Archivo de la categoría: hipsografía

The Earth’s Relief

El pasado 18 de febrero tuvimos la oportunidad de asistir a la reunión que Geoinquietos Euskadi celebró en la ciudad de Vitoria. En ella presentamos el trabajo que desde la Asociación ClusterGIS hemos desarrollado en los últimos meses cuyo fin ha sido la creación de un sombreado de relieve global, en base a los últimos datos de elevaciones publicados por el proyecto de la NASA “Shuttle Radar Topography Mission” (SRTM).

Reproducimos a continuación los aspectos más significativos de nuestro trabajo, confiando en que sea de vuestro interés:

 

LA MISIÓN SRTM

La Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) de la NASA tiene como objetivo la obtención de un modelo digital de elevaciones (DEM) de ámbito global, a partir de los datos de interferometría radar capturados por el transbordador espacial “Endeavour”, durante la misión STS-99, desarrollada entre el 11 y 21 de febrero de 2000.

Página web de la misión SRTM

Página web de la misión SRTM

SRTM es un proyecto internacional liderado por la National Aeronautics and Space Administration (NASA) y la National Geospatial-Intelligence Agency (NGA), con la participación de las agencias espaciales de Alemania e Italia.

Los datos de elevación se han ido procesando en fases sucesivas. La versión 3.0 desarrollada dentro del programa NASA MEaSUREs (Making Earth System Data Records for Use in Research Environments), ha procurado rellenar los huecos existentes (voids), a partir de los datos de elevación: ASTER Global Digital Elevation Model (GDEM) Version 2.0, Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) y National Elevation Dataset (NED)

Los datos DEM SRTM V3.0 se han distribuido públicamente desde un primer momento para todo el ámbito geográfico de la misión (60°N hasta 56°S, 180°W hasta 180°E), con una resolución de un arco de 3 segundos SRTMGL3, lo que equivale aproximadamente a un pixel de 90 metros, y para el territorio de los Estados Unidos de América, con una resolución de un arco de un segundo SRTMGL1, equivalente a 30m/pixel.

Descripción de datos SRTM GL1 V003

Descripción de datos SRTM GL1 V003

 

EL PROYECTO “THE EARTH’S RELIEF”

Hace algo más de un año, en septiembre de 2014, aprovechando la reunión de Jefes de Estado que se celebró en la Cumbre del Clima de New York, la Casa Blanca anunció la liberación de los datos generados por la misión SRTM, en su máxima resolución (arco de 1 segundo).

 

Teselas del proyecto SRTM (by NASA)

Teselas del proyecto SRTM (by NASA)

 

Esta liberación, que se debería producir paulatinamente a lo largo de un año, comenzó el mismo mes de la conferencia, con la puesta a disposición pública del Modelo Digital de Elevaciones (DEM) del continente africano, concluyendo las entregas en septiembre de 2015.

La disponibilidad de estos datos y las experiencias previas de renderizado de relieve que habíamos realizado en nuestra asociación, sobre la base del Modelo Digital de Elevaciones de 5x5m del Instituto Geográfico Nacional de España (IGN), nos animaron a abordar un proyecto de renderización de ámbito global, a partir de los nuevos datos SRTMGL1.

 

Servicio de tiles "Physical Spain"

Servicio de tiles “Physical Spain”

 

El objetivo era poner a disposición pública imágenes monocromas georreferenciadas de relieve para toda la superficie cubierta por la misión de la NASA.

 

EL PROCESADO DE DATOS

El sombreado del modelo digital de elevaciones, se obtiene mediante la implementación de un proceso de representación del relieve, basado en la metodología propuesta por Collette Gantenbein (Universidad de Idaho) y publicada por el U.S. Geological Survey bajo el nombre “Creating Shaded Relief for Geologic Mapping using Multiple Light Sources”.

En nuestro post “Hipsometría e hipsografía (VII). Sombreado del relieve” se explica de forma completa todo el proceso de generación del modelo de sombreado realizado para el caso español, muy similar al utilizado ahora, del que recogemos aquí los aspectos esenciales.

Básicamente se trata de una técnica de sombreado que consiste en la proyección sobre un modelo digital del terreno de múltiples fuentes de luz desde distintos ángulos y alturas, con el fin de suavizar los contrastes entre las zonas de sombra y las zonas muy brillantes que se producirían bajo la iluminación de una única fuente de luz.

 

Comparación de relieve con uno o tres focos

Comparación de relieve con uno o tres focos

 

Con la aplicación de las transparencias adecuadas, esta técnica permite resaltar los pequeños detalles del terreno que por su orientación pasarían desapercibidos en un estudio de luz unidireccional.

Igual que hicimos en el caso español, el procesamiento ha sido diseñado con el software FME de Safe Software, haciendo uso del transformador RasterHillshader, que ofrece la posibilidad de calcular un sombreado fijando el azimut y la altitud del foco de iluminación, así como un criterio de interpolación y el algoritmo de cálculo para su ajuste a terrenos más o menos lisos o rugosos.

 

Procesado del foco de iluminación 1

Procesado del foco de iluminación 1

Procesado del foco de iluminación 2

Procesado del foco de iluminación 2

Procesado del foco de iluminación 3

Procesado del foco de iluminación 3

 

De esta manera se obtienen tres modelos de sombreado que se tratan independientemente, para componer los canales RGB de la imagen final y para generar una banda alpha con el fin de aplicar la transparencia que se determine para cada una de las imágenes generadas.

 

Impacto Acimut Altitud Transparencia
Alto 350º 70º 65%
Medio 15º 60º 50%
Bajo 270º 55º 70%

 

Las imágenes resultantes se funden en una imagen final en la que se elimina el canal alpha, ya que existen formatos que no lo soportan.

 

Procesado FME de la unión de imágenes

Procesado FME de la unión de imágenes

 

Con objeto de lograr un modelo visual continuo, ha sido necesario utilizar unidades de trabajo mayores que la cuadrícula de 1ºx1º, en la que generalmente se distribuyen los datos DEM. El objetivo de hacerlo así, ha sido que el modelo de iluminación en la zona de unión tuviera en cuenta las características del terreno que circunda a la tesela final y evitar de esta manera discontinuidades en la zona de transición.

Los datos base utilizados para nuestro cálculo “Shuttle Radar Topography Mission (SRTM GL1) Global 30m” se han obtenido de la página web de Open Topography a través del servicio “RESTful Web service for Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) data access”.

 

Servicio RESTful de Open Topography

Servicio RESTful de Open Topography

 

Este servicio REST permite obtener datos SRTMGL3 y SRTMGL1 en distintos formatos ráster, especificando las coordenadas de sus límites. Nosotros hemos elegido para nuestro procesamiento el formato de salida ASCII Grid.

Disponer de un servicio REST tan flexible, nos ha sido de gran ayuda para conseguir unas unidades de procesamiento superiores a la cuadrícula de distribución de datos clásica de 1ºx1º.

Del conjunto de 14.326 teselas que se corresponden con el total de tierras emergidas, hemos obtenido datos de elevación para 14.277 cuadrículas, no disponiendo de información en 30 teselas que en principio contemplaba el proyecto de la NASA. Por otra parte hemos detectado la existencia de otras 19 teselas que no se habían considerado en el gráfico del proyecto y para las que tampoco se dispone de datos.

Después de un arduo trabajo de comprobación, el gráfico de teselas resultante para las que existe/no existe información DEM es el siguiente:

 

Teselas del proyecto The Earth's Relief

Teselas del proyecto The Earth’s Relief

 

Es necesario señalar que las zonas donde no se dispone de datos, se corresponden en la mayoría de los casos con atolones de escasa entidad y elevación.

De esta manera hemos segmentado el procesamiento en 14.277 lotes de trabajo que han sido tratados individualmente y comprobados en su conjunto.

 

LAS IMÁGENES DE RELIEVE

Realizadas las primeras pruebas en noviembre de 2015, en diciembre de 2015 pudimos disponer la primera colección completa de imágenes georreferenciadas, con una resolución gráfica de 30×30 m/pixel, muy similar en términos geográficos a la resolución espacial del modelo de elevaciones.

 

Teselas de la colección 30m/px

Teselas de la colección 30m/px

 

Dado que los ficheros gráficos se generan a partir de la simulación de tres focos de luz proyectados sobre un modelo 3D, nos pareció que era posible afinar un poco más la resolución de las imágenes, con objeto de que estas pudieran ser utilizadas en proyectos cartográficos con valores de escala mayores.

Después de otra batería de pruebas, decidimos generar una nueva colección con una resolución gráfica de 15 m/pixel.

 

Imagen n27e103

Imagen n27e103

Detalle de la imagen n27e103

Detalle de la imagen n27e103

 

Para el acceso a los datos hemos habilitado una página web con el nombre del proyecto http://theearthsrelief.com, desde donde es posible descargar de forma gratuita las imágenes de relieve de ambas colecciones: 15m y 30m/pixel, bajo una licencia de uso Creative Commons (By).

 

Página web The Earth's Relief

Página web The Earth’s Relief

 

Los ficheros, en formato geotiff, se corresponden con una cobertura espacial de 1ºx1º, estando referenciados en el sistema geográfico WGS84/Pseudo-Mercator-Spherical Mercator EPSG.3857.

Nos ha parecido oportuno ofrecer la información en el sistema de proyección EPSG:3857 con el fin de conseguir una integración directa con los servicios cartográficos diseñados para dispositivos móviles, así como para facilitar una fácil conversión en servicios de tiles TS/TMS.

Esperamos que los datos que ponemos a vuestra disposición os resulten de utilidad, pero recordad que el uso de los mismos implica la referencia de atribución: “The Earth’s Relief by ClusterGIS”.

 

Utilización del relieve con OSM. Parque Nacional del Teide

Utilización del relieve con OSM. Parque Nacional del Teide

 

ATRIBUCIÓN DE LOS DATOS FUENTE UTILIZADOS

El material que utilizamos en el proyecto “The Earth’s Relief” (SRTM GL1 Global 30m) está basado en los datos facilitados por The OpenTopography Facility con soporte de la National Science Foundation bajo concesión NSF números: 1226353 y 1225810

Nos gustaría expresar nuestra gratitud a la NASA y a la organización Open Topography, sin cuyo trabajo no hubiera sido posible abordar este proyecto.

Anuncios
Etiquetado , , ,

Hipsometría e hipsografía (VIII)

COMBINACIÓN DE ALTIMETRÍA Y RELIEVE

En entradas anteriores hemos tratado distintos aspectos relacionados con la definición de leyendas hipsométricas perceptivas y la producción de modelos de sombreado a partir de múltiples fuentes de iluminación.

Hemos comentado también que para los visualizadores multiescala creemos que es aconsejable la utilización de leyendas altimétricas en niveles alejados de zoom, en tanto que para grandes escalas un modelo de sombreado ofrece una información más relevante.

Si utilizamos de esta manera ambos modelos, la progresión desde las escalas más alejadas hasta las más próximas pasa inevitablemente por una transición desde la hipsometría hasta el modelo de relieve, existiendo en este tránsito unas escalas intermedias en las que es necesario combinar progresivametne altimetría y relieve.

La combinación directa de una imagen cromática (altimetría) con una imagen de grises (relieve) da generalmente como resultado una imagen con una importante pérdida de luminosidad y cromatismo, dado el efecto sustractivo de la suma.

Tintas hipsométricas MTN50 212

Tintas hipsométricas MTN50 212

Sombreado del relieve MTN50 212

Sombreado del relieve MTN50 212

Combinación hipsometría relieve MTN50 212

Combinación hipsometría y relieve MTN50 212

Si no se quiere ofrecer un resultado cromático tan pobre, se hace necesario minimizar el efecto de oscurecimiento, especialmente en las zonas más luminosas del modelo de relieve. De forma simultánea es necesario aclarar la imagen para conservar al máximo la respuesta cromática, manteniendo al mismo tiempo un nivel de contraste adaptado a la escala de representación: menos contraste para escalas alejadas; más contraste para escalas más próximas.

Dado que lo que pretendemos es procesar una imagen de forma automática a partir de dos entradas (almetría y relieve) y hacerlo en modo continuo sin generar ningún producto intermedio, es preciso diseñar un algoritmo que a través de parámetros, permita ajustar el resultado que se quiere obtener en el procesado individual de cada pixel.

Se trata en definitiva de analizar el nivel de gris que tiene cada pixel en el modelo de relieve para modular la combinación en función de este valor y de la magnitud de su correspondiente en la imagen altimétrica.

Para ello hemos definido un procesamiento estructurado en las siguientes fases:

1. Se producen en una fase previa las imágenes que se quieren combinar:

  • A[0] imagen de sombreado

  • B[0] imagen de hipsometría

2. Se definen dos parámetros: “umbral” y “reductor” de oscuridad que nos permiten actuar sobre el nivel de luminosidad y cromatismo de las imágenes finales.

  • El parámetro “umbral” varía entre 0 (negro) y 255 (blanco): Define el nivel de gris a partir del cual la composición de imágenes pasa de ser sustractiva o ser aditiva, oscureciendo la imagen altimétrica o aclarándola en su caso. Su valor representa el nivel de cromatismo altimétrico que no va a sufrir modificación en la combinación.

  • El parámetro “reductor” de oscuridad varía entre 0 y n: Define el impacto que el relieve va a tener sobre el cromatismo, fijando el nivel de contraste de la imagen final. Cuanto mayor es su valor, menor es el contraste en el resultado final.

3. Se normaliza la imagen de sombreado A[0] de manera que se escala el valor de su luminosidad. Los valores varían de 0 a 1 para los píxeles que van a ser oscurecidos y de 0 a -1 para los píxeles que tendrán una ganancia de luminosidad.

A[Os] = umbral – A[0]) / umbral; A[Os] imagen de oscurecimiento

4. A continuación a la imagen se le aplica un cálculo de la reducción del oscurecimiento. De tal manera que el oscurecimiento sea más significativo porcentualmente para valores bajos de cromatismo.

A[R] = cos [ arctg [A[Os] * reductor]]; A[R] imagen reductor oscurecimiento

5. Se modifica la imagen de hipsometría.

Al valor de cada pixel de la imagen de hipsometría B[0] se le resta su propio valor B[0] multiplicado por el valor del pixel correspondiente de la imagen normalizada A[Os] y por el de la reducción del oscurecimiento A[R].

B[0] – [B[0]*A[Os]*A[R]]

Para un mismo parámetro “umbral”, si varía el parámetro “reductor de oscuridad” se aclaran u oscurecen las zonas de sombra. Actúa sobre el contraste y cromatismo de la imagen final.

Ejemplo:

  • umbral 215 y reductor 0.95 –> se oscurecen las zonas de sombras (relieve muy marcado).

  • umbral 215 y reductor 4.00 –> se aclaran las zonas de sombras (se suaviza el relieve).

Variación del parámetro

Variación del parámetro “reductor”

Para un mismo parámetro “reductor de oscuridad”, si varía el parámetro “umbral” se aclara u oscurece la imagen en su conjunto. Actúa sobre el nivel de luminosidad de la imagen final.

Ejemplo:

  • umbral 215 y reductor 0.95 –> imagen más luminosa.

  • umbral 255 y reductor 0.95 –> imagen menos luminosa.

Variación del parámetro

Variación del parámetro “umbral”

IMPLEMENTACIÓN EN FME

1. Se definen los parámetros:

  • umbral_oscurecimiento: (@Value(A:_umbral))

  • reductor_oscuridad: @Value(A:_reductor)

2. Se leen la imagen de sombreado y la imagen de hipsometría y se separan las bandas correspondientes a cada una de las imágenes.

  • La imagen de sombreado (1 banda – escala de grises): A[0]

  • La imagen de hipsometria ( 3 bandas – RGB): B[0]

Lecturas de imágenes y separación de bandas

Lecturas de imágenes y separación de bandas

3. Se realiza una conversión de formato de la imagen a Real64 para poder operar con decimales.

4. Se normaliza la imagen de sombreado A[0] y se calcula la reducción del oscurecimiento.

  • A1[0] = (@Value(A:_umbral)-A[0])/@Value(A:_umbral)

  • A2[0] = @cos(@atan(((@Value(A:_umbral)-A[0])/@Value(A:_umbral))*@Value(A:_reductor)))

  • A3[0] = A1[0] * A2[0]

Imagen resultante por bandas:

  • banda red: B[0]-(A3[0]*B[0])

  • banda green: B[0]-(A3[0]*B[0])

  • banda blue: B[0]-(A3[0]*B[0])

Definición de parámetros y cálculos

Definición de parámetros y cálculos

5. Se combinan ambas imágenes en cada una de sus bandas RGB: imagen de sombreado e hipsometría mejorada.

6. Se combinan las tres bandas para conseguir una única imagen de salida RGB.

Cálculo combinado para cada banda RGB

Cálculo combinado para cada banda RGB

Mediante este proceso es posible abordar la generación de fondos de altimetría-relieve de forma continua y en un solo paso, determinando los parámetros “umbral” y “reductor” más adecuados para cada una de las escalas.

Etiquetado ,

Hipsometría e hipsografía (VII)

SOMBREADO DEL RELIEVE

Crear una ilusión de relieve tridimensional sobre un espacio plano ha sido uno de los retos más perseguidos por los cartógrafos de todas las épocas.

Pero poder revelar la geomomorfología del terreno en toda su complejidad no es tarea fácil, de ello da fe la innumerable cantidad de estudios y publicaciones que existen sobre esta cuestión.

Desde estas líneas hoy queremos contar una experiencia de procesamiento para la creación de un modelo de sombreado del relieve. Hablar de la metodología de iluminación multidireccional en la que nos hemos inspirado para materializarlo, desarrollada por Collette Gantenbein y publicada por el U.S. Geological Survey bajo el nombre“Creating Shaded Relief for Geologic Mapping using Multiple Light Sources”.

Relieve de Sierra Nevada (España)

Relieve de Sierra Nevada (España)

Básicamente se trata de una técnica de sombreado que consiste en la proyección sobre un modelo digital del terreno de múltiples fuentes de luz desde distintos ángulos y alturas, con el fin de suavizar los contrastes entre las zonas de sombra y las zonas muy brillantes que se producirían bajo la iluminación de una única fuente de luz.

A diferencia de otros modelos, en este caso no se consideran las interacciones entre los distintos elementos tales como reflexiones, refracciones, transmitancia y la difusión lumínica ambiental, más propios de estudios de iluminación sobre objetos.

Con la aplicación de las transparencias adecuadas, esta técnica permite generar una perspectiva aérea que resalta los pequeños detalles del terreno que por su orientación pasarían desapercibidos en un estudio de luz unidireccional, ganando así el modelo visual en plasticidad y reduciendo su saturación a la vez que se corrigen zonas fuertemente iluminadas.

Sombreado con una y tres fuentes de luz

Sombreado generado con una sola fuente de iluminación (izda) y con tres fuentes multidireccionales (dcha)

Esta técnica es especialmente importante en fondos cartográficos sobre los que se quiere superponer otras gradaciones de color, como en nuestro caso en el que el objetivo final es superponer una gradación altimétrica y en el que la utilización de sombreados muy saturados modificaría significativamente el tono altimétrico pudiendo inducir a equívocos.

A diferencia de la experiencia de Gantenbein, en nuestro caso todo el cálculo se ha realizado de forma analítica y automatizada para cada uno de los 1.394 modelos digitales del terreno de 5×5 metros del Mapa Topográfico Nacional de España 1:50.000.

Para ello hemos diseñado un proceso con ayuda del software FME, que la empresa SafeSofware muy amablemente nos ha permitido utilizar a través de su programa “FME Grant Program”, y a la que queremos expresar desde estas líneas nuestro agradecimiento.

El procesamiento básico se realiza con ayuda del transformador “RasterHillshader” que ofrece la posibilidad de calcular un sombreado fijando el azimut y la altitud, así como un criterio de interpolación y el algoritmo de cálculo para su ajuste a terrenos más o menos lisos o rugosos.

Diseño del cálculo para el foco número uno

Diseño del cálculo para el foco número uno

Diseño del cálculo para el foco número dos

Diseño del cálculo para el foco número dos

Diseño del cálculo para el foco número tres

Diseño del cálculo para el foco número tres

Las tres fuentes de iluminación empleadas dan lugar a tres modelos de sombreado. Cada uno de estos modelos se trata individualmente para recomponer los canales RGB de la imagen final y para generar una banda alpha con el fin de aplicar la transparencia que se determine para cada una de las imágenes generadas.

Compilación en imagen final

Compilación en imagen final

De esta manera se genera una imagen final sumatoria de los tres sombreados, donde cada punto del terreno muestra un valor de brillo.

Detalles geomorfológicos de Picos de Europa (España)

Detalles geomorfológicos de Picos de Europa (España)

Finalmente se elimina de la imagen resultante la banda alpha, ya que existen formatos gráficos que no soportan esta cuarta banda.

Después de realizar distintas pruebas con combinaciones variadas de orientación y altitud, el resultado más satisfactorio lo hemos alcanzado con las siguientes posiciones y transparencia de las tres fuentes de iluminación.

Impacto Acimut Altitud Transparencia
Alto 350º 70º 65%
Medio 15º 60º 50%
Bajo 270º 55º 70%

Se calcula de esta manera de forma automatizada la imagen de sombreado para cada una de las hojas cartográficas, que en un proceso posterior se transforman a un sistema de coordenadas común para después combinarse en un único mosaico.

Mosaico de relieve para toda la Península Ibérica

Mosaico de relieve para toda la Península Ibérica

Etiquetado

Hipsometría e hipsografía (IV)

ESPACIOS DE COLOR

Todos los profesionales que utilizan el color como medio de expresión necesitan referirse a él de forma absoluta, sin considerar el dispositivo o sistema (aditivo o sustractivo) que se utiliza para su representación.

En cartografía, el color simboliza en muchas ocasiones el valor de una magnitud (altura, densidad de población, PIB, etc…), siendo necesario en estos casos que la impresión visual de los colores sea proporcional a dichas magnitudes.

En otras palabras, “las escalas de color deben ser linealmente perceptivas“, de tal manera que si la magnitud a simbolizar varía, la impresión visual varíe en la misma proporción con objeto de trasladar correctamente el mensaje a la psique del observador.

Altimetría

Escala de color altimétrica
by Anonymous [Public domain], via Wikimedia Commons

Para poder construir leyendas perceptivas, es necesario conocer en alguna medida la naturaleza y tipología de los “espacios de color“, ya que según sea el espacio elegido, obtendremos resultados muy diferentes.

ESPACIO DE COLOR

Como ya vimos en otras entradas de este blog, existen distintos procedimientos para definir el color: los que se basan en una descomposición en colores primarios; los que se especifican mediante los valores de tono, claridad o luminosidad y saturación; y los que identifican un color mediante un único parámetro.

Trasladando sobre unos ejes de coordenadas (x,y,z), tres de los parámetros utilizados para definir un color (RGB;CMY,…), es posible representar tridimensionalmente todo el conjunto de colores que un modelo es capaz de definir.

Ejes cartesianos de un espacio de color

Ejes cartesianos de un espacio de color By DaBler ((myself)) [Public domain], undefined

Esta representación espacial de los colores que se pueden generar a partir de un modelo, se denomina “espacio de color“. Concepto que en muchas ocasiones se confunde con el de “modelo de color“, empleado normalmente para referirse al método de identificación.

ESPACIOS DE COLOR ABSOLUTOS Y RELATIVOS

Los espacios de color que se obtienen a partir de tres colores primarios son siempre espacios relativos, ya que el resultado final de un color depende de la interpretación cromática que realice el dispositivo que lo imprime o visualiza.

La percepción visual del color rojo, que en el sistema RGB se representa por la tupla de valores 255,0,0, no ofrece el mismo resultado visual en un monitor que en una fotografía o en una impresora.

Para lograr que un espectador reciba la misma respuesta cromática independientemente del dispositivo utilizado, es necesario definir los colores de forma absoluta, de esta manera el resultado perceptivo de cada color será siempre el mismo, sea cual sea el sistema utilizado para representarlo (para hacerlo los dispositivos necesitan definir un perfil de color).

ESPACIOS DE COLOR PERCEPTIVOS

Con el fin de investigar y estandarizar todo lo relativo al color y su tratamiento, en el año 1913 se creó la Comisión Internacional de Iluminación (Commission Internationale de l´Eclairage, CIE).

Uno de sus objetivos fue definir un modelo de color absoluto, independiente del dispositivo y que cubriera todo el espacio perceptivo humano.

Para ello en 1931 el CIE estandarizó la definición de distintas fuentes luminosas y lo que fue especialmente importante, definió lo que se entendía por “observador estándar” (concepto revisado en 1964).

Así, mediante una serie de experimentos, se registró la percepción de un observador, comparando la respuesta espectral de una fuente de luz creada a partir de la mezcla de los tres colores primarios RGB con una emisión casi espectral ( R=700 nm G=546,1 B=435,8), con la luz emitida por una lámpara con un color espectral puro, haciendo incidir ambas sobre una superficie 100% reflectante.

A partir de los resultados de estas pruebas, el CIE definió el primer espacio de color perceptivo denominado CIE RGB.

Este espacio representado en los tres ejes cartesianos presentaba de entrada algunas carencias, ya que originalmente no era capaz de reproducir todo el espacio de color del ojo humano. Se necesitaba introducir valores negativos para conseguirlo.

Para poder definir un espacio de color perceptivo a partir de valores positivos, se procedió a definir un conjunto de valores de referencia triestímulo X,Y,Z, de tal manera que cumplieran la condición de que no hubiera coordenadas cromáticas negativas y de que el valor triestímulo “Y” se correspondiera con la curva de eficiencia luminosa.

Esta curva, estandarizada en 1924, trata de valorar la potencia total de una fuente de luz en relación con su capacidad de estimular la respuesta visual.

Nace así el espacio de color CIE XYZ (el espacio CIE XYZ en realidad está formado por los espacios XYZ CIE 1931 y XYZ CIE 1964).

A partir del patrón triestímulo es posible calcular las coordenadas cromáticas (x,y,z) para representar los diagramas cromáticos:

x= X/(X+Y+Z)     y=Y/(X+Y+Z)     z=Z/(X+Y+Z)

CIE 1931 by BenRG (File:CIExy1931.svg) [Public domain], via Wikimedia Commons

CIE 1931 Diagrama cromático x,y
by BenRG (File:CIExy1931.svg) [Public domain], via Wikimedia Commons

Dado que la suma de las coordenadas cromáticas es 1, la representación del espacio de color tridimensional se puede realizar utilizando únicamente dos de las coordenadas, siendo el diagrama cromático más habitual el representado por las coordenadas x,y, del que se deriva el espacio de color CIE xyY, ampliamente utilizado.

A pesar de su aparente representación bidimensional, el diagrama cromático se refiere a un espacio tridimensional, cuya tercera dimensión se obtiene a partir de la coordenada Y.

Visión ·D del diagrama cromático x,y Por Adoniscik [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) undefined CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], undefined

Visión 3D del diagrama cromático x,y,Y
Por Adoniscik [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) undefined CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)%5D, undefined

ESPACIOS DE COLOR UNIFORMES

Aunque el espacio de color CIExyY expresa completamente el estímulo espectral del ojo humano, no tiene la condición de espacio de color uniforme, entendiendo como tal aquel cuya distancia de separación de los colores es proporcional a la diferencia de los estímulos recibidos.

Diferencias en disrancia espectral MacAdam This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported via Wikimedia Commons

Diferencias en distancia espectral
MacAdam This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported via Wikimedia Commons

Con el propósito de definir espacios de color uniformes, el CIE estableció en el año 1976 dos espacios de color basados en los valores triestímulo XYZ: CIE 1976 denominado también CIE L*u*v*, y CIE L*a*b*.

Ambos espacios correlacionan mejor la distancia que separa dos colores determinados en el espacio de color con su distancia perceptiva.

De estos dos espacios tiene especial interés el CIELab, ya que este normaliza el valor del estímulo en relación con el blanco, lo que lo aproxima más al mecanismo natural de discriminación cromática del ojo.

Por otra parte las coordenadas a* y b* del modelo también se acercan más al proceso fisiológico de análisis del color (el color desde la generación del estímulo en la retina hasta su procesamiento cognitivo en el cerebro se descompone en dos variables o canales cromáticos: rojo-verde y azul-amarillo).

En el espacio CIELab, las coordenadas utilizadas responden a los siguientes parámetros:

L*= cantidad de luz percibida (0-100)

a*= componente en el canal rojo(+),verde(-)

b*= componente en el canal amarillo(+),azul(-)

Coordenadas a,b By JakobVoss at de.wikipedia [GFDL (www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], from Wikimedia Commons

Coordenadas a,b
By JakobVoss at de.wikipedia [GFDL (www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)%5D, from Wikimedia Commons

Para correlacionar todavía mejor el espacio de color CIELab con los atributos perceptivos del color, el CIE calculó unas nuevas coordenadas de L*(luminosidad), c*(cromatismo) y h*(tono), lo que dió lugar al espacio de color CIE L*c*h* en el que L* toma valores de 0 a 100, c* de 0 a 100 y h* de 0º a 360º.

GRADACIONES DE COLOR

Como es lógico pensar, la construcción de leyendas graduadas de color está condicionada por el espacio de color utilizado.

Si la escala se diseña a partir de un espacio de color RGB, el resultado que se obtiene es una pérdida de saturación en los tonos medios, que visualmente se traduce en colores de transición grisáceos.

Un espacio de color HSV|HSL ofrece una mayor aproximación al mecanismo natural de interpretación del color, con una transición más proporcional en cuanto a los valores de tono y saturación. Pero en este caso el modelo no tiene en cuenta que para idénticos valores de saturación, unos tonos se muestran mucho más luminosos que otros, dando como resultado escalas con importantes saltos perceptivos.

El modelo de color Lch por tratarse de un espacio de color uniforme, ofrece una transición de color que se acerca mucho a la experiencia perceptiva.

Gradación en distintos espacios de color by ClusterGIS

Gradación en distintos espacios de color
by ClusterGIS

Por otra parte, en el modelo Lch existe mayor compensación entre saturación y luminosidad lo que permite conseguir escalas más graduales y naturales, sin pérdidas de cromatismo en los tonos medios, ni saltos de luminosidad.

Como hemos señalado anteriormente, este espacio de color cubre todo el mapa perceptivo humano, no obstante, siempre es necesario tener presente la restricción que supone el “gamut” o subconjunto de colores que un dispositivo es capaz de representar, ya que puede darse el caso de diseñar una gradación que incluya colores imposibles de visualizar debido a limitaciones técnicas.

Un cartógrafo debe considerar todos estos aspectos a la hora de seleccionar los colores de un mapa, muy especialmente cuando los colores elegidos representan magnitudes, ya que una selección de color inadecuada puede producir en el observador respuestas perceptivas contradictorias que finalmente se traducen en mensajes erróneos.

En la próxima entrada de este blog, veremos una aplicación práctica de estos principios en la construcción de leyendas altimétricas.

Etiquetado , ,

Hipsometría e hipsografía (III)

Modelos de color

En la entrada anterior comentamos algunas peculiaridades de nuestra percepción visual que dejan constancia de su irregularidad.

La primera conclusión que se deriva de estas singularidades es que nuestra visión tiene un alto componente subjetivo, por lo que definir un color determinado con exactitud resulta una tarea sumamente complicada.

Dada la dificultad para referenciar los colores con objetividad, se han definido distintos procedimientos o modelos de color. La fórmula que utilizan casi todos ellos consiste en asignar a cada color una colección de parámetros o tuplas de valores que lo definen.

Como esta cuestión es de suma importancia en los procesos cartográficos, donde es necesario determinar con precisión los colores que intervienen en un mapa, vamos repasar brevemente los modelos de color más utilizados:

  • RGB (Red-Green-Blue) rojo, verde y azul:

    La definición de un color en este modelo se realiza mediante la asignación de una terna de valores que representa la proporción de los tres colores básicos (rojo, verde y azul) que intervienen en su composición.

    El porcentaje de cada uno de los colores se puede indicar en un rango de valores de 0 a 100, o lo que suele ser más habitual, de 0 a 255, de tal manera que el valor de cada componente se puede almacenar digitalmente en un byte.

    En algunos casos cada componente se expresa mediante 2 bytes, por lo que el rango de valores de cada uno de ellos es oscila entre 0 y 65.535, consiguiéndose así una mayor densificación de colores.

    Este modelo se utiliza habitualmente en los procedimientos de color aditivos, es decir cuando el color se compone a partir de fuentes luminosas, como las lámparas de iluminación, los monitores de ordenador o las pantallas de televisión.

    En este caso las suma de los tres colores básicos ofrece como resultado el color blanco.

    http://commons.wikimedia.org/wiki/File:AdditiveColor.svg (Dominio público)

    Modelo de color aditivo RGB
    “AdditiveColor” by M.Horvath and jacobolus Public Domain, via Wikimedia Commons

  • CMYK (Cyan-Magenta-Yellow-Key) cian, magenta, amarillo y negro:

    Este modelo está diseñado para procedimientos de formación del color sustractivos, esto es, cuando el color resultante se crea a partir de una suma de pigmentos.

    En este caso, cada color se define mediante una secuencia de cuatro valores relativos a los colores básicos: cian, magenta, amarillo y negro.

    El modelo de color CMYK se utiliza habitualmente en procesos de impresión.

    «SubtractiveColorMixing»  CC BY-SA 3.0 - Wikimedia Commons - http://bit.ly/1CAljOT

    Modelo de color substractivo CMYK
    “SubtractiveColorMixing” by cantus CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)%5D, via Wikimedia Commons

  • El sistema de color MUNSELL:

    Este sistema de color fue creado en el año 1905 por el artista americano Albert Henry Munsell (“A color notation”), con el fin de describir los pigmentos de forma más objetiva que la que se venía utilizando hasta esa época.

    En el sistema Munsell cada color está definido por tres valores: tono, valor de luminancia y cromatismo.

    Tono: Es la descripción de su color principal. Para ello Munsell dividió un círculo en 100 partes, distribuyendo regularmente 5 colores principales y 5 mezclas, quedando entre cada uno de los colores de referencia 10 segmentos o posiciones. El tono del color se expresa señalando el segmento y su color de referencia más próximo.

    Valor de luminancia: Este valor expresa la sensación de claridad u oscuridad de un color, tomando como referencia un gris medio. El rango de valores se mueve entre el 0 para el negro, hasta el 10 para el blanco. La cuantificación se realiza de forma perceptiva, es decir no existe una escala de referencia para estimar este valor.

    Cromatismo: Representa la posición que ocupa un color, entre el gris y el color más puro posible para un tono en particular. Los posibles valores de cromatismo varían en función del tono y de la luminosidad, por lo que el gradiente a utilizar en la escala Munsell es particular para cada tono.

    by ClusterGIS

    Saturación en función del tono y luminosidad

  • HSV (hue, saturation, value)|HSB(hue, saturation, brightness) tono, saturación y brillo:

    En algunas aplicaciones resulta conveniente expresar un color en términos de tono o matiz, saturación y brillo, de forma parecida a como lo hace el sistema Munsell pero con escalas de valores concretas.

    En este sistema los parámetros que definen un color son los siguientes:

    Tono o matiz: Es el valor de su color principal o de referencia. Generalmente se define por un parámetro angular entre 0 y 359, aunque en algunos casos este valor se normaliza, expresándose en términos de porcentaje. Cada valor corresponde a un color según una rueda de color preestablecida.

    Saturación: Representa el grado de cromatismo del color. Es un concepto difícil de definir en términos coloquiales que equivale a su pureza colorimétrica, de tal manera que cuanto menor es la saturación de un color, más gris será este.

    Valor de brillo: El valor de brillo representa la claridad de un color conforme a una escala que se mueve del negro (valor 0) o color con menos brillo, al blanco (valor 100) o color con el máximo brillo.

    El sistema HSV es una traducción de las posibles combinaciones RGB, por lo que los colores resultantes son los mismos que se obtienen de la aplicación del modelo de color RGB.

    Triángulo HSV

    Triángulo HSV
    “triangulo_hsv” by Samus_ (Own work) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)%5D, via Wikimedia Commons

  • HSL (hue, saturation, lightness/luminance)

    Es un modelo de color similar al HSV, con la particularidad de que en este caso se utiliza una formulación referida al gris medio para expresar el valor de la claridad o luminancia, en lugar del valor del brillo o cuantificación de blancura, que en el modelo HSV está referido al blanco.

    Entre los modelos HSV y HSL existen también diferencias en la interpretación de la saturación, ya que mientras en un caso el cromatismo se establece por la sensación visual de un color respecto a sus distintas condiciones de brillo, en otro caso el elemento comparador se establece en relación con una superficie blanca igualmente iluminada.

    La principal ventaja de este modelo sobre el modelo de color HSV es que expresa mejor la separación entre saturación y luminancia.

    Hsl-hsv_models_b.svg

    Comparación de modelo de color HSV-HSV
    By Hsl-hsv_models.svg: Jacob Rus HSL_color_solid_cylinder_alpha_lowgamma.png: *HSL_color_solid_cylinder.png: SharkD derivative work: SharkD  Talk  HSV_color_solid_cylinder_alpha_lowgamma.png: *HSV_color_solid_cylinder.png: SharkD derivative work: SharkD  Talk  derivative work: SharkD  Talk [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)%5D, via Wikimedia Commons

  • PANTONE

    Es un sistema de color creado por la empresa Pantone Inc..

    En este caso cada color, entre los que forman parte de una colección predeterminada, se expresa mediante un único código.

    Como el código no es la resultante de una descomposición de colores primarios o parámetros visuales, se dice que es un sistema de color sólido.

    Pantone tiene un uso muy extendido en la industria del diseño y las artes gráficas.

    Pantone

    Colores Pantone
    “color-fan-541624_1280” by Stux Public Domain CC0, via http://pixabay.com

Existe mucha literatura técnica en Internet relativa a los modelos de color, por lo que profundizar en estos conceptos es relativamente sencillo.

Hasta aquí y de una forma rápida hemos visto algunos de los modelos de color más utilizados, si bien existen muchos más, adaptados a distintas necesidades.

En cartografía es importante tener en cuenta el soporte final sobre el que se va a publicar un mapa, ya que en función de que este se vaya a representar sobre un documento impreso o una pantalla luminosa, es preciso definir los colores a utilizar mediante un modelo u otro.

Una vez que hemos repasado los principales modelos de color, es necesario tener presente que aunque un color se pueda definir por medio de un modelo de color, no significa necesariamente que dicho color se pueda representar por un dispositivo dado o mediante una técnica determinada.

Asimismo, existen colores que aunque somos capaces de percibir visualmente, no es posible definir mediante algunos de estos modelos.

Por todo ello y llegados a este punto, es necesario introducir el concepto de “espacio de color”. Pero esta materia tenemos previsto abordarla con detalle en nuestra próxima entrada.

Etiquetado , ,

Hipsometría e hipsografía (II)

La percepción del color

En esta entrega vamos a repasar algunos conceptos básicos acerca de cómo las personas percibimos el color.

No se trata de realizar un análisis en profundidad sobre la teoría del color, sino más bien de poner el foco en algunas cuestiones que es necesario tener en cuenta a la hora de seleccionar qué colores utilizar en nuestros mapas y cómo disponerlos para construir escalas de color efectivas.

CÓMO PERCIBIMOS EL COLOR

El color es en esencia la interpretación mental de cierto tipo de radiación que incide en nuestros ojos.

Para capturar los fotones de energía, los ojos disponen de dos tipos de receptores: los conos y los bastones.

Los conos se ubican en el centro de la retina y su misión es capturar la radiación que llega a ellos en torno a las longitudes de onda de 564 nm (rojo), 534 nm (verde) y 420 nm (azul).

Por ello, se podría decir que los humanos vemos en clave RGB (RedGreenBlue), ya que en nuestro esquema visual el rojo el verde y el azul se comportan como colores primarios.

Los otros receptores denominados bastones o bastoncillos, se distribuyen por toda la retina excepto en la fóvea. Su misión es captar pequeñas variaciones de luminosidad en longitudes de onda cercanas a los 500 nm (verde-azulado). Se podría decir que los bastones son nuestro dispositivo natural de visión nocturna, por lo que no son muy relevantes en el asunto que hoy nos ocupa.

Visual RGB

Image by Pixabay.com CC0

Aunque nuestro mecanismo de construcción del color según hemos visto se apoya en los tres colores básicos, rojo, verde y azul, no podemos pensar en él como si se tratara de una cámara fotográfica, ya que tiene ciertas peculiaridades o irregularidades que es necesario tener en cuenta:

  • La luminosidad que percibimos es diferente según sea el tono del color de referencia. Percibimos el color verde con más luminosidad que el rojo y éste de forma más luminosa que el azul. Como consecuencia de ello vemos de forma extraordinariamente brillante el color amarillo, ya que este tono activa de forma simultánea los conos rojos y verdes multiplicando así el efecto brillo. Veremos más adelante que esta singularidad es muy significativa a la hora de diseñar escalas de color.
Luminosidad RGBY

Luminosidad rojo, verde, azul y amarillo

  • Los conos son sensibles a las radiaciones con longitudes de onda en torno a los valores antes mencionados, pero su respuesta es ligeramente diferente según el tono de referencia. Se puede afirmar conforme a esto, que no existe regularidad en la respuesta visual.
  • Los colores claros en un ámbito oscuro se perciben de forma diferente a los colores oscuros en un ámbito luminoso.
  • El ojo humano tiene una mayor sensibilidad luminosa en niveles bajos que en niveles altos de iluminación, por lo que el comportamiento de las variaciones en la luminosidad se acerca más a una escala logarítmica que a una escala lineal. Además, es necesario tener en cuenta que la sensibilidad difiere según el tono del color, ya que de forma natural y debido a la distribución y cantidad de los distintos tipos de conos, presentamos una mayor sensibilidad a la luz verde que a la luz roja, y muy poca a la luz azul.
  • En lo que respecta a la saturación de color que nuestros ojos son capaces de percibir, hay que tener en cuenta que ésta varía según el tono y el nivel de luminosidad. Para valores medios de luminosidad podemos llegar a percibir los tonos rojos y azules muy saturados, en tanto que el verde no demasiado. Pero esto varía para valores bajos o muy altos de luminosidad donde la saturación que somos capaces de percibir es muy baja para todos los tonos.
Saturación para distintos valores de luminosidad

Saturación para distintos valores de luminosidad

Si introducimos todas estas peculiaridades en una coctelera, el resultado que obtenemos es un modelo de color muy irregular y difícil de conceptualizar en base a los tres colores primarios: rojo, verde y azul.

Por ello, desde hace décadas se viene estudiando la falta de homogeneidad de nuestro espacio de color, construyéndose distintos modelos para mapear nuestra percepción visual.

Próximamente abordaremos esta cuestión y su aplicación práctica en la construcción de leyendas de color.

Etiquetado , ,

Hipsometría e hipsografía (I)

Luces, sombras y color

¿Qué se puede decir que no se haya dicho ya en cartografía sobre la representación hipsográfica (relieve) o sobre la utilización del color en la hipsometría (altitud)?.

Pues bien, a pesar de todo lo dicho y escrito, a día de hoy no es fácil encontrarse con mapas que se atengan en esta cuestión a los cánones cartográficos formales.

Es posible que la popularización de las aplicaciones geomáticas y la producción exprés de mapas en la web, hayan banalizado el tratamiento de la luz y el color en la cartografía.

Posiblemente acaso, la sociedad haya desarrollado un excesivo gusto por los mapas, olvidando su fin último y consumiéndolos tan solo como meros objetos de decoración.

Lo cierto es que muchos de los mapas con los que a diario nos encontramos resultan unos documentos visualmente muy atractivos, pero una mirada en profundidad permite constatar que no han sido concebidos para transmitir un mensaje cartográfico de forma clara y precisa.

Por ello, conviene no olvidar que un mapa es fundamentalmente un instrumento al servicio de la información y en consecuencia, todo lo que un mapa contiene debería estar sometido a dicha directiva.

No es ningún secreto que la percepción del color se rige por unos principios muy estudiados y conocidos, por ello es necesario tenerlos muy presentes para utilizarlos con eficacia. Es preciso, que la luz y color sean en todo momento herramientas y no obstáculos que modifiquen y perturben el mensaje que el autor del mapa quiere trasladar.

Mapas. Mapas y más mapas. Mapas en Internet, mapas en nuestras tabletas, mapas en nuestros teléfonos.

Visualizadores geográficos que muestran docenas y docenas de mapas, secuenciados por escalas.

Estamos rodeados de mapas. Por todo ello, hoy más que nunca es necesario hablar del color, es necesario hablar de la luz y de la percepción como instrumento al servicio de la información cartográfica y de ello vamos a hablar a lo largo de las próximas entregas.

Vamos a ofrecer nuestro punto de vista sobre esta cuestión tan controvertida y cómo y mediante qué procedimientos la abordamos para conseguir nuestros objetivos.

Técnicamente no esperamos descubrir nada nuevo, bueno para ser sinceros alguna novedad sí, pero en cualquier caso será bueno repasar los principios a los que atiende el color y verlos implementados en procesos de cartografía automática.

Etiquetado , ,