica para la calidad del producto final.

Representación de gamas
Los Gamuts se representan comúnmente como áreas en el diagrama de cromaticidad de CIE 1931, como se muestra a la derecha, con el borde curvo representando los colores monocromáticos (longitud de onda única) o espectrales.

La gama accesible depende del brillo; una gama completa debe representarse en el espacio 3D, como se muestra a continuación:

Las imágenes de la izquierda muestran las gamas del espacio de color RGB (arriba), como en los monitores de computadora, y de colores reflectantes en la naturaleza. El cono dibujado en gris corresponde aproximadamente al diagrama CIE a la derecha, con la dimensión añadida de brillo.

Los ejes en estos diagramas son las respuestas de los conos de longitud de onda corta (S), longitud de onda media (M) y longitud de onda larga (L) en el ojo humano. Las otras letras indican negro (Blk), rojo (R), verde (G), azul (B), cian (C), magenta (M), amarillo (Y) y blanco (W).

El diagrama superior izquierdo muestra que la forma de la gama RGB es un triángulo entre rojo, verde y azul a luminosidades inferiores; un triángulo entre cian, magenta y amarillo a mayor luminosidad, y un único punto blanco a máxima luminosidad. Las posiciones exactas de los vértices dependen de los espectros de emisión de los fósforos en el monitor de la computadora y de la relación entre las luminosidades máximas de los tres fósforos (es decir, el balance de color).

La gama del espacio de color CMYK es, idealmente, aproximadamente la misma que para RGB, con ápices ligeramente diferentes, dependiendo de las propiedades exactas de los tintes y de la fuente de luz. En la práctica, debido a la forma en que los colores impresos con trama interactúan entre sí y con el papel, y debido a sus espectros de absorción no ideales, la gama es más pequeña y tiene esquinas redondeadas.

La gama de colores reflectantes en la naturaleza tiene una forma similar, aunque más redondeada. Un objeto que refleje solo una banda estrecha de longitudes de onda tendrá un color cercano al borde del diagrama CIE, pero tendrá una luminosidad muy baja al mismo tiempo. En luminosidades más altas, el área accesible en el diagrama CIE se hace cada vez más pequeña, hasta un punto único de blanco, donde todas las longitudes de onda se reflejan exactamente al 100 por ciento; las coordenadas exactas de blanco están determinadas por el color de la fuente de luz.

Limitaciones de la representación del color

Superficies
A principios del siglo XX, las demandas industriales de una forma controlable de describir los colores y la nueva posibilidad de medir los espectros de luz iniciaron una intensa investigación sobre descripciones matemáticas de los colores.

La idea de colores óptimos fue introducida por el químico alemán báltico Wilhelm Ostwald. Erwin Schrödinger mostró en su artículo de 1919 Theorie der Pigmente von größter Leuchtkraft (Teoría de los pigmentos con mayor luminosidad) que los colores más saturados que se pueden crear con una reflectividad total dada se generan por superficies que tienen reflectancia cero o completa en cualquier longitud de onda dada , y el espectro de reflectividad debe tener como máximo dos transiciones entre cero y completo. Por lo tanto, son posibles dos tipos de espectros de «color óptimo»: o bien la transición va de cero en ambos extremos del espectro a uno en el medio, como se muestra en la imagen de la derecha, o va de uno en los extremos a cero en el medio. El primer tipo produce colores que son similares a los colores espectrales y siguen aproximadamente la parte en forma de herradura del diagrama de cromaticidad CIE xy, pero en general son menos saturados. El segundo tipo produce colores que son similares (pero generalmente menos saturados que) a los colores en la línea recta en el diagrama de cromaticidad CIE xy, lo que lleva a colores similares a los magenta. El trabajo de Schrödinger fue desarrollado por David MacAdam y Siegfried Rösch. MacAdam fue la primera persona en calcular las coordenadas precisas de los puntos seleccionados en el límite del color sólido óptimo en el espacio de color CIE 1931 para niveles de luminosidad de Y = 10 a 95 en pasos de 10 unidades. Esto le permitió dibujar el color sólido óptimo con un grado aceptable de precisión. Debido a su logro, el límite del color sólido óptimo se denomina límite de MacAdam. En las computadoras modernas, es posible calcular un color sólido óptimo con gran precisión en segundos o minutos. El límite de MacAdam, en el que residen los colores más saturados (u «óptimos»), muestra que los colores que están cerca de los colores monocromáticos solo se pueden lograr con niveles de luminancia muy bajos, excepto los amarillos, porque una mezcla de las longitudes de onda de la larga recta la porción de línea del locus espectral entre verde y rojo se combinará para hacer un color muy parecido a un amarillo monocromático.

Fuentes de luz
Las fuentes de luz utilizadas como primarios en un sistema de reproducción de color aditivo deben ser brillantes, por lo que generalmente no son muy monocromáticas. Es decir, la gama de colores de la mayoría de las fuentes de luz de color variable puede entenderse como el resultado de dificultades para producir luz monocromática pura (longitud de onda única). La mejor fuente tecnológica de luz monocromática es el láser, que puede ser bastante caro y poco práctico para muchos sistemas. Sin embargo, a medida que la tecnología optoelectrónica madura, los láseres de diodo de modo longitudinal único son cada vez menos costosos, y muchas aplicaciones ya pueden sacar provecho de esto; como espectroscopía Raman, holografía, investigación biomédica, fluorescencia, reprografía, interferometría, inspección de semiconductores, detección remota, almacenamiento de datos ópticos, grabación de imágenes, análisis espectral, impresión, comunicaciones de espacio libre punto a punto y comunicaciones de fibra óptica.

Los sistemas que usan procesos de color aditivos generalmente tienen una gama de colores que es más o menos un polígono convexo en el plano de saturación del tono. Los vértices del polígono son los colores más saturados que el sistema puede producir. En los sistemas de color sustractivos, la gama de colores es más a menudo una región irregular.

Comparación de varios sistemas
A continuación, se muestra una lista de sistemas de color representativos, más o menos ordenados, de una gama de colores grande a pequeña:

El proyector de video láser utiliza 3 láseres para producir la gama más amplia disponible hoy en día en los equipos de visualización práctica, derivados del hecho de que los láseres producen primarios verdaderamente monocromáticos. Los sistemas funcionan ya sea escaneando la imagen completa un punto a la vez y modulando el láser directamente a alta frecuencia, al igual que los haces de electrones en un CRT, o mediante la dispersión óptica y luego modulando el láser y escaneando una línea a la vez, el la línea se modula de la misma manera que en un proyector DLP. Los láseres también se pueden usar como fuente de luz para un proyector DLP. Se pueden combinar más de 3 láseres para aumentar el rango de gama, una técnica que a veces se usa en holografía.
Digital Light Processing o tecnología DLP es una tecnología registrada de Texas Instruments. El chip DLP contiene una matriz rectangular de hasta 2 millones de espejos microscópicos montados en la bisagra. Cada uno de los microespejos mide menos de un quinto del ancho de un cabello humano. El microespejo de un chip DLP se inclina hacia la fuente de luz en un sistema de proyección DLP (ON) o lejos de él (OFF). Esto crea un píxel claro u oscuro en la superficie de proyección. Los proyectores DLP actuales usan una rueda que gira rápidamente con «rebanadas de pastel» de colores transparentes para presentar cada cuadro de color sucesivamente. Una rotación muestra la imagen completa.
La película fotográfica puede reproducir una gama de colores más amplia que los sistemas de televisión, computadora o video domésticos típicos.
CRT y pantallas de video similares tienen una gama de colores aproximadamente triangular que cubre una porción significativa del espacio de color visible. En los CRT, las limitaciones se deben a los fósforos en la pantalla que producen luz roja, verde y azul.
Las pantallas de cristal líquido (LCD) filtran la luz emitida por una luz de fondo. La gama de una pantalla LCD se limita, por lo tanto, al espectro emitido de la luz de fondo. Las pantallas LCD típicas utilizan bombillas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) para retroiluminación. Pantallas LCD con ciertos LED o retroiluminación CCFL de gama amplia ofrecen una gama más completa que los CRT. Sin embargo, algunas tecnologías LCD varían el color presentado por el ángulo de visión. En cambio de plano o alineación vertical con dibujos, las pantallas tienen un rango de colores más amplio que Twisted Nematic.
La televisión normalmente usa una pantalla CRT, LCD o de plasma, pero no aprovecha al máximo sus propiedades de visualización en color, debido a las limitaciones de la transmisión. HDTV es menos restrictivo, pero aún algo menos que, por ejemplo, pantallas de computadora que usan la misma tecnología de pantalla.
La mezcla de pintura, tanto artística como para aplicaciones comerciales, logra una gama de colores razonablemente grande comenzando con una paleta más grande que el rojo, verde y azul de los CRT o cian, magenta y amarillo de la impresión. La pintura puede reproducir algunos colores muy saturados que no pueden reproducirse bien mediante CRT (particularmente violeta), pero en general la gama de colores es más pequeña.
La impresión generalmente usa el espacio de color CMYK (cian, magenta, amarillo y negro). Muy pocos procesos de impresión no incluyen negro; sin embargo, esos procesos (con la excepción de las impresoras de sublimación de tinte) son deficientes para representar colores de baja saturación y baja intensidad. Se han realizado esfuerzos para ampliar la gama del proceso de impresión mediante la adición de tintas de colores no primarios; estos son típicamente de color naranja y verde (ver Hexachrome) o cian claro y magenta claro (ver modelo de color CcMmYK). Las tintas de colores planos de un color muy específico también se usan a veces.
La gama de colores de una pantalla monocromática es una curva unidimensional en el espacio de color.

Amplia gama de colores
El Ultra HD Forum define una amplia gama de colores (WCG) como una gama de colores que es más ancha que la Rec. 709. WCG incluiría DCI-P3 y Rec. 2020.