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¿Por qué vemos lo que vemos?

Una aproximación a los fenómenos que permiten nuestra visión y la captura fotográfica.  

Para iniciar el aprendizaje de fotografía en profundidad es necesario conocer algunos conceptos básicos sobre la luz.  Aquí los abordo estableciendo su relación con nuestra percepción y con la práctica fotográfica intentando un lenguaje y ejemplos amigables.  La respuesta a la pregunta del título describe y relaciona los fenómenos que hacen posible nuestra visión. El alcance de este trabajo es el necesario para comprender la fotografía desde la toma, el manejo de archivos de imagen, la iluminación natural y de estudio. 

La fotografía es el registro en una imagen de la luz reflejada o emitida por los cuerpos.

Así es que la luz es el primero de nuestros sujetos de estudio. La luz es una forma de energía, una pequeña parte de un espectro inmenso: la energía electromagnética. (en adelante EE)

Toda la EE comparte tres características:

  • Es irradiada en todas direcciones a partir de un punto llamado foco de energía.

Este punto puede ser pequeño, por ejemplo cada molécula del filamento de una lámpara, o grande, como una estrella, en diferentes magnitudes ambos son focos o puntos que irradian energía en todas direcciones.

  • Esta irradiación lleva una trayectoria rectilínea, y el desplazamiento ocurre en forma de ondas.
  • Se desplaza a una velocidad aproximada a los 300.000 km. por segundo (en el vacío)

Si consideramos que la distancia entre la Tierra y la luna es de 348.000 km. el tiempo que tarda la luz reflejada por la luna en llegar a nosotros es algo mayor a un segundo, es decir que la imagen que vemos corresponde a lo que ocurrió en la luna un segundo antes. 

Longitud de onda:

Si bien todo el EE comparte estas tres características hay una propiedad que diferencia cada tipo de energía, y determina en qué lugar del espectro la encontramos.  La distancia que hay entre la cresta (el punto más alto) de una onda hasta la siguiente, es lo que se llama longitud de onda.

En el EE esta distancia sufre variaciones enormes. Las longitudes de onda más cortas conocidas corresponden a los rayos gamma y son del orden de 10-13 (la unidad de medida que se emplea es el picómetro: una mil millonésima parte de un milímetro), mientras que las longitudes de onda más largas corresponden a las ondas de radio de baja frecuencia y pueden alcanzar varios kilómetros. El EE es continuo, es decir las longitudes de onda se van incrementando ligeramente pero hay ondas que corresponden a cada incremento, el empleo de la palabra inmenso para referirse al EE, no resulta exagerado. (Se piensa que el límite de la longitud de onda corta está en las cercanías de la longitud Planck, mientras que el límite de la longitud de onda larga es el tamaño del universo mismo, aunque en principio el espectro sea infinito y continuo. http://www.espectrometria.com/espectro_electromagntico).

La diferencia producida por la longitud de onda no es menor: los rayos gamma o los rayos x duros producen la destrucción de los tejidos, y son incompatibles con la vida orgánica, mientras que la luz y el calor (que forman parte del mismo espectro con una longitud de onda mayor) son necesarios para la vida.  

Amplitud de onda:

La amplitud de onda es la distancia que hay entre el eje de la trayectoria y la altura que alcanza la cresta y determina la intensidad de la energía. Considerando dos rayos de luz de igual longitud de onda los dos serán del mismo color, mientras que el de mayor amplitud de onda tendrá mayor intensidad.

La luz visible

De todo el EE solo una parte ínfima es la que percibimos como luz visible, la que se encuentra entre las longitudes de onda correspondientes a los 380nm a los 700nm. Los límites del espectro de luz visible desde el lado de las longitudes de onda corta son los rayos ultravioletas a los 380nm, no podemos percibirlos visualmente pero debemos ponernos protector solar para cuidarnos de sus efectos. Del lado de las longitudes más largas a 700nm el límite es el infrarrojo, tampoco lo vemos pero si lo percibimos como calor. 

Como se observa en el gráfico a medida que se incrementa la longitud de onda cambia el color con que percibimos dicha luz. Sin embargo podemos ver que ninguna longitud de onda corresponde a la luz blanca. La luz blanca está compuesta por la suma de las diferentes longitudes de onda que componen el espectro de la luz visible. Sin embargo no todos los colores del espectro son necesarios para formar luz blanca, y a la vez no todos pueden hacerlo.

El azul, el verde y el rojo, son los que denominamos colores primarios luz. Esto porque cuando coinciden en un mismo punto esa superposición la percibimos como luz blancaCon azul, verde y rojo podemos producir tanto la percepción del blanco como de los demás colores del espectro visible. Para relacionar la explicación dada hasta este punto con el modo en que percibimos el color y cómo es registrado por una cámara digital, iniciaremos un nuevo tema.

El comportamiento de la luz cuando toma contacto con un cuerpo material.  Hay una serie de fenómenos que pueden ocurrir cuando la luz toma contacto con la superficie de un cuerpo.

  • Absorción
  • Reflexión
  • Transmisión
  • Refracción
  • Dispersión.

De estos voy a considerar ahora solo tres: reflexión, absorción y transmisión, porque son los que tienen una relación muy directa con nuestra forma de percibir la luz y el color. La refracción y la dispersión también influyen el lo que vemos, desde ya, pero no tan directamente y para simplificar 

Reflexión especular o regular: Se produce reflexión cuando un rayo de luz al llegar a la superficie del cuerpo “rebota”, si esta superficie es lisa y brillante, se producirá reflexión especularEl ángulo de reflexión del rayo de luz será igual al ángulo de incidencia, pero se reflejará en la dirección opuesta. Esto hace que reconozcamos el punto de origen de cada rayo, y por tanto se reflejará la imagen del objeto real; si el espejo es plano la imagen reflejada será igual a la imagen original, ya que se mantiene la relación de distancia entre los puntos del objeto real respecto a la imagen reflejada. 

 Ejemplos de reflexión especular, son obviamente los espejos, el agua, vidrios, metales pulidos, etc.

Si la superficie del espejo es curva, los rayos que provienen de un mismo plano del objeto incidirán con distinto ángulo en la superficie del espejo, y el ángulo de reflexión de cada uno no mantendrá la misma relación de distancia entre los rayos reflejados por los puntos equivalentes del objeto real; la imagen reflejada se distorsiona, se emplea esto para que la imagen resulte amplificada o disminuida en tamaño respecto al original. La superficie cóncava de un espejo para maquillaje amplía el tamaño de la imagen; el espejo convexo usado como retrovisor exterior de los autos refleja un más ángulo amplio y las imágenes reflejadas son más pequeñas, actúa como un espejo gran angular.

Reflexión difusa: Si la superficie del cuerpo es rugosa (microscópicamente rugosa) la reflexión se produce en múltiples direcciones. Al no reconocerse de dónde proviene cada rayo, no se refleja ninguna imagen, sino que simplemente veremos el objeto iluminado.

 Ejemplos de reflexión difusa son la mayoría de los cuerpos, nuestra piel, las paredes de los edificios, maderas, telas, etc. 

  • La reflexión especular y la difusa pueden ocurrir simultáneamente en un mismo objeto en grados diferentes.
  • El extremo de la reflexión especular es obviamente un espejo.
  • Un cuerpo completamente opaco producirá reflexión completamente difusa.

Pero estas características pueden combinarse gradualmente, por ejemplo una madera encerada adquiere cierto brillo y eso produce alguna capacidad de reflexión especular sobre la superficie inicialmente opaca, por ejemplo podríamos reconocer la forma de un foco de luz reflejado en la madera. En realidad la cera es otro cuerpo que al tener transparencia combina su capacidad de reflexión con la superficie de la madera que está debajo.

  • Un mismo objeto puede modificar su respuesta a la luz según cambien condiciones ambientales (humedad, temperatura, etc.) por ejemplo, una tela al mojarse se oscurece porque absorbe más luz, y brilla porque el agua agrega esa propiedad. A medida que el agua se evapore volverá a sus características originales, es interesante observar como estos cambios físicos los significamos en la interpretación de lo que vemos, por ejemplo sabemos instantáneamente que una mancha oscura y brillante en medio de una patio de tierra seca significa que está mojada y es barro;  si vamos corriendo saltaremos instintivamente para evitarlo.

Reflexión total:  Independientemente de las características de la superficie en términos de brillo, y de que su capacidad de reflexión sea más o menos especular la reflexión puede ser total o parcial.

Reflexión total: Se produce cuando un cuerpo refleja toda la luz que le llega, es decir las longitudes de onda correspondientes al azul, verde, y rojo. Cuando esto ocurre vemos a ese cuerpo como blanco.  Es importante el concepto de que el cuerpo en sí no es blanco sino que tiene la capacidad de reflejar totalmente la luz roja, verde y azul; esto es en téminos teóricos pero siempre hay una pérdida, ningún cuerpo refleja el 100% de la luz que le llega, una hoja blanca suele reflejar el 94% de la luz que incide sobre ella.  Para comprender la reflexión parcial es necesario primero comprender otro de los fenómenos mencionados, la absorción.

Absorción: En la vida cotidiana relacionamos el significado de la palabra absorción con lo que ocurre cuando un líquido es absorbido por un medio seco, por ejemplo, se derrama algo de agua sobre una mesa y al pasar una servilleta de papel, el agua que estaba en la mesa se traslada al papel, pero el agua en sí no sufre ningún cambio en su estado ni sus características.  Lo que ocurre cuando hablamos de absorción en términos de energía no tiene relación con ese significado habitual.  

Un cuerpo que tiene la capacidad de absorber la luz, modifica la longitud de onda de la luz que le llega y la irradia en forma de calor. La absorción consiste en la modificación de la longitud de onda de la luz que llega hasta ese cuerpo. Esa energía “desaparece” del espectro visible y es irradiada como calor que no resulta visible para nosotros, si bien podemos percibirlo.

Absorción total:

 Un cuerpo que tenga la propiedad de absorber totalmente la luz, vamos a verlo negro, es decir como un cuerpo que no refleja luz. Absorbe y transforma en calor las longitudes de onda correspondientes al rojo, al verde y al azul. (en la práctica no hay pigmentos perfectos que absorban el 100% de la luz, un objeto negro suele absorber hasta el 96% de la luz que incide sobre el)

Absorción y reflexión simultáneas:

Absorción / reflexión parcial: Esta ocurre cuando un cuerpo absorbe algunas longitudes de onda y refleja otras.

  • Un objeto azul absorbe las longitudes de onda correspondientes al verde y al rojo y refleja solo el  azul.
  • Un objeto verde absorbe las longitudes de onda correspondientes al rojo y al azul y refleja solo el verde
  • Un objeto rojo absorbe las longitudes de onda correspondientes al verde y al azul y solo refleja el rojo. 
  • Un cuerpo gris refleja y absorbe las tres longitudes de onda en porcentajes iguales. Si absorbe mucho y refleja poco se verá un gris oscuro. Por el contrario si refleja más de lo que absorbe resultará en un gris claro. 
  • Diferentes porcentajes de absorción / reflexión de cada longitud de onda componen todos los tonos de color que podemos ver.

Si alguna de las longitudes de onda prevalece sobre las otras producirá una dominante de su color, un gris que refleje el 40% de rojo, el 40% de verde y el 45% de azul, se verá ligeramente azulado.

Comportamiento de los cuerpos respecto a la luz:

Los objetos no poseen un color por sí mismos, sino que tienen la capacidad de reflejar la luz de ese color. Por ejemplo, vemos un cuerpo blanco porque tiene la capacidad de reflejar casi totalmente las longitudes de onda correspondientes al rojo, verde y azul. Si le llega una luz con más azul que verde y rojo, veremos el cuerpo como blanco azulado. Si solo le llega luz azul, no lo veremos blanco sino azul: por más que tenga capacidad para reflejar el verde y el rojo si no le llega luz de estas longitudes de onda no puede reflejarlas. Un objeto que vemos rojo cuando está iluminado por luz blanca, tiene la capacidad de reflejar el rojo y de absorber el verde y el azul. Si en vez de iluminarlo con luz blanca, lo hacemos con luz azul o verde, lo veremos negro, pues no tiene la capacidad de reflejar esas longitudes de onda. Este punto se relaciona muy directamente con el tema Temperatura de color de la luz, que veremos más adelante. En la constitución de cada cuerpo material el pigmento determina su comportamiento respecto a la absorción / reflexión, cuales longitudes de onda absorbe y cuales refleja. Otras cualidades determinan la textura de su superficie y su brillo.

La combinación de porcentajes de absorción y reflexión, junto a las características de brillo y opacidad definen una parte importante de cómo vemos los objetos, de porqué los vemos del color que los vemos, y de porqué tienen determinadas características de brillo u opacidad.  A su vez estas propiedades pueden ser afectadas por la temperatura, la humedad y otros factores que modificarán el comportamiento de ese cuerpo respecto a la luz, y por consiguiente el modo en que lo vemos. Un cuerpo más húmedo tiende a absorber más luz, por consiguiente a verse más oscuro.

Una tela al mojarse absorberá más luz y se verá más oscura y se tornará más brillante; a medida que se seque recuperará su aspecto anterior.

Transmisión: Un cuerpo transmite la luz cuando esta puede atravesarlo: lo que llamamos transparencia, por ejemplo, un objeto de vidrio, el agua, o el aire.

Transmisión directa o regular:  La luz emitida por cuerpos luminosos o la reflejada por cuerpos opacos cuando pasa a través del medio transparente no es desordenada, podemos ver de donde proviene cada rayo y como resultado ver la imagen de lo que está detrás, por ejemplo, de un vidrio.

Transmisión difusa: La luz pasa a través del medio pero los rayos son desviados en múltiples direcciones y no es posible ver el punto de origen de cada uno, consecuentemente no podemos ver la forma de los objetos que reflejen o emitan luz, vemos el vidrio como una fuente de luz. Por ejemplo un vidrio esmerilado, un acrílico blanco.

La relación entre la transmisión directa y la difusa -al igual que el brillo y la opacidad en los cuerpos no transparentes- puede darse en diferentes grados. Al mirar a través de un cristal apenas esmerilado se podrán reconocer formas aunque no puedan verse con total nitidez, un esmerilado más profundo desordenará más los rayos y solo pasará la luz sin que podamos reconocer formas. El parabrisas de un auto apenas empañado permite ver aunque no con total claridad, si se empaña por completo, la visión ya no es posible aunque la luz lo atraviese. En el caso de un cristal que se empaña, las pequeñas gotas de agua condensadas sobre su superficie desvían la luz en otras direcciones, veremos más adelante que este fenómeno se denomina refracción.

Transmisión parcial o selectiva:

Un cuerpo transparente en el caso de la transmisión directa, o translúcido en el de la transmisión difusa, también puede absorber luz parcialmente. Si absorbiese la luz en forma total, no sería transparente o translúcido sino negro. Si transmite solo una longitud de onda resultará como vemos en el esquema superior. Si transmite diferentes porcentajes de cada longitud de onda transmitiría el color formado por esa combinación. Por ejemplo si un vidrio que absorbe el azul y transmite el verde y el rojo lo vemos amarillo. Lo que es blanco, a través del vidrio se verá amarillo porque este absorbe el componente azul que refleja el objeto blanco, y solo permite que lleguen a nuestros ojos el verde y el rojo. Un objeto azul a través del filtro amarillo lo veremos negro o gris oscuro, porque el vidrio no transmite la luz que ese cuerpo refleja. Un vidrio de color actúa como un filtro que deja pasar su propio color y absorbe el complementario.

Refracción: Es la desviación que sufre la EE al pasar de un medio a otro de diferente densidad. Por ejemplo cuando la luz que proviene del espacio penetra en la atmósfera que tiene mayor densidad se desvía respecto a la trayectoria que traía en el espacio. Esto es una consecuencia de la pérdida de velocidad que sufrirá en el medio más denso. A mayor densidad del material mayor pérdida de velocidad y consecuentemente mayor desviación. Cuando pasa de un medio más denso a uno menos denso desarrollará la velocidad posible en dicho medio y recuperará dirección que tenía antes de penetrar en él.

El índice de refracción expresa la desviación en función de la densidad del medio comparada con el vacío, en el que la luz alcanza su máxima velocidad próxima a los 300.000 km. por segundo.  La refracción es el fenómeno que permite la construcción de lentes en general y también de los objetivos fotográficos. Por otro lado en nuestros ojos la córnea y el cristalino conforman el conjunto óptico, los «lentes» que posibilitan nuestra visión.

Dispersión: La refracción no afecta en la misma medida a las diferentes longitudes de onda. Las longitudes de onda corta, el azul en el caso de la luz, sufrirá una mayor desviación que las longitudes de onda más largas como el verde y el rojo, esta es la razón por la cual el cielo es azul.

La dispersión también es la razón por la cual un prisma descompone la luz blanca  y permite ver sus componentes de color por separado. En los objetivos fotográficos, la dispersión es la causa principal de las aberraciones de color.

Observaciones:

Todos estos fenómenos no ocurren en forma absoluta ni aislada, sino combinados y simultáneamente. Por ejemplo un objeto blanco no reflejará la totalidad de la luz que le llega, ni un objeto negro absorberá tampoco toda la luz que incida sobre el.

Un vidrio transmite la luz pero también produce reflexión especular, y también absorberá algo de luz. Un cuerpo puede combinar absorción y transmisión y ser “un poco transparente” y a su vez su superficie podrá ser más o menos brillante y producir o no algún grado de reflexión especular.  El aspecto con que vemos un cuerpo está determinado por su pigmentación, que define su comportamiento en cuanto a la absorción / reflexión, mientras que las características de su superficie determinarán sus propiedades de brillo / opacidad y textura.

Cuando la superficie de un cuerpo tiene variaciones de color y textura se torna interesante pensar en el tamaño del cuerpo al que hacemos referencia.  Si la superficie presenta muchas variaciones de pigmentación y brillo como podría ser la piel de algunos animales, debemos pensar en que cada partícula con determinadas características actúa como un cuerpo independiente respecto a la luz, y que nosotros al ver la superficie vemos todas esas partículas como una sola piel, con variaciones de matices de color y de brillo. Por otra parte siendo que los cuerpos no poseen un color de por sí, sino la capacidad de reflejar determinadas longitudes de onda, el color de la luz que incide sobre un cuerpo determina el color con que lo percibimos. 

Estos conocimientos permiten establecer las relaciones con otros temas como el modo en que se registra en un archivo de imagen la información de color, y esto tendrá aplicaciones prácticas concretas.  También se puede avanzar un paso más y relacionarlo con otro aspecto del trabajo de un fotógrafo, para quien ver más y más rápido tiene especial valor. Un ejercicio muy sencillo que siempre propongo es al observar una escena, intentar descubrir porqué la vemos de ese modo y no de otro. De dónde viene un reflejo, o una sombra, porqué se produce un efecto en una determinada situación de luz. Esto se logra por entrenamiento y este consiste simplemente en poner atención en relacionar el conocimiento teórico con su manifestación concreta, que es nuestra percepción visual del mundo que nos rodea.  Si uno logra establecer esa relación, adquirirá conocimientos que luego se aprovecharán de modo consciente o intuitivo en la iluminación fotográfica, tanto en estudio como con luz natural

Un ejemplo:

Como ejercicio podemos imaginar una situación que resulte fácil de describir, que permita dar ejemplos de algunos de estos fenómenos, y de cómo los percibimos.

Imagínese sentado en una habitación frente a un ventanal, por el que puede ver una calle, la vereda donde hay un banco con algunas personas sentadas, y la fachada de las casas detrás de estas personas, toda la escena iluminada por el sol.  Ud. puede ver estos cuerpos porque el cristal de la ventana permite la transmisión directa de la luz, los rayos de sol que son reflejados por los objetos de la calle, pueden atravesar el vidrio sin desordenarse y sus ojos pueden identificar de dónde proviene cada rayo, y así proyectar la imagen que Ud. ve. A su vez la luz que Ud. recibe es reflejada por su cuerpo y también se refleja sobre el lado interior del vidrio, pero ese reflejo es demasiado débil comparado con la luz del sol que proviene de la escena exterior, y nuestros ojos no tienen la capacidad de ver simultáneamente luces de tan diferente intensidad, solo veremos la luz más intensa. Aunque resulte obvio, la luz no atraviesa las paredes porque estas no la transmiten, de cada lado de la pared la reflejarán, o la absorberán en distinta proporción según de qué color esté pintada.

Qué es lo que verían las personas que están sentadas en el banco?

Ud. en el interior no recibe luz directa del sol, sino la luz del cielo que llega a través de la ventana, de mucha menor intensidad que la del sol directo. Esta luz es reflejada por su cuerpo y por los objetos que se encuentran en la habitación y el vidrio de la ventana transmite el paso de esta luz hacia el exterior. Sin embargo, las personas sentadas en el banco iluminadas por el sol, no verían el interior de la habitación cuya luz es demasiado débil, sino la reflexión en el vidrio de la luz del sol sobre sus propios cuerpos, así como sobre la calle y las fachadas que están detrás de ellos que reciben la luz intensa del sol. Ellos verían la misma escena que Ud., pero ellos la verían reflejada en el vidrio, mientras que Ud. la vería transmitida a través del vidrio.

Pasaron algunas horas y ya el sol no ilumina más la escena exterior, llegó el crepúsculo, Ud. encendió la luz y ahora la intensidad de la luz exterior es igual a la del interior. ¿Qué vería cada uno?

Si el nivel de la iluminación es igual adentro que afuera la reflexión y la transmisión se verían con semejante intensidad. Hasta podría tornarse confusa la imagen si no fuera porque Ud. ya conoce cuales son los objetos que están de uno y otro lado. Ahora se ha hecho de noche y la escena exterior solo está iluminada por luz tenue de luna. Las personas en el banco pueden ver la escena en el interior de la casa pues la luz interior es transmitida por el vidrio y es de mayor intensidad que la tenue luz de luna que ellos reflejan. Ud. no podrá verlos a ellos que reflejan una luz tan débil. En cambio si verá el interior de la habitación y a Ud. mismo reflejado en el vidrio, pues ahora la luz en el interior de la habitación es de mayor intensidad que la que proviene del exterior.

Cómo captan nuestros ojos la luz?

Nuestros ojos poseen dos tipos de células sensibles a la luz, que se hallan distribuidas en una membrana llamada retina, sobre la cual nuestro sistema óptico proyecta la imagen de la luz reflejada por los objetos. 

Los bastones son células fotosensoras que reaccionan a muy bajas intensidades de iluminación, y no tienen capacidad de percepción del color, se activan cuando nos encontramos en un sitio con muy bajo nivel de luz. En estas condiciones, reconocemos las formas sin gran agudeza visual y no percibimos el color. Los bastones son de reacción lenta, cuando pasamos de un sitio iluminado a otro a oscuras necesitamos un tiempo de acostumbramiento para poder ver, este tiempo es el de reacción de los bastones que deben crear un pigmento para percibir la luz. Cuando el nivel de iluminación es alto los bastones se saturan.

Los conos son las células fotosensoras responsables de la visión en color y requieren altos niveles de iluminación para ser estimulados. Existen tres tipos de conos especializados que reaccionan a las longitudes de onda correspondientes al rojo, verde y azul en forma independiente. La fóvea es un pequeño sector de la retina en el que se concentran la mayor parte de los conos, es donde se proyectan las imágenes enfocadas y donde tenemos mayor agudeza visual. El resto de la retina permite la visión periférica y la visión nocturna sin gran resolución de detalles. Si ponemos atención en cómo es nuestra visión podemos reconocer que nuestra visión periférica abarca un ángulo de casi 180° pero que el área que vemos nítida corresponde a un ángulo muy pequeño, esa pequeña área que vemos con alta resolución la desplazamos con mucha rapidez y cuando posamos nuestra mirada en algo que nos interesa la imagen ya está enfocada, esto causa la sensación de ver «todo en foco» cuando en realidad lo que ocurre es que siempre vemos nítido lo que llama nuestra atención.

Tenemos mayor cantidad de conos sensibles al verde, que al azul y al rojo. Se estima que podemos distinguir doscientos cincuenta y seis niveles de luminosidad diferenciados tanto para el rojo, como para el verde, y el azul. Cada combinación de longitudes de onda, con diferentes niveles de luminosidad la percibimos como un tono de color diferente. Para calcular todas las combinaciones posibles multiplicamos:

256*256*256 = 16.777.216

Por eso se estima que podemos percibir aproximadamente 16,8 millones de colores. En el próximo artículo estableceros la relación entre la nuestra percepción del color y la profundidad de color en los sistemas de captura digital de las cámaras fotográficas.

 

Bibliografía: Fotografía Básica de Michael Langford