El color en imágenes digitales

Una imagen digital esta formada por píxeles (píxel viene de picture element) los cuales a grandes rasgos son puntos de diferentes colores. Primero seria bueno que nos hiciéramos esta pregunta:  ¿Que es lo que nosotros conocemos como color?.
Primero que todo, para poder comprender el fenómeno del color, necesitamos pensar en lo que es la luz. La luz es un tipo de radiación electromagnética, como también lo son las señales de AM y FM, el Wi-Fi al que te conectas, el Bluetooth que activas en tu celular, las micro ondas con las que cocina tu horno, o los rayos X con los que un doctor revisa que no tengas un hueso roto. La única diferencia entre ellas es su longitud de onda. Nosotros los humanos somos capaces de ver radiación electromagnética cuya longitud de onda esta aproximadamente entre 400 hasta 700 manómetros (10^-9 metros) y estas radiaciones son las que conocemos como colores. Otros animales, son capaces de percibir otras partes del espectro electromagnético y por lo tanto pueden ver colores que los humanos no podemos ver.  Otras longitudes de onda son percibidas por los humanos pero de formas diferentes; por ejemplo, la luz infrarroja es percibida como calor.

La experiencia del color en la naturaleza es un proceso que combina el ojo y el cerebro. Los ojos actúan como sensores de luz y el cerebro interpreta la información que viene de los ojos como información visual.

Espectro electromagnético

Como se ve en el diagrama, el espectro visible se encuentra en un rango que puede tener infinitos valores (no es lo mismo hablar de un longitud de onda de (6x10^-6) que hablar de una de (6.01x10⁻6), aunque sus valores sean muy cercanos), esto significa que en la naturaleza existe un número infinito de posibles colores.

Si hablamos de imágenes digitales, un número especifico de bits es usado para representar una cierta información. Esto significa que digitalmente no podemos representar un numero infinito de colores por lo que necesitamos asignar cierta cantidad de bits para representar algún color. Este cantidad de bits que usamos es conocida como la profundidad del color y para entender que representan estos números, necesitamos conocer lo son los espacios de color.

Profundidad del color
La profundidad del color es el número de bits que es usado para representar el color de un píxel en una imagen digital. Entre mas bits sean usados, mas colores únicos pueden ser usados en la imagen, y entre mas colores únicos sean usados en la imagen, la imagen lucirá mas natural para el ojo humano hasta el punto en que sigamos aumentando la profundidad del color y no notemos la diferencia.

Si usamos una profundidad de color de 1 bit, la imagen resultante tendrá solo dos colores posible (Cuando una imagen tiene una profundidad de color de 1 bit, es conocida como imagen binaria). Estos dos colores pueden ser cualquier color que el computador sea capaz de mostrar pero usualmente una imagen binaria solo tiene blanco o negro. Si aumentamos la profundidad del color a 8 bits, seremos capaces de reproducir 256 colores diferentes (este espacio de color es usado normalmente para mostrar imágenes en escala de grises). Usando 24 bits obtenemos 16'777.216 colores diferentes. Pero si aumentamos la profundidad del color de una imagen a mas de 24 bits la mayoría de los humanos no notaríamos la diferencia. Voy a darles un ejemplo. Imaginemos que estamos dentro de una piscina y alguien comienza a llenarla. Va a llegar un punto en el que estemos completamente mojados y por mas agua que sigan echando no vamos a estar mas mojados. Esto quiere decir que en este ejemplo como en la profundidad del color, existe un punto que después de haber sido alcanzado, la diferencias no son evidentes al seguir aumentado. Por esta razón, a la profundidad de color de 24 bits se le conoce como color verdadero.

Para obtener imágenes de una calidad optima, es recomendable usar una profundidad de color de por lo menos 24 bits cuando usamos imágenes a color y 8 bits cuando usamos imágenes en escala de grises.

Espacios de color
Los humanos tenemos visión tricromatica, lo que quiere decir en simples términos que la visión humana esta basada en tres receptores: uno para el rojo, otro para el verde, y otro para el azul. De la misma manera para representar un color existen diferente espacios de color, o modelos los cuales se componen casi siempre de 3 o 4 canales.

RGB
El espacio de color mas usado es el RGB (viene de red, green, blue). En este espacio existen 3 canales: el rojo, el verde y el azul. Cada color en este espacio es creado usando una combinación de estos 3 colores. En este espacio partimos de una superficie negra y proyectamos luces sobre ella, obteniendo de esta manera los diferentes colores. Por ejemplo, si tenemos luces rojas y verdes y las proyectamos con la misma intensidad (o brillo) sobre una superficie negra, la luz reflejada parecerá amarilla.

En el caso de una imagen digital en el espacio de color RGB, cada píxel esta definido en función de un canal rojo, uno verde y otro azul. Los posibles valores para cada canal van desde 0 (no existe luz de ese color) hasta el numero de posibles valores para ese canal menos uno. Por ejemplo, si tenemos una imagen con una profundidad de color de 24 bits, quiere decir que tenemos 8 bits para el canal rojo, 8 para el canal verde, y 8 para el canal azul por lo tanto cada canal tiene una profundidad de color de 8 bits. Por lo tanto cada canal tiene 256 posibles valores que van desde 0 hasta 255.

Por lo tanto un color rojo puro es representado por (255,0,0) porque necesita el valor máximo en el canal rojo y nada en el canal verde y azul. De la misma manera un amarillo puro esta representado por (255,255,0). Todos los colores y sus variaciones pueden ser obtenidas a partir de la unión es diferentes proporciones de los 3 colores como se muestra en la siguiente figura.

CMYK
Este espacio de color es usado comúnmente en las impresoras y esta basado en 4 canales (cyan, magenta, yellow, black). Los colores en este espacio son formados usando mezcla sustractiva a diferencia del espacio RGB que usa mezcla aditiva. Comenzando desde una hoja de papel blanca, las tintas de colores sustraen luz del papel (esto significa que menos luz es reflejada). Las pinturas o pigmentos son las que nos permiten ver los colores de los objetos, estas tintas absorben ciertas longitudes de onda de la luz y reflejan otras. Las que son reflejadas son las que llegan a nuestros ojos y podemos ver su color.
Solo son necesarios tres canales para representar todos los colores (cyan, magenta, y el amarillo), pero por razones practicas, el negro es agregado al espacio de color. Todos los colores en este espacio son producidos de la siguiente manera:

 
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Comparación con el modelo RGB

El uso de la impresión a cuatro tintas genera un buen resultado con mayor contraste. Sin embargo, el color visto en el monitor de una computadora seguido es diferente al color del mismo objeto en una impresión, pues los modelos CMYK y RGB tienen diferentes gamas de colores. Por ejemplo, el azul puro (En 24 y 32 bits= RGB=0,0,255) es imposible de reproducir en CMYK. El equivalente más cerca en CMYK es un tono azulvioláceo.
Los monitores de ordenador, y otras pantallas, utilizan el modelo RGB, que representa el color de un objeto como una mezcla aditiva de luz roja, verde y azul (cuya suma es la luz blanca). En los materiales impresos, esta combinación de luz no puede ser reproducida directamente, por lo que las imágenes generadas en los ordenadores, cuando se usa un programa de edición, dibujo vectorial, o retoque fotográfico se debe convertir a su equivalente en el modelo CMYK que es el adecuado cuando se usa un dispositivo que usa tintas, como una impresora, o una máquina offset."

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HSV
El espacio de color HSV hace referencia a hue, saturation, value. (matiz, saturación y valor). En este espacio, el matiz representa el color primario, y la saturación y el valor representan la sombra especifica para ese matiz. El principal uso de este espacio de color es para crear mejor interacción con humanos ya que nosotros tendemos a reconocer un color (matiz) y sus diferentes tonalidades (saturación y valor). Es mas natural para nosotros lo humanos nombrar un color y luego una tonalidad, por ejemplo, quien no ha nombrado un color como verde oscuro, o azul claro, en vez de especificar cuando rojo, verde, y azul componen ese color.

Para información mas especifica de como funciona el espacio de color HSV consultar este link.

YUV
Este espacio de color esta compuesto por la luminancia el cual es el brillo de la imagen, y dos canales de crominancia que describe el color especifico de la imagen. La crominancia es el componente de la señal de vídeo que contiene las informaciones del color. Por otra parte, la luminancia es el componente de la señal de vídeo que contiene las informaciones de la luz o brillo. Este espacio de color es usado principalmente para codificar y poder transmitir vídeo y televisión análoga.

Lab 
El Lab es uno de los espacios de color mas complejos y completos que existen. Su creación fue insprirada por como los humanos percibimos el color. Existen 3 canales donde L representa la luminosidad, a representa que rojo/verde es el color, y b representa que tanto amarillo/azul es el color. Los canales a y b fueron creado basado en como los humanos percibimos el color.

Existen otras espacios de color, algunos de ellos son variaciones de los anteriores con propósitos específicos. Espero que esta explicación sobre como funciona el color en las imágenes digitales halla aclarado un poco el panorama de las personas que querían conocer un poco sobre el tema.

Traducido y adaptado del libro: "Beginnig digital image processing - Using Free tools for photographers" de Sebastian Montabone