¿Hay materiales comunes que no estén bien representados por RGB?


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En los gráficos usamos RGB y otros espacios de color como una aproximación al espectro completo de longitudes de onda de luz. Evidentemente, esto funciona bastante bien en general, pero ¿hay objetos / materiales / fenómenos razonablemente comunes, cosas que pueda encontrar en su vida cotidiana, cuya apariencia no está bien representada por la representación RGB debido a que tiene un espectro complejo de emisión / reflexión / absorción ?

Si bien las respuestas actuales se centran principalmente en colores fuera de una gama RGB dada, también me interesa saber si hay ejemplos en los que, por ejemplo, el color de un objeto parece "incorrecto" cuando se procesa en RGB debido a una interacción entre espectro de fuente de luz y espectro de reflexión del objeto. En otras palabras, un caso en el que un renderizador espectral le daría resultados más correctos.


Crédito: Me gustó esta pregunta en la versión beta privada anterior, así que la estoy reproduciendo aquí. Originalmente fue preguntado por Nathan Reed


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Recordé este artículo que leí hace algún tiempo. Los autores comparan los resultados espectrales y renderizados con RGB con diferentes iluminantes. Lamentablemente, la comparación se realiza en una tabla de colores, por lo que no estoy seguro de cuánto afectan las diferencias a las escenas de la vida real. cg.cs.uni-bonn.de/en/publications/paper-details/…
yuriks

La ley de Beer (absorción de color a través de un objeto transparente a distancia) es difícil de modelar con rgb.
Alan Wolfe

@trichoplax ¡Perdón por el ruido!
luser droog

@luserdroog gracias por el interés :) Aunque esta pregunta es solo sobre materiales, podríamos hacer nuevas preguntas relacionadas con los espacios de color ...
trichoplax

Respuestas:


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Hay varios tipos diferentes de limitación a tener en cuenta.

Efectos para los cuales la trayectoria de un rayo depende de su longitud de onda

Estos son una clase de efectos para los que se requiere representación espectral, y una serie de ejemplos interesantes ya se han dado en la respuesta de Benedikt Bitterli . Un ejemplo simple es un prisma que divide la luz blanca en un espectro, dando colores del arco iris. Los rayos de diferentes longitudes de onda son refractados por diferentes ángulos a medida que pasan a través del prisma, lo que hace que la luz que golpea la pared detrás del prisma se divida en sus colores constituyentes.

Esto significa que en la vida real, el brillo de la luz amarilla monocromática a través de un prisma dará como resultado que salga la luz amarilla, pero el brillo de una mezcla de luz roja y verde que se aproxima al amarillo dará como resultado una luz roja y verde separada. Cuando se procesa usando solo 3 colores primarios, la luz blanca se dividirá en solo esos tres colores, dando efectos de arco iris que se ven discontinuos, y la luz monocromática que no debería dividirse en absoluto se dividirá en sus componentes de color primario aproximados. La división de la luz blanca se puede mejorar mediante el uso de una mayor cantidad de colores primarios, pero esto aún generará discontinuidades de cerca, y los resultados para la luz monocromática aún se dividirán, aunque de manera más estrecha. Para obtener resultados precisos, se debe muestrear un espectro continuo,

Efectos de superficie que no se pueden capturar en una sola imagen fija

La iridiscencia , por ejemplo, muestra un color diferente para cada ojo para que una imagen fija no se vea igual que el objeto original. Hay muchos ejemplos cotidianos que puede que no notes al principio. Muchas aves comunes tienen plumas iridiscentes aunque parezcan negras o grises desde la distancia. De cerca son sorprendentemente coloridos.

Un renderizador que use solo 3 colores primarios no podrá producir la difusión de la luz en función de la longitud de onda requerida para este efecto. Un renderizador espectral puede simular la propagación correctamente, pero el efecto completo aún no se puede capturar en una sola imagen. Incluso una fotografía en 2D no puede capturar esto correctamente, mientras que una fotografía en 3D de un objeto iridiscente dará ese efecto brillante ya que las fotografías correspondientes a los ojos izquierdo y derecho tendrán un color diferente. Esta es una limitación de las imágenes 2D en lugar del espacio de color RGB en sí. Sin embargo, incluso en una imagen en 3D habrá colores en el objeto iridiscente que no se muestran correctamente, debido a la incapacidad de RGB para mostrar colores monocromáticos como se describe a continuación.

Colores que el ojo humano puede detectar que no se pueden mostrar en RGB

RGB históricamente dependía del dispositivo y, por lo tanto, no era confiable entre plataformas. Existen mejoras perceptualmente uniformes independientes del dispositivo, como el laboratorio de espacio de color , pero aún son tricromáticas (que tienen 3 componentes). No es inmediatamente obvio por qué tres componentes son insuficientes para mostrar todos los colores que puede percibir un ojo tricromático, pero este documento lo explica bien y de manera accesible. De la página 7:

Por ejemplo, usando un moderno sistema de pantalla láser con primarios monocromáticos a 635 nm (rojo), 532 nm (verde) y 447 nm (azul), veamos si podemos simular la percepción de una luz monocromática a 580 nm (un color naranja). Dado que el estímulo naranja monocromático excita los conos verdosos y rojizos, los primarios verde y rojo requieren una contribución, mientras que el primario azul no requiere ninguna contribución. El problema es que el primario verde también excita los conos azulados, por lo que es imposible replicar exactamente el estímulo naranja

El diagrama de sensibilidades de los conos del ojo humano (también en la página 7) muestra qué tan amplia es la superposición y ayuda a visualizar esta explicación. He incluido un gráfico similar de Wikipedia aquí: (haga clic en el gráfico para la ubicación de Wikipedia)

Gráfico de las sensibilidades de los 3 conos diferentes en el ojo humano.

En resumen, la superposición entre la gama de colores que puede captar cada uno de los tres conos diferentes (sensores de color) del ojo humano significa que un color monocromático puede distinguirse de una mezcla aproximada de colores primarios y, por lo tanto, mezclar colores primarios. los colores nunca pueden mostrar con precisión todos los colores monocromáticos.

Esta diferencia generalmente no se nota en la vida cotidiana, ya que la mayoría de nuestro entorno emite o refleja luz a través de una amplia gama de frecuencias en lugar de colores monocromáticos únicos. Sin embargo, una notable excepción son las lámparas de sodio. Si vives en una parte del mundo que usa estas luces de calle de color amarillo-naranja, la luz emitida es monocromática y se verá sutilmente diferente de una fotografía impresa o una imagen en una pantalla. La longitud de onda de la luz de sodio es de 580 nm del ejemplo citado anteriormente. Si no vive en un lugar que tenga farolas de sodio, puede ver la misma luz de longitud de onda única rociando una sal de mesa finamente triturada (cloruro de sodio) sobre una llama. Los brillantes puntos amarillos de luz no se pueden capturar con precisión en una película ni mostrar en una pantalla. Cualesquiera que sean los tres colores primarios que elija,

Tenga en cuenta que esta limitación se aplica igualmente a mezclar 3 colores primarios de pintura, usar 3 productos químicos fotorreactivos en una película de cámara, o tomar una fotografía con una cámara digital con 3 sensores de color diferentes, o un solo sensor con 3 filtros de color primario diferentes. No es solo un problema digital, y no se limita solo al espacio de color RGB. Incluso las mejoras introducidas por el espacio de color Lab y sus variantes no pueden recuperar los colores faltantes.

Efectos diversos

Múltiples reflejos difusos (sangrado de color)

Si una superficie mate de colores brillantes está cerca de una superficie blanca mate, la superficie blanca mostrará algo del color de la otra superficie. Esto se puede modelar razonablemente bien utilizando componentes puramente rojos, verdes y azules. La misma combinación de rojo, verde y azul que dio el color de la superficie coloreada puede reflejarse en la superficie blanca y mostrar algo de ese color nuevamente. Sin embargo, esto solo funciona si la segunda superficie es blanca. Si la segunda superficie también está coloreada, entonces el sangrado de color será inexacto, en algunos casos drásticamente.

Imagina dos superficies que se ven de un color similar. Uno refleja un rango estrecho de longitudes de onda alrededor del amarillo. El otro refleja una amplia gama de longitudes de onda entre rojo y verde, y como resultado también se ve amarillo. En la vida real, la luz que se muestra en una superficie debido a la otra no será simétrica. La mayor parte de la luz que llega a la superficie del rango de longitud de onda amplia desde la otra se reflejará nuevamente, ya que el rango estrecho de las longitudes de onda entrantes se encuentra dentro del rango más amplio. Sin embargo, la mayor parte de la luz que llega a la superficie del rango de longitud de onda estrecha desde la otra estará fuera del rango estrecho y no se reflejará. En un renderizador RGB, ambas superficies se modelarán como una mezcla de rojo monocromático y verde monocromático, sin diferencia en la luz reflejada.

Este es un ejemplo extremo en el que la diferencia se notará instantáneamente a simple vista, pero habrá al menos una sutil diferencia en la mayoría de las imágenes que incluyen sangrado de color.

Materiales que absorben una longitud de onda y emiten otra

La respuesta de joojaa describe la absorción de la luz ultravioleta por la nieve, para ser reemitida como luz visible. No había oído hablar de esto antes con la nieve (y frustrantemente no he podido encontrar ninguna evidencia que lo respalde, aunque eso explicaría por qué la nieve es "más blanca que blanca"). Sin embargo, hay muchas pruebas de que esto sucede con una amplia gama de otros materiales, algunos de los cuales se agregan a los detergentes para lavar ropa y al papel, para darles blancos brillantes adicionales. Esto permite que la luz visible total que sale de una superficie sea mayor que la luz visible total recibida por esa superficie, que nuevamente no se modela bien utilizando solo RGB. Si desea leer más al respecto, el término a buscar es Fluorescencia .

Ojos con más de 3 colores primarios.

Hay animales que tienen más de 3 tipos de conos en los ojos, lo que les permite percibir más de 3 colores primarios. Por ejemplo, muchas aves, insectos y peces son tetracromáticos , que perciben cuatro colores primarios. Algunos incluso son pentacromáticos , que perciben cinco. El rango de colores que tales criaturas pueden ver eclipsa el rango visualizable usando solo RGB. Mucho más allá de ellos está el camarón mantis , que es un dodecacromático, que ve colores basados ​​en 12 conos diferentes. Ninguno de estos animales estaría satisfecho con una pantalla RGB.

Pero más en serio, incluso para las imágenes destinadas a los ojos humanos, se cree que hay tetracromatos humanos que ven en 4 colores primarios, y posiblemente algunos que ven hasta 5 o 6. En la actualidad, esas personas no parecen estar presentes. en cantidades suficientes para hacer que las pantallas con más de 3 colores primarios sean comercialmente viables, pero si en el futuro se vuelve más fácil identificar cuántos colores primarios puede ver una persona, esto puede convertirse en un rasgo atractivo que se propagará entre la población en las generaciones futuras. Entonces, si desea que sus bisnietos aprecien su trabajo, es posible que deba hacerlo compatible con un monitor hexacromático ...


No es realmente relevante para esta pregunta, pero está relacionado: si desea ver colores que no están disponibles en el mundo real o en imágenes RGB, eche un vistazo a Colores quiméricos ...


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Creo que el efecto espectral más destacado que no se puede reproducir fielmente con RGB es la dispersión , causada por dieléctricos con un índice de refracción espectralmente variable (generalmente modelado con la ecuación de Sellmeier ).

Otros fenómenos espectrales generalmente son causados ​​por efectos de onda. Un ejemplo que se encuentra en la vida real de vez en cuando es la interferencia de película delgada , que es causada por una o más superficies reflectantes superpuestas (p. Ej., Manchas de aceite, burbujas de jabón). Otro efecto de onda que a veces se puede observar es la difracción , causada, por ejemplo, por rejillas de difracción , que es lo que causa la apariencia funky de los CD.


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RGB funciona porque así es como funciona nuestro aparato sensorial. Además de la dispersión, algunos materiales hechos por el hombre y los cuerpos de los insectos a veces tienen superficies que tienen bandas de color muy apretadas. Estos podrían beneficiarse de una representación de amplio espectro.

Sin embargo, dado que muchos de estos efectos están bastante localizados, a menudo puedes salirte con la tuya haciendo que el sombreador funcione de manera extraña. Esto no funciona bien en reflexiones y refracciones, pero es probable que nadie se dé cuenta. A menos que esté haciendo alguna simulación física, no es realmente un gran problema. Pero si diseñas ópticas, esto podría ser un gran problema.

Algunos materiales, como la nieve, también convierten la luz ultravioleta entrante en luz visible. Nuevamente, este tipo de efecto generalmente puede ser manejado por sombreadores / grupos de luces especiales.

Las alas de mariposa también son una curiosidad, ya que manipulan las fases de las ondas y las formas de la luz entrante. Entonces, si quieres hacer simulación física en ellos, entonces es un gran problema.

La polarización de la luz también es un factor importante en los insectos y los efectos del agua.


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Solo para agregar a las excelentes sugerencias anteriores, se me ocurrió que, sin un canal ultravioleta, los materiales fluorescentes serían difíciles de modelar.


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Esto parece ser más un comentario que una respuesta. Tal vez podría explicar por qué los materiales fluorescentes dependen de un canal ultravioleta y proporcionar algunas referencias.
Martin Ender

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Mencioné esto en mi publicación simplemente no usando la palabra fluorescente. De todos modos, esto se puede lograr a nivel de sombreador.
joojaa

@joojaa: Lo siento ... me perdí eso. Eliminaría mi publicación si hubiera un botón obvio para hacerlo. Sin embargo, una vez dicho esto, diría que aún necesitaría canales adicionales en otros lugares (y no solo sombreadores) para manejarlo, por ejemplo, generación de mapas de entorno sobre la marcha.
Simon F

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Eliminar o no eliminar, lo mismo para mí. Preferiría verte expandirlo. No hay nada de malo en respaldar la evidencia y las cosas se dicen de manera diferente siempre que contribuyas con mayor claridad o nueva información.
joojaa