Entendendo o Perfil das Cores

Artigo originalmente escrito por Karen Lynne Dejean, Junho de 2017.

A cor é um dos principais elementos das artes visuais. É de imensa utilidade para qualquer artista compreender como as cores são formadas e como elas são percebidas. Começamos perguntando: “O que acontece quando vemos? Quais eventos de física estão envolvidos?” Estas são questões antigas que filósofos como Aristóteles, Ptolomeu e Galão tentaram abordar. O ponto de vista comum transmitido pelos pensadores europeus sustentava que os raios saíam do olho do espectador e, quando esses raios atingiam um objeto, eles enviavam a imagem para o olho do espectador. Mas a Europa estava muito atrás do mundo islâmico tanto no pensamento, como na tecnologia quanto a este tema.

O cientista-filósofo árabe do século 10, Alhazen (ou Ibn al-Haytham), descobriu que o ponto de vista comum na Europa em relação a como vemos cores, era absurda. Ele desenvolveu uma teoria alternativa em que a luz viajava em linhas retas e emanava de fontes como o sol ou uma vela, em vez do olho do espectador. Al Hazen imaginou que, quando essa luz atinge um objeto, os raios refletidos levam sua imagem ao olho do espectador e, quando esses raios entram nas pupilas do olho, eles são focados como um ponto de um cone (células fotosensoras no olho humano que veem cores) visual.

Figura 1: Representação grafica do teorema de Ibn al-Haytham.

Essa idéia foi adotada no Renascimento por artistas como Brunellschi, que desenvolveu os princípios da perspectiva. Mais importante ainda para a discussão sobre cor é o fato de que Al Hazen investigou as origens do arco-íris usando esferas de vidro cheias de água. Ele descobriu que, à medida que a luz era refratada pela água, o ângulo de refração de raios separados de vários componentes da luz era diferente. Os raios de luz vermelha eram menos dobrados e os raios de luz azuis estavam mais dobrados. Assim, um “espectro” de diferentes luzes coloridas, que combinavam com o arco-íris, foi produzido.

Figura 2: O caminho de um raio de luz solar através de um pingo de água, formando as cores do arco-íris.

Alguns séculos depois, Isaac Newton, então com 23 anos de idade, reinvestigou essa mesma dispersão de luz solar branca em um arco-íris de cores. Newton colocou-se em quarentena em seus aposentos para evitar a praga que se espalhava na Inglaterra na época. Quando ele segurou um prisma de vidro no caminho de um feixe de luz solar que atravessava um buraco nas persianas de sua sala escura, ele observou que a luz do sol branca era dividida em luz vermelha, laranja, amarela, verde, ciano e azul.

Mas Newton observou algo que ninguém mais havia notado, justamente porque resolveu estender ainda mais seu experimento. Usando prismas e espelhos, descobriu que a luz de três partes separadas do arco-íris; as regiões vermelha, verde e azul, combinadas; geravam a luz branca. Ele chamou essas cores de primárias. Quando duas dessas cores-luz foram combinadas, as chamadas cores secundárias foram formadas. Quando combinou as luzes azul e verde, ele observou a luz na cor ciano. Luzes verde e vermelha misturadas geravam luz amarela. Em ambos os casos, Newton, aparentemente, havia recriado a luz em outra porção do espectro natural. Mas, quando ele combinava as luzes vermelha e azul de seus prismas, Newton observou uma luz colorida: magenta, que não era encontrada no espectro natural visível. Newton organizou suas descobertas em uma roda de cores mostrando as três “cores primárias” – vermelho, verde e azul – separadas pelas três “cores secundárias” – amarelo, ciano e magenta. Como a magenta era uma cor de luz não espectral, suas origens ainda representavam um mistério.

Figura 3: À esquerda, Roda de Cores de Newton, de 1704, e à direita, uma versão da mesma Roda por Boutet, de 1708.

Portanto, quando falamos em cor, estamos na verdade falando de luz, pois, sem a luz, não existiriam o que chamamos de “cores”. Sabe-se que os comprimentos de onda da luz têm cores diferentes. Por exemplo, a luz vermelha tem λ ≈ 650nm (nm = nanômetros – que é a milionésima parte do milímetro), a luz azul tem λ ≈ 480nm e a luz roxa tem λ ≈ 420nm.

Mas há muito mais do que pura luz monocromática em uma cor. Por exemplo, por que a mistura de tinta vermelha e tinta azul resulta em tinta roxa? Certamente, as ondas planas monocromáticas não podem mudar o comprimento de onda, então o que ocorre quando misturamos pigmentos de diferentes cores? Além disso, há cores (como ciano ou marrom) que não aparecem no arco-íris. Quais comprimentos de onda elas têm? Como veremos, o comprimento de onda da luz monocromática é apenas o ponto de partida para pensar sobre a cor. O que pensamos como sendo uma cor depende da maneira como nossos cérebros e nosso sistema visual processam a luz em nossos olhos.

Como acabamos de observar, Newton entendeu que a luz branca era uma combinação de muitos comprimentos de onda e ele comparava as cores em um círculo (a Roda de Cores de Newton mencionada acima) com o ciclo das 5as na música. Mas, se o espectro de luz visível abrange comprimentos de onda de 350 nm a 750 nm, por que as cores devem formar um círculo? Isso foi explicado em um próximo grande avanço, que veio em 1853, pelo matemático Hermann Grassmann. Grassmann ficou intrigado com a idéia de que duas cores poderiam se misturar para produzir uma cor diferente, como vermelho + azul = roxo. Ele mostrou que quando se tem uma equação como essa, pode-se adicionar qualquer cor de ambos os lados, e ainda será uma combinação, por exemplo, vermelho + azul + amarelo = roxo + amarelo. Isso é conhecido como a Lei de Grassmann.

Outro grande contribuinte para a compreensão da cor foi James Clerk Maxwell. Ele fez uma demonstração bastante interessante onde capturou fotografias em preto e branco do mesmo objeto colorido usando filtros vermelhos, verdes e azuis. Então, quando ele projetou essas fotos novamente, através dos mesmos filtros, o objeto multicolorido original poderia ser visto (esta ainda é a forma como a fotografia a cores funciona, tanto em filme como digital). O incrível foi que não eram apenas as cores vermelhas, azuis e verdes que apareceram, mas também as laranjas, as amarelas e as púrpuras – todas as cores. Como isso foi possivel? Se os filtros simplesmente deixarem passar os comprimentos de onda vermelhos, azuis e verdes puros, então nenhum dos comprimentos de onda da laranja passaria. Então, como eles poderiam ser reproduzidos? Para entender isso, precisamos entender sobre percepção de cor.

Figura 4: Experimento com filtros coloridos de Maxwell, resultando na primeira fotografia colorida.

A teoria moderna da cor não foi estabelecida até 1931 por um conjunto de experimentos clássicos de W. D. Wright e John Guild na França, baseados nos achados de muitos outros cientistas anteriores, incluindo Newton, Grassmann e Maxwell. Este trabalho levou à chamada Comissão Internacional de Iluminação (CIE) e o atual espaço de cores padrão. O que Wright e Guild fizeram foi quantificar sistematicamente quando duas cores formadas por diferentes frequências parecem as mesmas de uma cor pura. Por exemplo, uma combinação de luz vermelha (λ = 650nm) e luz azul (λ = 480nm), se parece com a luz violeta pura (λ = 420nm) (Figura 5 abaixo). Portanto, Wright e Guild demonstraram combinações de diferentes comprimentos de onda da luz (as cores base) e questionaram sobre qual comprimento de onda puro de luz parecia o mesmo.

Figura 5: Ilustração da quantificação sistemática de W.D. Wright e John Guild, sobre como duas cores formadas por diferentes frequências parecem as mesmas de uma cor pura.

Mas o que acontece dentro do olho humano, fisiologicamente, que nos permite ver cores? Bem, as superfícies internas dos olhos contêm células fotorreceptoras especializadas que são sensíveis à luz e transmitem mensagens para o cérebro. Existem dois tipos de células: cones (que são sensíveis à cor) e bastonetes (que são mais sensíveis à intensidade). Podemos “ver” um objeto quando a luz deste objeto entra nos olhos e atinge essas células fotorreceptoras.

Alguns objetos são luminosos e desprendem sua própria luz; todos os outros objetos só podem ser vistos se refletirem a luz em nossos olhos. No entanto, os seres humanos só podem ver a chamada luz visível, uma banda estreita do espectro eletromagnético (que também inclui ondas de rádio não visíveis, luz infravermelha, luz ultravioleta, raios-X e raios gama). Em termos de comprimentos de onda, essa luz visível varia de cerca de 400 nm a 700 nm.

Figura 6: Células fotorreceptoras do olho humano.

Conforme já mencionado, diferentes comprimentos de onda da luz são percebidos como cores diferentes. Por exemplo, a luz com um comprimento de onda de cerca de 400 nm é vista como violeta, e a luz com um comprimento de onda de cerca de 700 nm é vista como vermelha. No entanto, não é típico ver a luz de um único comprimento de onda. Somos capazes de perceber todas as cores porque há três conjuntos de cones em em nossos olhos – um conjunto que é mais sensível à luz vermelha, outro que é mais sensível à luz verde e um terceiro que é mais sensível à luz azul.

Na natureza, encontramos dois sistemas cromáticos: o Sistema Aditivo e o Sistema Subtrativo. O Sistema Aditivo é aquele formado pelas três cores primárias da luz (azul, vermelho e verde), decompostas a partir da luz branca solar, que é a fonte natural de luz no planeta Terra. As lâmpadas elétricas, velas e outros aparatos luminosos, nos fornecem iluminação sintética. Este sistema chama-se aditivo porque a adição das cores primárias forma a luz branca.

A decomposição das cores primárias da luz branca num prisma acontece devido às diferenças de comprimento de onda de cada cor, que vão do vermelho ao violeta. Quando misturamos essas cores primárias entre si temos os seguintes resultados:

Vermelho + azul = Magenta
Vermelho + verde = Amarelo
Verde + azul = Ciano (Conforme figura 7 abaixo)

Essas cores resultantes são chamadas de cores secundárias da luz e são, ao mesmo tempo, as cores primárias do chamado sistema subtrativo.

Todos os objetos do mundo possuem cor. Essa cor é formada pelos elementos naturais ou sintéticos que se encontram na sua camada externa. Os pigmentos podem também ser naturais ou sintéticos. Esses pigmentos em contato com as cores-luz vão absorver determinadas faixas de onda cromática e refletir outras, que serão captadas pelo olho humano. O Sistema Subtrativo leva esse nome porque a mistura de suas cores primárias tendem ao preto, ou seja, a ausência de luz. A mistura entre as cores primárias do sistema subtrativo (ciano, magenta e amarelo) resultam no seguinte:

Ciano + magenta = azul
Ciano + Amarelo = verde
Amarelo + magenta = vermelho (Conforme Figura 8 abaixo)

Nota-se a harmonia natural do sistema: as cores secundárias do sistema aditivo são as cores primárias do sistema subtrativo e as cores secundárias do sistema subtrativo são as cores primárias do sistema aditivo. O preto e o branco não são cientificamente consideradas cores. O branco é o resultado da soma de todos os comprimentos de onda e o preto é a ausência completa da luz e, portanto, da cor.

O sistema aditivo é chamado também de sistema RGB (red, green e blue) e o sistema subtrativo é igualmente chamado de CMYK (ciano, magenta, yellow e black), onde “k” representa o preto, que é adicionado aos pigmentos para obtenção de maior ou menor saturação, visto que não encontramos pigmentos puros na natureza.

Cores RGB (red, green e blue = vermelho, verde e azul) são geradas em televisões e monitores e as cores CMYK (cyan, magenta, yellow e key [black] = ciano, magenta, amarelo e reforço [preto]) são usadas em imprensas, impressoras e fotocopiadoras. Isso significa que telas de computador utilizam as três cores primárias do RGB (também chamadas de cores-luz) na construção de todos os milhões de cores que conseguimos ver em um monitor. Já impressoras usam quatro cartuchos para conseguir reproduzir menos cores que um monitor cria com apenas as três cores primárias; portanto, nem todas as cores vistas no monitor podem ser alcançadas com fidelidade numa impressão. As cores do sistema CMYK (também chamadas cores-pigmento) são diferentes das cores-luz justamente por funcionarem subtraindo a sensação de cor ao misturar suas primárias; enquanto que o sistema RGB é considerado um sistema aditivo de cores também por somar suas cores primárias para conseguir as diversas tonalidades.

Devemos pensar na “Luz” em 4 dimensões: QUALIDADE, expressa em relação a sua emissão, podendo ser DURA, SEMI-DIFUSA ou DIFUSA; FUNÇÃO, que diz respeito ao seu posicionamento (Principal, Preenchimento, Contra); POTÊNCIA, determinando quantos lumens a fonte emite (e consequentemente a relação de contraste entre luz e sombra) e sua COR. Esta última, assunto deste relatório, é expressa em “temperatura de cor” (conhecida como White Balance).

É possível pensar em “Cor” a partir de três parâmetros básicos que se entrecruzam, formando 3 eixos: CROMA (sua pureza ou saturação), VALOR (brilho ou intensidade) e seu MATIZ (comprimento de onda, correspondente à nuance ou tonalidade da cor). Para controle de emissões de luz de aparelhos eletrônicos como televisores e monitores, é preciso ajustar estes 3 parâmetros, para uma adequada reprodução da cor. Em termos de captação, a cor também é resultante dos mesmos parâmetros, mas embora pareçam indissociadas à natureza de um objeto, eles são ajustados na captação de forma independente, até certo limite.

Assim, por exemplo, em termos de Valor (brilho ou intensidade), o filme fotográfico ou sensor eletrônico da câmera fotográfica devem ser ajustados na exposição (diafragma e obturador); em termos de Croma (saturação) dependem da própria natureza da frequência de emissão ou reflexão do objeto; e em termos de Matiz (tonalidade), é preciso ajustar a temperatura de cor (White Balance).

A temperatura de cor não diz respeito à temperatura calorífica diretamente. A escala de temperatura é usada em correspondência à freqüência da cor. Assim, determinada temperatura equivale a uma freqüência do espectro eletromagnético. A temperatura de cor é medida em graus Kelvin (^oK) e foi tirada a partir do aquecimento de um composto de carbono, passando por todas as freqüências conforme aumentava-se seu calor. É uma escala por analogia.

No início da fotografia, a iluminação era natural (luz do sol) e a película (filme) era preto-e-branca, de maneira que a temperatura de cor não apresentava diferenças significativas no resultado. Porém, quando os processos de cor começaram a se tornar comercialmente viáveis, as empresas fabricantes de película (Eastman, Agfa, Pathé, etc…) se depararam com o problema da temperatura de cor. Os filmes estavam preparados para receber e absorver determinada quantidade de freqüência de cada uma das cores básicas (vermelho, verde e azul), mas a quantidade de cada uma destas freqüências variava muito conforme a fonte de luz:

Figura 10: Tabela de quantidade das cores básicas em relação a diferentes fontes de luz (luz de meio-dia, luz da tarde, luz de dia nublado e lâmpada de tungstênio).

Conforme se percebe, os níveis de RGB são muito diferentes em cada situação de luz. Isso resultava num desvio do branco: quanto mais vermelho fosse emitido pela fonte de luz, mais o filme tenderia para cores quentes, até o próprio vermelho. Inversamente, se a fonte de luz tivesse predomínio do azul, o branco tenderia ao verde ou ao próprio azul.

Muito da arte da fotografia está em tentar corrigir a forma como a cor é fielmente retratada e a melhor ferramenta para se fazer isso é o equilíbrio do branco (White Balance ou WB). A configuração do WB na câmera tenta corrigir a iluminação do tema de volta à iluminação por luz solar, que é geralmente considerada a padrão. Este é um problema muito difícil de ser resolvido, e a maioria das câmeras não é capaz de fazê-lo adequadamente.

Então, pode-se ver que o equilíbrio do branco é muito mais que apenas branco, ele corrige todo o espectro. Mas o branco é a cor mais difícil de se corrigir, uma vez que é um equilíbrio cuidadoso de todas as outras cores. Uma maneira de se corrigi-lo é usar um pedaço de papel branco puro e fotografá-lo com o tema. Uma outra alternativa é tratar a foto em um programa de edição, clicando-se em uma área que se saiba ser branca, a fim de se tentar compensar.

Todas as câmeras profissionais têm uma configuração para o formato de arquivo chamado RAW. O RAW registra todas as informações que a câmera realmente vê em um arquivo (um negativo digital), com profundidade de 16 bits. Então, como possível solução, pode-se abrir a imagem no Photoshop e escolher o WB posteriormente.