Gama de cores nos displays modernos
03 de junho de 2009, 21:20Displays de LCD avançam em performance de cores, mas suas especificações são de pouca valia para a maioria dos usuários. Este texto tenta reverter um pouco esta situação.
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Noções básicas sobre luz e cores
A luz é um fenômeno resultante de uma radiação eletromagnética, que vibra em todos os planos. A luz obedece a uma função senoidal, cuja expressão gráfica pode ser vista abaixo. A luz é caracterizada por um comprimento de onda, medido em nanômetros (nm):
Representação gráfica de um raio luminoso, na forma de ondas que se propagam transversalmente a um eixo.
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A luz visível, tal como nós a conhecemos, varia entre 380 a 760 nm, indo do azul ao vermelho. Abaixo desta faixa, a radiação é chamada de ultravioleta (UV), e acima dela ela é chamada de infravermelho (IV ou IR). O que se convenciona chamar de “luz branca” é o resultado da combinação de todas as cores na região da luz visível.
Na realidade, o olho humano possui bastonetes, que são células localizadas na retina, capazes de perceber a intensidade (amplitude) da luz. Porém, para distinguir entre uma cor e outra, o olho tem células chamadas de cones. Existem três tipos de cones, cada um deles mais sensível aos comprimentos de onda das luzes vermelha, verde e azul, respectivamente. Quando a luz incide no olho, será a combinação destas sensibilidades que darão a sensação de todas as cores do espectro da luz visível.
Este mesmo princípio é usado na construção da chamada cor-luz: a amplitude relativa da emissão das cores vermelha, verde e azul (Red, Green, Blue, ou simplesmente RGB) compõe todas as cores encontradas no espectro de luz visível. Por causa disso, Vermelho, Verde e Azul são convencionalmente chamadas de cores primárias. A sua combinação, em igual amplitude de radiação, fornece as chamadas cores secundárias, como mostra o gráfico abaixo:
Combinação de cores primárias na mesma amplitude de radiação: vermelho + verde = amarelo; vermelho + azul = magenta; verde + azul = ciano. Todas as três cores combinadas dão a luz branca. Na ausência de luz, tem-se preto.
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O resto do espectro de luzes coloridas resulta da combinação de amplitude das cores primárias. O modelo RGB serve para explicar e construir sistemas onde a emissão ou a transmissão de luz fornece as diversas cores, como é o caso dos displays usados para monitores e televisões. No caso, o processo de combinação é chamado de adição, e o método de cores em “aditivo”.
Este processo de formação de cores não serve, porém, para todas as aplicações. No caso dos corantes, das tintas, e das superfícies pintadas em geral, o que conta é a chamada cor-pigmento, a qual é baseada no seguinte princípio: quando a luz branca incide sobre uma superfície, uma parte da sua energia, relativa a um dado comprimento de onda (cor) é absorvido pelo meio e a outra parte é refletida por ele. O comprimento de onda da luz refletida é aquele que o nosso olho consegue perceber e por isso corresponde à cor do corante ou da superfície. Este processo de formação de cores é baseado na diferença (ou subtração) de comprimentos de onda, e é por isso mesmo chamado de método de cores “subtrativo”.
No método subtrativo, uma cor é usada como filtro para a outra, de tal forma que, quando a luz é recebida pelo olho, somente uma parte do comprimento de onda original pode ser vista. Para se conseguir isso, é preciso observar o que se chama de cor complementar ou cor oposta. Combinando-se pigmentos de cores primárias, é possível determinar as suas cores complementares: o oposto do vermelho é o ciano, o oposto do verde é a cor magenta, enquanto que o oposto do azul é o amarelo. Na prática, isto significa dizer que o ciano, por exemplo, absorve o vermelho, e deixa passar os outros comprimentos de onda. O raciocínio é válido para as outras cores complementares e os seus respectivos filtros.
Desta forma, a construção de cores se dá por subtração de uma cor, em relação à sua complementar, e, no caso, os pigmentos Ciano (Cyan, em inglês), Magenta e Amarelo (Yellow, em inglês), se combinam para formar as outras cores. O método é chamado de CMY. Como a mistura desses pigmentos é incapaz de formar a cor preta, ela é acrescentada por fora, e assim o método passa a se chamar de CMYK, no caso K se refere a Key (chave, em inglês).
Um exemplo disso são as impressoras de jato de tinta, nas quais o cartucho preto é usado para formar uma imagem colorida uniforme no papel.
Composição de cores pelo método da subtração, onde uma cor atua como filtro da outra, antes da emissão da radiação.
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O método de cores por CMY foi usado com sucesso no processo desenvolvido pela Technicolor, na década de 1930, usando três negativos distintos, monocromáticos, e sensíveis a Vermelho, Verde e Azul. Depois de levado ao laboratório, o fotograma original, em RGB, pode ser transferido por um método chamado de “dye-transfer”: cada filme, em branco e preto era lavado com uma gelatina que retirava a prata, mas aderia ao filme na exata proporção de saturação do fotograma original. Depois disso, o filme é tratado com corantes, a saber: ciano, para a cor vermelha, magenta para o verde e amarelo para a cor azul. As matrizes obtidas são então fortemente pressionadas, uma de cada vez, na cópia final, com a obtenção de todo o espectro de cores original. Uma ilustração do processo pode ser vista a seguir:
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Negativos revelados, com as informações das cores vermelho, verde e azul, da esquerda para a direita.
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Estes mesmos filmes, corados para ciano, magenta e amarelo, respectivamente.
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Positivo, das três cores, na cópia final resultante.
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A criação de um processo fotográfico de cores pelo método Technicolor de 3 negativos abriu espaço para a compreensão de que é possível reproduzir fielmente uma enorme variedade de tons e matizes de cor, e transportá-lo de uma mídia para outra, através de métodos diversos. Este conceito é importante, mesmo após o início da era da informática, onde os computadores e os seus programadores começaram a desenhar padrões que alcançassem os mesmos objetivos. Embora existam hoje muitos padrões propostos, o objetivo de todos eles é o mesmo: definir a faixa de captura e de reprodução de cores, o chamado “color space”.
Na tecnologia que foi posteriormente criada para os displays mais modernos, particularmente os de alta definição (HDTV), a definição e o aumento da faixa de reprodução de cores foi importante para se garantir a fidelidade da imagem final obtida. Não faz tanto tempo assim que a faixa de cores da televisão convencional era tudo a que podia assistir num display qualquer, mas com a introdução das telas digitais, como por exemplo, as de LCD e plasma, o processamento de vídeo trouxe consigo a possibilidade de aumentar a gama de cores para um nível nunca antes imaginado.
Os modelos de cromaticidade
A cromaticidade se refere à qualidade de uma cor, em relação a seu matiz dominante. Ela é, em última análise, uma medida da qualidade colorimétrica. Na prática, a cromaticidade revela a capacidade de um display, por exemplo, de reproduzir uma maior ou menor faixa de cores.
Os modelos de cromaticidade vêm sendo propostos, como forma de solucionar problemas de reprodução específicos em aplicações multimídia, e não é incomum hoje em dia se encontrar mais de um modelo para a mesma finalidade. Um exemplo disso é o sRGB, criado em conjunto pela HP e Microsoft, para uso em monitores, impressoras, etc.
Neste artigo, dois modelos já foram previamente apresentados: o RGB e o CMYK. Um deles é extensivamente usado em displays e o outro em impressão. Comparando estes dois modelos, nota-se que eles não são perfeitamente equivalentes:
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O color space é na realidade um modelo matemático de representação de cores, que é um fenômeno físico e biológico. Os diversos modelos propostos podem ter vantagens e desvantagens, mas cada um deles é mais dirigido para alguma finalidade, que não necessariamente a percepção do olho humano para as cores, como por exemplo, o processamento de imagem num dado componente ou sistema.
Em qualquer hipótese, o objetivo é sempre o de aumentar a capacidade de reprodução de um número maior de cores. Um exemplo disso é o CMYK, no qual o componente de cor preta (K) foi adicionado ao modelo CMY, para melhorar os tons escuros da impressão fotográfica.
Uma característica notória da maioria dos modelos de cromaticidade é que eles tendem a ser dispositivo-dependentes, o que significa dizer que eles podem ser ótimos para um tipo de dispositivo, mas não para outros. Se isto não fosse verdade, então bastaria um único modelo, para representar todas as cores na percepção do olho humano. A existência de mais de um modelo dispositivo-dependente, neste caso, obriga a adaptação ou tradução dos modelos, para troca de informações de cores em dispositivos diferentes.
Esta adaptação é feita por programas específicos, como por exemplo, aquele usado para casar a imagem de um monitor com a mesma imagem, porém obtida no papel da impressora pelo dispositivo de impressão usado.
No desenvolvimento do estudo da cromaticidade, o primeiro modelo proposto foi o CIE XYZ ou CIE 1931, por causa do ano em que foi publicado (N.B.: CIE se refere à Comission Internationale de l’Eclairage). O modelo assume a combinação linear dos três estímulos de luz colorida percebidas pelo olho humano (Vermelho, Verde e Azul ou RGB). O tristímulo das cores fundamentais é lançado em gráfico tridimensional, onde X representa vermelho, Y representa verde e Z representa azul. O gráfico resultante assume uma forma de ferradura (por isso mesmo, aparece como “horseshoe” nos textos em inglês):
Diagrama do CIE 1931: os valores em azul correspondem à medida da luz em comprimentos de onda específicos (nanômetros). 380 nm está próximo do UV e 700 nm próximo do IV.
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Amplitudes de RGB no modelo CIE 1931, necessárias para ajustar o teste monocromático, nos comprimentos de onda mostrados no eixo de X.
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O modelo CIE 1931 é importante, porque ele leva em consideração a sensibilidade de percepção do olho humano. Como modelo, ele limita esta percepção um pouco acima e um pouco abaixo dos limiares da visão humana.
Uma das suas virtudes é também poder assumir que Z, Y, e Z tenham iluminância (intensidade de luz) constante: X + Y + Z = 1, e portanto Z = 1 – (X + Y), ou seja, o azul pode ser plotado bidimensionalmente, em função de X (vermelho) e Y (verde):
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Assim, fica mais fácil comparar modelos, pois o plote serve de referência, mostrando as limitações dos demais modelos, como mostrado a seguir:
Note que o modelo CIE 1931 nos mostra graficamente a posição do branco absoluto, ou branco de referência, pois ele é a combinação de todas as cores. Embora a posição deste ponto, chamado de D65, seja arbitrária (a luz do sol ao meio-dia é usada como parâmetro), as suas coordenadas permitem inserir graficamente outros modelos e comparar as suas limitações, como no caso, por exemplo, do sRGB:
O gráfico acima mostra ainda os limites de reprodução de cores que se obtém, ao adotar o modelo sRGB. As linhas do triângulo delimitam os pontos onde terminam as combinações de cores. Na prática, isto significa que o sRGB é incapaz de reproduzir cores além desses limites, como costuma ser o caso dos monitores de computador.
A temperatura da cor
As cores podem ser expressas também pela sua temperatura, que é obtida pela comparação da sua tonalidade, com um corpo negro irradiante. O corpo negro é usado em ótica para absorver todos os comprimentos de onda da luz que nele incide. Aquecendo-se o corpo negro, porém, ele emite uma radiação num determinado comprimento de onda.
Comparando-se a cor emitida pelo corpo com a matiz da cor estudada, pode-se determinar em que temperatura as duas combinam. Esta temperatura é, por convenção, medida em graus Kelvin (ºK), em referência ao físico irlandês William Kelvin, que descobriu que um bloco de carvão aquecido era capaz de emitir luz, primeiro em tom avermelhado, e depois indo para tons de azul. A escala de temperatura do espectro de cor visível é a seguinte:
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A escala acima mostra que as cores vermelhas são as mais “frias” da escala, enquanto que as cores azuis são as mais “quentes”. Entretanto, a associação tradicionalmente feita por técnicos em fotografia e vídeo é exatamente a oposta. No caso, um tom “quente” se refere à cor do fogo, presumivelmente, e um tom “frio” se refere à cor do céu, provavelmente. Esta última associação está presente em todos os monitores e displays, que incorporam ajustes para a temperatura dos mesmos.
Associando-se os valores em ºK para o diagrama de cromaticidade CIE 1931, obteremos o seguinte gráfico:
Note-se que o valor de branco (D65) está, de acordo com este modelo, na temperatura de 6500 ºK, que é também o chamado “ponto branco” da maioria dos displays. A posição do branco tem influência tanto na captura de uma imagem, como na sua reprodução.
No caso da captura, basta dizer que uma fotografia pode mudar de tom de cor, de acordo com a temperatura da luz que incide no objeto fotografado. Isto é possível, porque a fonte de luz, seja natural ou artificial, possui um espectro de emissão variável. Para se evitar a cor final errada na captura, pode-se lançar mão de filtros ou de filmes fotográficos com a sensibilidade para a faixa de temperatura desejada. Os fabricantes de filmes e filtros fornecem tabelas, de acordo com o tipo de luz usado pelo fotógrafo. Este problema afeta também a fotografia digital, e no caso, a câmera deve ter um ajuste para o branco, ou deve fazer isto automaticamente.
No caso da reprodução, os displays (CRT, LCD, plasma, etc.) devem ter um ajuste para o nível de branco. Este ajuste é comumente chamado de temperatura do display, e segue as convenções da associação feita por usuários: quente, normal e fria. Um erro comum nos fabricantes de TV’s é a ausência de especificação das temperaturas que são associadas a estes termos. E não é incomum se encontrar variações desses qualificativos, como por exemplo: “quente 1”, “quente 2”, “normal”, “frio 1”, “frio 2”, e assim por diante, sem que o usuário tenha noção a que temperatura elas se referem, coisa que torna a configuração correta quase impossível. O ajuste do branco pode ser também feito, em displays mais sofisticados, por um controle de balanço de branco. Neste caso, o ajuste é feito em função do ganho ou do decréscimo de intensidade das três cores fundamentais do espectro: vermelho, verde e azul.
A imagem obtida com o ajuste da temperatura e/ou do nível de branco, se feita corretamente, deverá traduzir a qualidade de cores da imagem original. Porém, é possível que fontes de imagem diferentes forneçam resultados diferentes, o que torna todos estes ajustes bastante relativos. Este é um dos motivos pelo qual a THX fornece em alguns dos discos autorados com os seus parâmetros, uma série de padrões de ajuste, com o nome de THX Optimode. Idealmente, o usuário deveria fazer esses ajustes, antes de reproduzir o disco. Resta saber se tem alguém fanático o suficiente, para ter paciência para fazer isso!
O ajuste do balanço de branco e do balanço de cores deveriam ser feitos com o uso de um fotocolorímetro, mas raramente o usuário final tem em casa um. Então a tendência é o ajuste se tornar empírico e/ou não ter precisão alguma. Por outro lado, não tendo referência do modelo de ajuste usado na fonte, fica ainda mais difícil se obter o ajuste ideal para cada caso.
A correção de gama (g)
Quando os primeiros tubos de TV (CRT) foram desenvolvidos, observou-se que o brilho na imagem não era diretamente proporcional à voltagem de entrada nos mesmos:
Para se corrigir isso, lança-se mão do valor de gama, na seguinte fórmula:
, onde Vs é a voltagem de saída e Vê é a voltagem de entrada, elevada a g.
A correção de gama deveria ser feita com o auxílio de um fotômetro, mas na ausência do mesmo, pode-se estimar o ajuste de gama, através de uma escala deste tipo, reproduzida no display desejado:
Com o uso desta escala, o que se faz é determinar visualmente a intensidade de brilho mais próxima entre as barras superiores e inferiores. Valores típicos para tubos de imagem convencionais estão em torno de 2.2. Os valores de gama podem ser determinados arbitrariamente, de acordo com o sistema. Por exemplo, o padrão usado pelo Windows é aquele codificado para os computadores IBM, que é 0.45. Na decodificação (reprodução) desta imagem, o gama passa a ser 2.2, ou seja, para se reproduzir corretamente a imagem, o display deve ser ajustado em 2.2. No caso do padrão estabelecido pela Apple para o MacIntosh, a codificação é 0.55, com uma decodificação de 1.8 no monitor. Na prática, isto significa que se uma imagem codificada para um MacIntosh for exibida num monitor rodando Windows, sem correção de gama, ela aparecerá mais escura do que deveria. Assim, para migrar uma imagem de um MacIntosh para um PC, deve-se torná-la mais clara o suficiente para que ela apareça normal neste último, e este ajuste é feito digitalmente, através de um programa. Pelo mesmo motivo, um monitor fabricado para plataformas IBM-PC pode ou não ser usado por um MacIntosh.
No caso dos monitores, mesmo aqueles de tubo convencional, um ajuste automático de gama pode ser fornecido, que compensam algumas destas diferenças. Quando não, todas as imagens devem ser gama-corrigidas.
A correção de gama afeta o colorido, podendo adulterar a imagem tornando-a mais escura ou mais clara do que deveria. O controle de brilho, entretanto, afeta o ajuste de gama, e por isso não é incomum ter que se reajustar ambos, até se alcançar um melhor equilíbrio de cores.
Bits por pixel (bpp) ou “Color depth”
O termo “color depth” é muito usado em computação gráfica, representando a capacidade digital que um sistema tem de reproduzir cores. Cada uma das três cores fundamentais é representada por uma quantidade de bits, cuja soma caracteriza o número de bits por pixel (bpp). Quanto maior for o número de bits, maior será a combinação de cores possível:
Imagem com 8 bpp.
Imagem com 16 bpp.
Imagem com 24 bpp (“Truecolor”).
Vermelho, Verde e Azul representam, cada um, canais de cor distintos. Assim, é possível determinar quantos bits são usados para cada um deles, e este número é o de bits por canal (bpc). O número de bits por canal não é necessariamente o mesmo para as três cores. Por exemplo: em 8 bpp, 3 bits são para os canais R (vermelho) e G (verde), e apenas 1 bit para azul. Já no padrão “Hicolor” (16 bits), 5 bits são usados para vermelho e azul e 6 bits para o verde.
O número de combinações de cores é determinado usando-se o número de bits como expoente de 2. Por exemplo: com 4 bits, tem-se 24 = 16 cores, ou com 8 bits, tem-se 28 = 256 cores, e assim por diante. Num padrão de 8 bpc (24 bpp), é possível então ter 256 x 256 x 256 = 16 777 216 cores.
Não há nenhuma regra absoluta para o uso do número de bits nos padrões de cor. Nos computadores atuais, é comum se encontrar adaptadores de vídeo com capacidade de 32 bits, o que daria 256 x 256 x 256 x 256 = 4 294 967 296 cores possíveis. Porém, 8 bits são usados para o canal de alfa, que é o processo de combinação de uma imagem com o seu background, dando a impressão de uma transparência. Em outras palavras, o padrão de 32 bits nada mais do que o de 24 bits, com acréscimo do recurso do canal de alfa.
O número de bits é também sinônimo de resolução de cores. Em sistemas onde este número é baixo, existe uma tendência a não serem exibidos todos os tons de cor necessários para compor uma imagem. Isto pode ser visto numa imagem na forma de faixas dentro da mesma gradação de cor. Este artefato é chamado de “color banding”, e tende a se agravar quanto menor for o número de bits no sistema. Ele pode ser visto nas figuras acima, correspondentes a 8 e 16 bpp. Painéis de TV e monitores de computador usam, por este motivo, um número relativamente elevado de bpp, para evitar este problema. Teoricamente, o olho humano é capaz de discernir até cerca de 10 milhões de cores diferentes, então um sistema operando a 24 bits é mais do que suficiente para mascarar o problema. Por outro lado, o aumento da definição pode e de fato é usado para aplicações de tratamento de imagem.
Os avanços na reprodução da faixa de cores
Com a presença dos displays digitais e com a evolução dos processadores (“engines”) internos dos monitores e TVs, a tecnologia de reprodução de cores vem avançando significativamente. Esta evolução é necessária, para que os displays tenham capacidade de reproduzir integralmente a gama de cores conseguida com a fotografia de cinema e com as câmeras de alta definição.
Um desses avanços é um processo chamado de “Deep Color”, que consiste no uso de 10, 12 e 16 bpc, ou seja 30, 36 e 48 bits de resolução, respectivamente, para sinais RGB ou vídeo componente no formato digital (YCbCr). Aqui, novamente, o objetivo é usar o maior número de bits para se evitar artefatos na reprodução da gama de cores.
Isto também permite a extensão da gama de cores (color space), com a implementação de padrões mais sofisticados. Um deles é o xvYCC, ou Extended-gamut YCC (padrão IEC 61966-2-4). O xvYCC (nota: YCC é uma abreviação usada para YCbCr) aumenta o número de cores para além do triângulo RGB (mostrado mais acima), dando espaço para a formação de cores mais vivas, ou seja, um verde mais verde, um azul mais azul, e assim por diante.
Sofisticações como Deep Color e xvYCC já podem ser encontradas em vários dos novos modelos de painéis de ponta (o chamado “high end”). A transmissão digital dos respectivos sinais está prevista nas novas especificações das conexões HDMI, versão 1.3. O xvYCC aumenta a capacidade atual de cores nas TVs de alta definição em cerca de 1,8 vezes. Este recurso permitirá a transmissões de padrões mais modernos usados na geração de imagens, quando os mesmos estiverem disponíveis.
Leituras suplementares:
Review sobre color spaces RGB (documento pdf, em inglês).
Comparação entre quatro padrões multimídia RGB (documento em pdf, em inglês). [Webinsider]
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1° Zelão Data: 01/08/2009 às 11:08 pm
Atividade:
Cidade:
Esse texto foi praticamente uma aula! Incrível como foi detalhado e explicativo.
Meus parabéns ao grande Paulo Roberto Elias por nos trazer material de tamanha qualidade. Creio que não exista nada desse nível em português, ao menos nunca encontrei.