2005-10-10

Além dos limites da visão de cores

Há alguns anos estou fazendo uma pesquisa autônoma sobre visão humana, a fim de descobrir princípios novos que possam ser úteis na minha fotografia e na edição de imagens. Um dos meus interesses recentes são os extremos da sensibilidade da visão humana.

Já tinha lido por aí que na Segunda Guerra sabia-se de soldados que conseguiam distinguir inimigos camuflados, porque sua visão tinha resposta útil no infravermelho. Mais recentemente, soube que as pessoas que removeram catarata possuem visão na faixa ultravioleta. Mas nas escolas nós aprendemos que a luz visível vai do vermelho ao violeta e só. O que é que há?

Nossa percepção de cor

O que se ensina nas escolas é que a retina do olho possui dois tipos de sensores de luz, cones e bastonetes; e os cones existem em três tipos, cada um especificamente sensível a uma faixa do espectro da luz. A informação visual obtida por esses sensores é codificada e enviada ao cérebro, onde ela é interpretada.

Os cientistas sabem experimentalmente, a partir de Newton, que a cor é uma sensação perceptual que nós experimentamos no cérebro, e não uma característica do objeto em si. Como prova disso, um mesmo objeto pode ser percebido por pessoas diferentes como tendo cores diferentes. Isso é um conceito importante que não é passado com clareza nas escolas. O que dizemos no dia-a-dia é que um objeto é de uma certa cor, quando diríamos com rigor científico que um objeto emite ou reflete luz que interpretamos como sendo uma certa cor. Há uma diferença enorme entre os dois conceitos.

Na prática, pessoas que enxergam as cores diferentemente daquilo que se considera normal são mais comuns do que suspeitamos. Ninguém pode estabelecer parâmetros absolutos para a cor. Os padrões criados pela CIE e utilizados por toda a indústria são baseados numa expressão matemática de uma média estatística, e não em medições reais da visão de alguma pessoa real.

Os bastonetes são os sensores que existem em maior quantidade no olho humano, mas só entram em ação em condições de baixa iluminação, dando uma imagem monocromática e bastante granulada. É preciso acostumar os olhos à escuridão durante vários minutos para perceber as propriedades dessa visão. Quanto mais escuro o ambiente, mais "preto e branco" ele parece, conforme os cones vão ficando inativos. Objetos que sob luz mais forte vemos como verdes e azuis parecem estranhamente mais claros em condições de baixa luz do que os vermelhos e laranjas, porque a sensibilidade espectral dos bastonetes atinge seu máximo na região verde do espectro.

Os cones são responsáveis pela visão diurna e existem em três tipos, conforme a sua sensibilidade espectral máxima: L, M e S. L são comprimentos de onde longos, ou seja, a faixa vermelha do espectro. M são os comprimentos de onda médios: verdes. S são os comprimentos de onda curtos: azuis.
Por que não falar logo em cones vermelhos, verdes e azuis? Porque a faixa de atuação de cada um não é restrita a essas faixas do espectro. Um mesmo comprimento de onda da luz estimula os três tipos de cones em intensidades diferentes. O sistema nervoso está calibrado para determinar as cores através da comparação entre as intensidades dos três estímulos, e não simplesmente medindo-os.

Aí surgem interessantes paradoxos relativos à percepção da cor. Em primeiro lugar, o metamerismo: luzes com composições espectrais diferentes podem causar exatamente a mesma sensação de cor. Ou, inversamente, objetos que parecem ter a mesma cor sob uma certa fonte de luz ficam completamente diferentes sob outra.
É por isso que fontes de luz artificial podem ser ajustadas para simular a luz do dia, mesmo tendo um conteúdo espectral muito diferente da luz do dia verdadeira. Lâmpadas fluorescentes comuns, por exemplo, emitem luz em apenas quatro ou cinco faixas de comprimentos de onda visíveis, mas para nossos olhos a luz deles parece branca.

Nossa tecnologia de cores é antropocêntrica e não absoluta

O outro fenômeno interessante é que uma luz composta de apenas três estímulos espectrais consegue simular, até certo limite, os demais comprimentos de onda visíveis do espectro. Um monitor de computador ou tela de TV consegue produzir uma gama de cores muito extensa com apenas três componentes emissores de luz: vermelho, verde e azul. O fato de eles serem três e calibrados para aproximadamente os mesmos comprimentos de onda que correspondem aos picos de sensibilidade espectral dos cones é a maneira de a tecnologia espelhar o funcionamento da nossa visão, a fim de obter os resultados mais eficientes para seres humanos.
É importante ter essa consciência de que o design de toda a nossa tecnologia visual é antropocêntrico e não absoluto. Outros animais são bem diferentes de nós em sua visão de mundo - sem trocadilhos nem metáforas. A maioria das aves possui um quarto sensor cromático, na faixa ultravioleta; elas enxergam um espectro bem mais extenso que o nosso. Abelhas possuem também um sensor ultravioleta, mas não um para a região vermelha. Cães têm sensores de cor para duas faixas apenas, azulada e avermelhada. Gatos têm menos sensibilidade às cores em geral e muito mais sensibilidade para ambientes de pouca luz.
Uma hipotética tecnologia de representação de imagem para esses bichos precisaria ser reprojetada de acordo com essas diferenças.

Visão ultravioleta

A faixa de comprimentos de onda ultravioleta é bem extensa. Para evitar entrar muito em números e detalhes, basta dizer que a faixa mais próxima da chamada luz visível para humanos é a UVA; comprimentos de onda mais curtos são chamados de UVB; e os mais curtos ainda, UVC. Para além disso estão os raios gama.
A camada de ozônio do planeta filtra bastante UVB e UVC, que é luz invisível de alta energia que pode causar sérios danos à saúde. O UVA é bastante abundante na luz do dia e também pode nos queimar se não for controlada. Óculos de sol são preparados de forma a serem opacos a UVA. Janelas envidraçadas também bloqueiam UVA.
O detalhe estarrecedor é que a visão humana tem a capacidade embutida de enxergar UVA, mas normalmente não o faz. A razão é que o cristalino (lente) e a córnea bloqueiam quase toda a luz nessa faixa de comprimento de onda. Os sensores na retina têm sensibilidade intrínseca a essa luz, que somente é liberada quando a pessoa opera a catarata, removendo o cristalino.
Segundo as descrições dessas pessoas, a luz UV tem uma tonalidade entre lilás e azul claro. Essa coloração desbotada se explica pelo fato de o UV estimular os cones dos três tipos, com vantagem para o azul.
Mais recentemente, um estudioso autônomo apresentou uma teoria completa da visão humana que é revolucionária, pois afirma que a retina humana possui um quarto sensor específico para UV, que seria herança evolutiva de seres pré-humanos que enxergavam UV claramente. Apoiado pelas medições empíricas e experimentos de outros cientistas, ele fez um cálculo teórico preciso das características do olho "desbloqueado". A teoria também é original por utilizar na biologia da visão vários termos e conceitos tirados da Física, como "amplificadores operacionais" e "servomecanismos".

Visão infravermelha

A radiação IR compreende uma faixa de comprimentos de onda muito extensa que vai até as microondas e ondas de rádio. A fotografia infravermelha é bastante conhecida e se caracteriza pelas psicodélicas imagens com céus pretos e vegetações quase brancas de tão claras. A luz IR tem outras propriedades interessantes: dá à pele humana uma aparência translúcida ou de cera, pois penetra mais profundamente, elimina a névoa em paisagens e faz roupas escuras parecerem brancas.
Existem dois tipos básicos de filmes fotográficos para IR, um monocromático e um colorido que produz um espectro deslocado (cores "falsas"). Para obter a exposição correta, o fotógrafo deve usar filtros especiais que parecem pretos a olho nu.
O interessante aqui é que a visão humana ainda tem um pouco de sensibilidade ao infravermelho próximo. O único problema é que essa sensibilidade é muito baixa, e a luz IR acaba ficando invisível em comparação com a luz normal. Como uma prova de que as coisas não são bem assim, vá para um quarto completamente escuro com um controle remoto de TV. Depois de alguns minutos para acomodar os olhos, aperte algum botão no controle. A luz do LED transmissor será visível piscando fracamente. Pois esse LED é infravermelho, e supostamente não deveríamos enxergar luz nenhuma saindo dele.
Mais interessante ainda é que os CCDs de câmeras digitais são sensíveis ao IR. Se você tentar fotografar um controle remoto funcionando no escuro, a luz do LED será claramente visível no visor da câmera e também na foto, como um clarão arroxeado. As câmeras digitais atuais têm filtros IR sobre seus CCDs, mas as mais antigas não. Faça a experiência, se puder, com uma máquina digital mais antiga, de vários anos de idade. Aqui há uma receita para "mutilar" uma webcam comum de PC, de modo a transformá-la em câmera IR, similar àquelas usadas em sistemas de segurança de prédios.
Um hobista maluco fez algo mais radical: utilizando filtros coloridos usados em iluminação profissional, ele construiu um par de óculos que só deixam passar a luz IR, e saiu em plena luz do dia com eles. De fato, após acostumar os olhos, conseguiu enxergar ao vivo mais ou menos o que se vê nas fotografias IR... mas para evitar queimar os olhos, utilizou camadas reforçadas de filtros para eliminar ao máximo o UV e a radiação visível.

11 comentários:

  1. Desculpe a ignorância, mas até onde sei, termos como "servomecanismos" e "amplificadores operacionais" não são ligados à física, mas muito mais ligados à engenharia elétrica: são dispositivos de engenheria, e não efeitos ou conceitos teóricos.

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  2. Talvez a simplificação no meu texto é que lhe soe grosseira demais.
    São dispositivos práticos, sim... já construí uma porção deles. Mas eletrônica e elétrica são subdivisões da Física. E a engenharia é o emprego aplicado das leis da Física... então...
    Foi por já ter visto op-amps e servos em eletrônica que o seu uso como entidades teóricas na tese do J.T.Fulton me chamaou tanto a atenção. Se eu tivesse estudado só línguas ou artes gráficas, ou mesmo biologia, não teria dado maior importância. Afinal, a visão humana é um processo biológico, e biologia para mim tem uma conotação de algo fluido e muitas vezes incerto. A sua descrição em termos puros e exatos, com diagramas elétricos e fórmulas matemáticas, é ainda mais interessante porque as observações práticas parecem bater com esses esquemas e fórmulas.

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  3. Ah, o que a falta de uso não faz... seria bastante legal ter uma visão mais ampla e psicodélica tendo visão infravermelha vindo de fábrica. Até mesmo porque eu adoro caminhadas noturnas e isso seria bem útil.

    Acho interessante, que ao contrário de qualquer matéria sobre percepção de cor você não citou o camarão, que é o sujeito que enxerga o maior espectro de cores entre os seres vivos.

    Fico feliz que você tenha voltado com seu blog.

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  4. Talvez não tenha falado do camarão porque "qualquer matéria sobre percepção de cor" tenha sempre a mesma fonte, o que explica a similaridade entre uma e outra. Preferi focar em fatos razoavelmente desconhecidos sobre a visão humana.
    Mas já que pediu, vamos lá.
    O camarão Squilla mantis, além de luminosidade e comprimento de onda, detecta a polarização da luz (característica também presente em muitos peixes e aves, mas quase nula nos humanos) e tem sensação de profundidade com apenas um olho. Além de tudo, possui movimento independente em cada um dos olhos.
    Agora, note bem: as "quaisquer matérias" que você lembrou falam que a percepção de cor desse camarão abrange um espectro mais amplo que o nosso. E isso é um equívoco, provavelmente de tradução, porque textos mais antigos deixam clara outra coisa diferente. O camarão tem número maior de pigmentos visuais distintos, e assim distingue com maior precisão os comprimentos de onda da luz visível, mas o espectro total ainda vai do vermelho ao violeta, como o nosso.

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  5. Aproveitando, mais uma coisa. Existe uma boa explicação para não haver uma visão animal com um super-espectro monstro. É que o ângulo de refração da luz varia muito com o comprimento de onda. Com um espectro de captura muito amplo, o olho só conseguiria focar uma parcela da luz de qualquer objeto. Não seria muito útil.
    Os comprimentos de onda mais curtos focam mais à frente em relação aos longos. É por isso que um moderno teste oftalmológico para miopia inclui a determinação do foco por faixas de cores.

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  6. Palmas ! Adorei a explicação. Prático, esclarecedor. Por isso meu contentamento com o retorno do blog. Abraços.

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  7. Salve, salve, nosso Goethe blogueiro! Fiquei muito feliz quando soube da sua volta em "amplo espectro", Mario. Fez muita falta.
    Falando na Wikipedia aí em baixo, dá pra usar esse post tão rico e didático como material inicial para um verbete "cor e visão", né?
    Já que vc tá pesquisando há tanto tempo sobre o tema, imagino que vá haver uma continuação abordando outros aspectos da questão. Por acaso você encontrou algum estudo sobre nossas relações neurológicas com as cores (psicodelia, sinestesia [a cor do som que o Hendrix dizia "ou-ver", por exemplo] etc.)?

    [ ]ão

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  8. Você tocou num ponto interessante. Newton acreditava que a escala musical correspondia à escala das cores. Foi dele que veio a divisão do espectro em sete cores. Até hoje vemos por aí o arco-íris desenhado na forma de sete faixas distintas, quando na realidade ele é contínuo. Mas por que sete? Porque a escala diatônica tem sete notas. E como fica nisso o magenta, que não é uma cor espectral? Xiiiii... a analogia está se desmanchando. Outra coisa: a escala musical compreende oitavas, e o espectro da luz visível não chega sequer a uma oitava; não enxergamos dois comprimentos de onda que sejam o dobro um do outro.
    Kandinsky insistiu bastante na associação entre cores e formas. O quadrado azul, o triângulo amarelo, o círculo vermelho... a disciplina da sintaxe visual desenvolveu muito esse tema.
    A associação com sons não é uma linguagem universal, depende de uma convenção cultural, e por isso não é uma coisa fácil e garantida.
    Sobre o aspecto psicológico, há montes de estudos sobre isso. Tempos atrás, li um que dizia que salas pintadas de amarelo deixam as pessoas mais agressivas, e... bem... a sala da minha redação no prédio da Conrad é amarela. Ops.
    Ainda há material para posts futuros. Não falei nada da linguagem das cores na arte, nem das minhas descobertas pessoais sobre isso. Mas vem aí algo sobre fluorescência e luz negra.

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  9. Oi, eu gostaria de saber se utilizando a visão infravermelha, conseguiria enxergar através da parede? Obrigado

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  10. Agradeço o esclarecimento do site.
    Algumas áreas da ciência se diferem, mas podem somar muitíssimo juntas. Os conceitos de cada área se analisados em separado, comparados e "criados" novos conceitos e ramos de ciência (PARA O BENEFÍCIO DA HUMANIDADE) podem gerar muitas descobertas que farão, certamente, muitas pessoas felizes. O perigo é o EGO superar o conhecimento, e criarmos HYDERS, HONDAS, CORCUNDAS DE NOTRE DAME e tantos outros. Para cada novidade no campo da ciência empírica, há necessidade de serem criados planos de contingência, e não esquecermos nunca, que o NATURAL é o VERDADEIRO, a fonte digna de toda ciência. Sempre é possível replicar, à partir de um original. Cada original é único. A matriz não pode ser afetada, ou perder-se-a na história. Sou cientista, gosto de filosofia, de teologia, de exatas, de história e de DEUS. Me revolto com ele, mas compreendo o sentido maior.

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  11. Passei um bom tempo lendo tanto a matéria quanto os comentários. Boas informações

    Um Salve! Diretamente da Itália

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