Gamma di colori

Nella riproduzione dei colori, compresi la grafica e la fotografia al computer, la gamma, o gamma di colori, è un certo sottoinsieme completo di colori. L’uso più comune si riferisce al sottoinsieme di colori che può essere rappresentato con precisione in una data circostanza, ad esempio all’interno di un dato spazio colore o da un determinato dispositivo di output.

Un altro senso, usato meno frequentemente ma sempre corretto, si riferisce al set completo di colori che si trovano all’interno di un’immagine in un dato momento. In questo contesto, la digitalizzazione di una fotografia, la conversione di un’immagine digitalizzata in uno spazio cromatico diverso o la sua uscita su un determinato supporto utilizzando un determinato dispositivo di output generalmente altera la sua gamma, nel senso che alcuni dei colori nell’originale si perdono nel processi.

introduzione
Il termine gamut è stato adottato dal campo della musica, dove significa l’insieme di passi di cui sono composte melodie musicali; L’uso di Shakespeare del termine in La bisbetica domata è talvolta attribuito all’autore / musicista Thomas Morley. Negli anni cinquanta dell’Ottocento, il termine fu applicato a una gamma di colori o tonalità, ad esempio da Thomas De Quincey, che scrisse “Il Porfido, ho sentito, percorre una gamma di tinte come marmo”.

Nella teoria dei colori, la gamma di un dispositivo o processo è quella parte dello spazio colore che può essere rappresentata o riprodotta. Generalmente, la gamma di colori è specificata nel piano di saturazione della tonalità, in quanto un sistema può solitamente produrre colori su un’ampia gamma di intensità all’interno della sua gamma di colori; per un sistema di colori sottrattivi (come quelli usati nella stampa), la gamma di intensità disponibile nel sistema è per la maggior parte priva di significato senza considerare le proprietà specifiche del sistema (come l’illuminazione dell’inchiostro).

Quando alcuni colori non possono essere espressi all’interno di un particolare modello di colore, si dice che questi colori siano fuori gamma. Ad esempio, mentre il rosso puro può essere espresso nello spazio colore RGB, non può essere espresso nello spazio colore CMYK; il rosso puro è fuori gamma nello spazio cromatico CMYK.

Un dispositivo in grado di riprodurre l’intero spazio cromatico visibile è un obiettivo non realizzato nell’ambito dell’ingegnerizzazione di display a colori e processi di stampa. Le tecniche moderne consentono sempre più buone approssimazioni, ma la complessità di questi sistemi spesso le rende poco pratiche.

Durante l’elaborazione di un’immagine digitale, il modello di colore più conveniente utilizzato è il modello RGB. La stampa dell’immagine richiede la trasformazione dell’immagine dallo spazio colore RGB originale nello spazio colore CMYK della stampante. Durante questo processo, i colori RGB che sono fuori gamma devono essere in qualche modo convertiti in valori approssimativi all’interno della gamma di spazio CMYK. Semplicemente ritagliando solo i colori che sono fuori gamma rispetto ai colori più vicini nello spazio di destinazione, l’immagine verrà masterizzata. Esistono diversi algoritmi che approssimano questa trasformazione, ma nessuno di essi può essere veramente perfetto, poiché questi colori sono semplicemente fuori dalle funzionalità del dispositivo di destinazione. Questo è il motivo per cui l’identificazione dei colori in un’immagine che non rientrano nella gamma nello spazio cromatico target il prima possibile durante l’elaborazione è fondamentale per la qualità del prodotto finale.

Rappresentazione di gamut
I gamut sono comunemente rappresentati come aree nel diagramma di cromaticità CIE 1931 come mostrato a destra, con il bordo ricurvo che rappresenta i colori monocromatici (lunghezza d’onda singola) o spettrali.

La gamma accessibile dipende dalla luminosità; una gamma completa deve quindi essere rappresentata nello spazio 3D, come di seguito:

Le immagini a sinistra mostrano le gamme dello spazio colore RGB (in alto), ad esempio sui monitor dei computer, e dei colori riflettenti in natura. Il cono disegnato in grigio corrisponde approssimativamente al diagramma CIE a destra, con la dimensione aggiunta di luminosità.

Gli assi in questi diagrammi sono le risposte dei coni di lunghezza d’onda corta (S), lunghezza d’onda media (M) e lunghezza d’onda lunga (L) nell’occhio umano. Le altre lettere indicano i colori nero (Blk), rosso (R), verde (G), blu (B), ciano (C), magenta (M), giallo (Y) e bianco (W).

Il diagramma in alto a sinistra mostra che la forma della gamma RGB è un triangolo tra rosso, verde e blu a luminosità inferiori; un triangolo tra ciano, magenta e giallo a luminosita ‘più elevate, e un singolo punto bianco alla massima luminosita’. Le posizioni esatte degli apici dipendono dagli spettri di emissione dei fosfori nel monitor del computer e dal rapporto tra le massime luminosità dei tre fosfori (cioè il bilanciamento del colore).

La gamma dello spazio colore CMYK è, idealmente, approssimativamente uguale a quella per RGB, con apici leggermente diversi, a seconda sia delle proprietà esatte dei coloranti che della sorgente luminosa. In pratica, a causa del modo in cui i colori raster-stampati interagiscono tra loro e con la carta e grazie ai loro spettri di assorbimento non ideali, la gamma è più piccola e ha angoli arrotondati.

La gamma di colori riflettenti in natura ha una forma simile, anche se più arrotondata. Un oggetto che riflette solo una banda stretta di lunghezze d’onda avrà un colore vicino al bordo del diagramma CIE, ma avrà una luminosità molto bassa allo stesso tempo. A luminosità più elevate, l’area accessibile nel diagramma CIE diventa sempre più piccola, fino a un singolo punto di bianco, dove tutte le lunghezze d’onda si riflettono esattamente al 100 percento; le coordinate esatte del bianco sono determinate dal colore della sorgente luminosa.

Limiti della rappresentazione del colore

superfici
All’inizio del XX secolo, le richieste industriali per un modo controllabile di descrivere i colori e la nuova possibilità di misurare gli spettri di luce hanno avviato un’intensa ricerca sulle descrizioni matematiche dei colori.

L’idea di colori ottimali fu introdotta dal chimico tedesco del Baltico Wilhelm Ostwald. Erwin Schrödinger ha mostrato nel suo articolo del 1919 Theorie der Pigmente von größter Leuchtkraft (Teoria dei pigmenti con la massima luminosità) che i colori più saturi che possono essere creati con una data riflettività totale sono generati da superfici che hanno zero o piena riflettanza in ogni lunghezza d’onda data e lo spettro di riflettività deve avere al massimo due transizioni tra zero e pieno. Quindi sono possibili due tipi di spettri “a colori ottimali”: o la transizione va da zero ad entrambe le estremità dello spettro a una al centro, come mostrato nell’immagine a destra, o va da una alle estremità a zero nel Medio. Il primo tipo produce colori che sono simili ai colori spettrali e seguono approssimativamente la porzione a forma di ferro di cavallo del diagramma di cromaticità CIE xy, ma generalmente sono meno saturi. Il secondo tipo produce colori simili a quelli (ma generalmente meno saturi rispetto a) dei colori sulla linea retta nel diagramma di cromaticità CIE xy, che portano a colori simili a magenta. Il lavoro di Schrödinger è stato ulteriormente sviluppato da David MacAdam e Siegfried Rösch. MacAdam è stata la prima persona a calcolare le coordinate precise dei punti selezionati sul limite del solido di colore ottimale nello spazio colore CIE 1931 per i livelli di luminosità da Y = 10 a 95 in incrementi di 10 unità. Ciò gli ha permesso di disegnare il solido ottimale del colore con un grado accettabile di precisione. A causa del suo successo, il limite del solido di colore ottimale è chiamato il limite di MacAdam. Sui computer moderni, è possibile calcolare un solido di colore ottimale con grande precisione in secondi o minuti. Il limite MacAdam, sul quale risiedono i colori più saturi (o “ottimali”), mostra che i colori che sono vicini ai colori monocromatici possono essere raggiunti solo a livelli di luminanza molto bassi, ad eccezione dei gialli, perché una miscela delle lunghezze d’onda del lungo rettilineo la porzione di linea del locus spettrale tra verde e rosso si unirà per creare un colore molto vicino a un giallo monocromatico.

Fonti di luce
Le sorgenti luminose utilizzate come primarie in un sistema di riproduzione del colore additivo devono essere luminose, quindi in genere non sono vicine al monocromatico. Cioè, la gamma di colori della maggior parte delle fonti di luce a colori variabili può essere intesa come risultato di difficoltà nella produzione di luce monocromatica pura (lunghezza d’onda singola). La migliore fonte tecnologica di luce monocromatica è il laser, che può essere piuttosto costoso e poco pratico per molti sistemi. Tuttavia, con la maturazione della tecnologia optoelettronica, i laser a diodi a modalità longitudinale singola stanno diventando meno costosi e molte applicazioni possono già trarne vantaggio; come la spettroscopia Raman, l’olografia, la ricerca biomedica, la fluorescenza, la reprografia, l’interferometria, l’ispezione dei semiconduttori, il rilevamento remoto, la memorizzazione ottica dei dati, la registrazione delle immagini, l’analisi spettrale, la stampa, le comunicazioni punto-punto libero e le comunicazioni in fibra ottica.

I sistemi che utilizzano processi di colore additivi di solito hanno una gamma di colori che è approssimativamente un poligono convesso nel piano di saturazione della tonalità. I vertici del poligono sono i colori più saturi che il sistema può produrre. Nei sistemi di colori sottrattivi, la gamma di colori è più spesso una regione irregolare.

Confronto tra vari sistemi
Di seguito è riportato un elenco di sistemi di colori rappresentativi più o meno ordinati dalla gamma di colori grande a quella piccola:

Il videoproiettore laser utilizza 3 laser per produrre la gamma più ampia disponibile in apparecchiature di visualizzazione pratiche oggi, derivate dal fatto che i laser producono primari veramente monocromatici. I sistemi funzionano sia scansionando l’intera immagine un punto alla volta e modulando il laser direttamente ad alta frequenza, proprio come i fasci di elettroni in un CRT, o estendendo e quindi modulando il laser e scansionando una linea alla volta, linea stessa viene modulata più o meno allo stesso modo di un proiettore DLP. I laser possono anche essere usati come fonte di luce per un proiettore DLP. Più di 3 laser possono essere combinati per aumentare la gamma di gamut, una tecnica a volte utilizzata in olografia.
La tecnologia Digital Light Processing o DLP è una tecnologia brevettata da Texas Instruments. Il chip DLP contiene una matrice rettangolare di fino a 2 milioni di specchi microscopici montati sulla cerniera. Ciascun micromirro misura meno di un quinto della larghezza di un capello umano. Il micromirror di un chip DLP si inclina verso la fonte di luce in un sistema di proiezione DLP (ON) o lontano da esso (OFF). Questo crea un pixel chiaro o scuro sulla superficie di proiezione. I proiettori DLP attuali utilizzano una ruota a rotazione rapida con “fette di torta” colorate trasparenti per presentare successivamente ciascuna cornice di colore. Una rotazione mostra l’immagine completa.
La pellicola fotografica può riprodurre una gamma di colori più ampia rispetto ai tipici sistemi televisivi, computer o home video.
CRT e display video simili hanno una gamma cromatica approssimativamente triangolare che copre una porzione significativa dello spazio cromatico visibile. Nei CRT, le limitazioni sono dovute ai fosfori nello schermo che producono luce rossa, verde e blu.
Gli schermi a cristalli liquidi (LCD) filtrano la luce emessa da una retroilluminazione. La gamma di uno schermo LCD è quindi limitata allo spettro emesso della retroilluminazione. Gli schermi LCD tipici utilizzano lampadine fluorescenti a catodo freddo (CCFL) per retroilluminazione. Gli schermi LCD con alcuni retroilluminati CCFL a LED o wide-gamut offrono una gamma più completa rispetto ai CRT. Tuttavia, alcune tecnologie LCD variano il colore presentato dall’angolo di visualizzazione. Gli schermi di allineamento verticale Plane Switching o Patterned hanno una gamma di colori più ampia di Twisted Nematic.
La televisione normalmente utilizza un display CRT, LCD o al plasma, ma non sfrutta appieno le sue proprietà di visualizzazione a colori, a causa delle limitazioni della trasmissione. L’HDTV è meno restrittiva, ma ancora un po ‘meno, ad esempio, dei display per computer che utilizzano la stessa tecnologia di visualizzazione.
La miscelazione della pittura, sia artistica che per applicazioni commerciali, raggiunge una gamma di colori abbastanza ampia iniziando con una palette più ampia rispetto al rosso, verde e blu dei CRT o ciano, magenta e giallo della stampa. Paint può riprodurre alcuni colori molto saturi che non possono essere riprodotti bene dai CRT (in particolare il viola), ma nel complesso la gamma di colori è più piccola.
In genere, la stampa utilizza lo spazio colore CMYK (ciano, magenta, giallo e nero). Pochissimi processi di stampa non includono il nero; tuttavia, tali processi (ad eccezione delle stampanti a sublimazione del colore) sono scarsi a rappresentare colori a bassa saturazione e bassa intensità. Sono stati fatti sforzi per espandere la gamma del processo di stampa aggiungendo inchiostri di colori non primari; questi sono in genere arancione e verde (vedere Esacromia) o ciano chiaro e magenta chiaro (vedere modello di colore CcMmYK). A volte vengono anche utilizzati inchiostri a tinte piatte di un colore molto specifico.
La gamma cromatica di un display monocromatico è una curva monodimensionale nello spazio colore.

Ampia gamma di colori
Il forum Ultra HD definisce un’ampia gamma di colori (WCG) come una gamma di colori più ampia di Rec. 709. Il WCG includerebbe DCI-P3 e Rec. Il 2020.