Sistema visual humano e percepção

Sistema Visual Humano e
Percepção
Joaquim Macedo
Departamento de Informática da Universidade do Minho
1
Sumário




Introdução
Sistema Visual Humano
Representação da Cor
Propriedades Temporais da Visão
2
Introdução

Aula anterior

Objecto distante vibra...



Cria contrações e expansões no meio
circundante
Produz sons detectados pelo ouvido humano
E se não vibrar?


Tem que ser detectado pela visão
Detecta ondas electromagnéticas vindas do
objecto
3
Introdução


70% da nossa informação é colectada pela
visão
A visão é o nosso sentido mais importante



Relativamente à audição, cheiro, tacto e gosto
É o mais usado nos sistemas multimédia
É importante estudar o sistema humano de visão

Para usarmos efectivamente a tecnologia multimédia
4
Espectro de visão
5
Detecção de objecto
L ( )
I ( )
I ( )   ( ).L( )
6
Detecção do objecto
Fonte
Superfície
Produto
7
Energia Luminosa
 Luz é energia electromagnética que estimula a nossa resposta visual
 Tem um espectro estreito que se estende desde 400-700 nm
 A luz recebida dum objecto pode ser escrita como
I ( )   ( ) L ( )
 ( ) É a reflexividade ou transmissividade do objecto
L ( )
É distribuição da energia incidente
8
Sistema Visual Humano
9
Sistema Visual Humano




Eficiência relativa da Luminosidade
Lei de Weber
Função de Transferência de Modulação
Modelo SVH
10
Olho humano
Parte da testa (Temporal)
Eclerótica
Músculo ciliário
Iris
Pupila
Humor Vítreo
Lentes do olho
Fovea
Retina
Nervo Óptico
Córnea
Humor Aquoso
Ligamento de suspensão

Parte do nariz (Nasal)
Coróide
O olho humano é um sistema de imagem
completo.
11
Córnea

Esclerótica
Córnea


A parede de fora do
olhos é formada
pela esclerótica
branca, rígida
A córnea é a a
porção transparente
da esclerótica
2/3 da refracção
ocorre na córnea
12
Iris e Pupila
Íris

Pupila

Íris aberta
Pupila dilatada
A íris colorida
controla o tamanho
da abertura (pupila)
onde entra a luz.
A pupila determina a
quantidade de luz,
tal como a abertura
duma duma câmara.
Íris fechada
Pupila contraída
13
Lentes

Músculo
ciliário
Lentes

Ligamento
De suspensão

Fibras

Secção de corte das lentes do olho
A lente do olho é feita
de fibras transparentes
numa membrana numa
membrana.
Mantida por ligamento
de suspensão.
Usada pelo olho como
um mecanismo de
facagem fina;
disponibiliza1/3 da
potência total de
refracção do olho.
Índice de refracção não
uniforme.
14
Acomodação


Objecto
distante
Músculo relaxado
Ligamentos tensos

Objecto
próximo
Os ligamentos de
suspensão ligam a lente ao
músculo ciliário.
Quando o músculo contrai,
a lente fica mais bojuda
para trás, diminuindo a sua
distância focal.
Este processo no qual a
lente muda de forma para
focar é chamado
acomodação.
Músculo contraído
Ligamentos frouxos
15
Humor Aquoso e Humor Vítreo
Humor Vítreo



Humor Aquoso
Líquido transparente e
gelatinoso que enche a
cavidade do olho.
Fornece os nutrientes
para acórena e para as
lentes do olho.
Também ajuda a
manter a forma do
globo ocular.
16
Retina

Retina

Fovea

Nervo óptico

A Retina é o detector fotosensitivo
para o olho.
Existem dois tipos de receptores
na retina: bastonetes para o nível
de luz baixo e cones para níveis
altos de luz e pela cor.
Localizada no centro da retina a
fovea tem uma grande
concentração de cones.
Através do nervo óptico são
enviados sinais dos receptores
para o cérebro.
17
Camada Plexiforme

A retina é composta de
três camadas:

Fovea
fotoreceptores
Luz

Camada
plexiforme
Nervo óptico

Camada plexiforme é uma
rede de nervos que
transportam os sinais que
saem dos foto-receptores
Foto-receptores.
A Coroide disponibiliza
alimentação aos recpetores e
absorve qualquer luz que
não seja absorvida pelos
foto-receptores, tal como a
antihalation backing in film.
Coróide
18
Sistema Visual Humano
Formação de
Imagem
•Córnea
•lente
Controlo de
Exposição
•Íris/pupila
•Photoreceptor
sensitivity
Detecção
•Retina
•Bastonetes
•Cones
Processamento
•Cérebro
19
Formação de Imagem
Objecto
Imagem
20
Formação de Imagem no Olho

Exemplo:

Cálculo da imagem retinal dum objecto
15
x

100 17
x  2.55mm
21
Cones e Bastonetes
 Quando a luz estimula um bastonete ou cone
 ocorre um transição fotoquímica produzindo um impulso no nervo
Os cones são responsáveis pela visão da cor
22
Eficiência de luminosidade relativa

L   I ( ) V ( ) d
0
23
Contraste Simultâneo
24
Relação de Weber



A sensibilidade do SVH à
diferença de intensidades
difere para diferentes
intensidades do fundo
Relação de Weber
I n
k
I
I
I+ I
cdI
 dB B  c log I  d
I
Justamente a diferença de
intensidade observável
relativamente ao fundo. É
uma função do log I.
25
Função de Transferência de
Modulação
Branco
Preto
26
Sensibilidade à Frequência
27
Resposta à frequência do olho
28
Resposta à frequência 2D
29
Line Spread Function
Função de resposta de
impulso unidimensional
A
B
C
D
Degrees
30
Efeito de mach band
Actual
brightness
Perceived
by you
31
Efeito Mach Band
A interacção espacial da luminância a partir dum objecto e o seu ambiente
Envolvente cria um fenómeno chamado efeito de match band.
C
Intensity
D
A
B
32
Intensity
Efeito Mach Band
33
Modelo HVS

Simplificações

Linear


Isotrópico no domínio espacial



Só válido para imagens de pouco contraste
Menos sensível à diagonal que às direcções vertical e
horizontal
Modelo usado como isotrópico
HVS composto por vários subsistemas


Pupila é um filtro passa-baixo
A seguir a resposta espectral do olho, é aplicada à
luz e obtida a luminância da imagem

A resposta não linear dos cones e bastonetes e a função
de transferência de modulação disponibilizam o contraste
34
e a inibição lateral
Representação da Cor
35
Representação da Cor





Modelo de três receptores
Unificação da Cor
Valor de três estímulos
Diagrama de Cromacidade
Modelos de Cor e Transformação das
Primárias
36
Representação da Cor

O estudo da cor


é importante para a concepção e
desenvolvimento de sistemas de visão de cor
Utilização da cor não é apenas agradável


Permite a apreensão rápida de maior
informação
Embora só possamos distinguir centenas de
níveis de cinzento

Podemos diferenciar facilmente milhares de cores
37
Representação da cor

Principais atributos perceptuais da cor

Brilho


Cor ou tonalidade


luminância percebida
amarelo, vermelho, verde, etc...
Saturação

a nossa percepção da diferença duma dada cor
relativamente da cor branca ou cinzenta


Cor esbatida tem pouco saturação
Cor espectral tem muita saturação
38
Representação da Cor
Explicação pictórica dos atributos
-
+
Brilho
Tonalidade
ou cor
Saturação
39
+
Cor ou tonalidade
É o atributo mais estreitamente relacionado com o estímulo do
comprimento de onda.
Diferentes cores têm tonalidades diferentes.
40
Saturação




Está relacionada com a quantidade de branco que está no estímulo
Os tons monocromáticos são altamente saturados
A cor menos saturada é o branco.
Por exemplo, o cor de rosa é menos saturado que o vermelho e mais
saturado que o branco.
O azul escruro à esquerda é altamente saturado enquanto que o
azul esbatido è direita tem baixa saturação
41
Brilho
 Relaciona-se com a quantidade de luz proveniente da fonte ou
reflectida pelo objecto
42
Representação da Cor
Brilho versus Saturação
Brilho
Saturação
43
Representação da Cor
Tonalidade versus Saturação
Disco da Cor
dá informação sobre
a cor e a saturação
44
Espaço de Cores
Representação Perceptual
45
Espaço de Cores
Representação Perceptual
Brightness
Hue
Saturation
46
Modelo dos 3 Receptores

Sistema Visual Humano

Permite distinguir milhares de cores


É difícil conceber um sistema que seja capaz de
mostrar individualmente um tão grande número
de cores
Propriedades especiais do SHV


Permite conceber um sistema simples para mostrar
essas cores
Qualquer cor pode ser reproduzida misturando de
forma apropriada as três cores primárias
47
Espectro de absorção
Para os 3 tipos de cones
48
Espectro de absorção
% Max. Absorption
Blue
S B ( )
Green
SG ( )
Red
S R ( )
 (in nm)
Espectro de absorção típico dos três tipos de cones da
retina humana.
49
Unificação de cores

Muitos sistemas de reprodução de cores


exploram o modelo dos três receptores do
SVH
Colometria

Que proporção das cores principais deve ser
usada para produzir uma dada cor?
50
Unificação de cores
51
Unificação de cores
Leis usadas para unificação de cores



Qualquer cor pode ser conseguida misturando
no máximo três luzes coloridas
A luminância da mistura é a soma da
luminância das componentes
Adição de cores:


Se as cores A e B unificam com C e D
respetivamente, então (A+B) unifica com (C+D)
Subtração de cores:

Se a cor (A+B) unifica com (C+D), e a cor A
unifica com D, então B unifica com C
52
Mistura Aditiva de Cores
Red
Ligh
t
Blue
Light
Green
Light
53
Mistura subtractiva de cores
a)
Blue
Paint
Yellow
Paint
b)
Absorbed by
blue pigments
Reflectance
Absorbed by
yellow pigments
c)
400
425
450
475 500 525 550
Wavelength (in nm)
575
600
54
Curvas dos três estímulos
55
Curvas de três estímulos
56
Espaço de cores CIE
57
Diagrama de Cromacidade
58
Modelos de Cores
Transformações das primárias
Y
G
C
G
Y
X
R
R
B
Z
X
B
Z
59
Matrizes de Transformadas
 X   X R X G X B R 
 
Y   Y
Y
Y
G
B  G 
   R
 Z   Z R Z G Z B   B 
M RGB  XYZ
X R XG X B 


 YR YG
YB 
 Z R Z G Z B 
60
Sistemas de Coordenadas de Cores
Sistemas de Coordenadas
das Cores
Definição/ Matriz de
Transformação
Comentários
Sistema espectral primário CIE
{R,G,B}
Fontes monocromáticas primárias
vermelho=700 nm, verde=546.1 nm
e azul=435.8 nm
O branco de referência tem
um espectro plano com
R=G=B=1
Sistema CIE {X,Y,Z}
Y=luminância
UCS Escala de cromacidade
uniforme CIE: U, V,W
Sistema de recpeção primária
NTSC Rn,Gn,Bn
Sistema de transformação NTSC:
Y=luminância, I,Q=crominância
 
 
 
 
X
Y
Z

0.310 0.200  R 
  00.490
.177 0.813 0.011 G
 0.000 0.010 0.990  B 
U
0.67 0 0  X 
V

0
1 0 Y
W
0.15
1
.5
0.5 

 Z 

 
RN 1.910 0.533 0.288 X
GN  0.985 2.000 0.028 Y
0.896 Z
BN 0.058 0.118
Y 0.299 0.587 0.114 RN
I  0.596 0.274 0.322 GN
Q 0.211 0.523 0.312 B
N




Os valores dos tr~es
estímulos são positivos
Os eclipes Mac Adam são na
maioria cículos
A transformação linear de
X,Y,Z é baseada nas primárias
do fósforo da TV
Usada para transmissão de
TV na América do Norte
61
Espaço de Cores NTSC
Matrizes de transformação para outros sistemas apartir
das primárias do receptor Rn,Gn,Bn
Sistema de Cor
Espectral
Primário CIE
Sistema de
Transmissão
NTSC
UCS, Sistema de
três estímulos da
CIE
Sistema X,Y,Z da
CIE
Matriz de saída




Matriz de Transformação


Y
I
Q
U
V
W
X
Y
Z


1.167 -0.146 -0.151
0.114 0.753 0.159
0.001 0.059 1.128
R
G
B
0.299 0.587 0.114
0.596 -0.274 -0.322
0.211 -0.523 0.312
...
...
62
Diagrama de Cromacidade
PAL e NTSC
CIE Chromaticity Diagram
y
x
63
Exemplo 5.2

A magenta corresponde num Receptor
NTSC aos valores Rn=Bn=1,Gn=0.
Determinar os valores dos três
estímulos e cromacidade em


A) Espectro primário CIE
B) Sistema de coordenadas {X,Y,Z}
64
Espaço de Cores Não
Uniformes
a)
Círculo interno
R=0.2,G=0.6,B=0.2
Círculo externo
R=0.2,G=0.62,B=0.2
b)
Círculo interno
R=0.2,G=0.2,B=0.62
Círculo externo
R=0.2,G=0.2,B=0.6
Experiência do espaço perceptual com dois círculos
concênctricos no espaço de cores RGB.
Distância euclideana nos dois casos é 0.02
65
Modelo CMY

Usado na indústria de impressão


Mistura subtractiva de cores
Cyan Magenta e Yellow (CMY)

Relação com o RGB (1 representa o branco)
 C  1  R 
  

 M   1  G 
 Y  1  B 


Pode-se obter um grande número de cores
Como se imprime muito a preto acrescentou-se
um canal K com cor (CMYK)
66
Propriedades temporais da
visão
Um ponto dum fonte luminosa é feita para flutuar à volta de um valor
médio de luminância de acordo com a seguinte equação:
L  L cos( 2ft )
L
f
é o pico de amplitude da flutuação
é a frequência de flutuação
Se f não for muito alta, a fonte torna-se vaciliante
67
Temporal contrast sensitivity
Propriedades temporais da
visão
100 trolands
1 troland
Frequency (in Hz)
68