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Sistema Visual Humano e Percepção
Joaquim MacedoDepartamento de Informática da Universidade do Minho
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Sumário Introdução Sistema Visual Humano Representação da Cor Propriedades Temporais da Visão
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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
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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
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Espectro de visão
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Detecção de objecto
)(L
)(I
)().()( LI
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Detecção do objecto
Fonte
SuperfícieProduto
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Energia Luminosa
)()()( LI
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
É a reflexividade ou transmissividade do objecto
É distribuição da energia incidente
)(
)(L
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Sistema Visual Humano
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Sistema Visual Humano Eficiência relativa da Luminosidade Lei de Weber Função de Transferência de
Modulação Modelo SVH
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Olho humano
O olho humano é um sistema de imagem completo.
Parte da testa (Temporal)
Parte do nariz (Nasal)
Córnea
Humor Aquoso
Pupila
Iris
Músculo ciliárioEclerótica
Fovea
Retina
Nervo Óptico
Humor Vítreo
Lentes do olho
CoróideLigamento de suspensão
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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
Esclerótica
Córnea
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Iris e Pupila 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
Íris abertaPupila dilatada
Íris fechadaPupila contraída
Pupila
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Lentes 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.
Lentes
Ligamento De suspensão
Músculo ciliário
Fibras
Secção de corte das lentes do olho
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Acomodação 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 relaxadoLigamentos tensos
Objectodistante
Músculo contraídoLigamentos frouxos
Objectopróximo
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Humor Aquoso e Humor Vítreo
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.
Humor Vítreo
Humor Aquoso
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Retina 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.
Retina
Nervo óptico
Fovea
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Camada Plexiforme A retina é composta de
três camadas: 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.
Fovea
Camada plexiforme
foto- receptores
CoróideNervo óptico
Luz
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Sistema Visual Humano
Formação de Imagem
Controlo de Exposição
Detecção Processamento
•Córnea•lente
•Íris/pupila•Photoreceptorsensitivity
•Retina•Bastonetes•Cones
•Cérebro
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Formação de Imagem
Objecto Imagem
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Formação de Imagem no Olho Exemplo:
Cálculo da imagem retinal dum objecto
17100
15 x
mmx 55.2
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Cones e Bastonetes
Quando a luz estimula um bastonete ou cone ocorre um transição fotoquímica produzindo um impulso no nervoOs cones são responsáveis pela visão da cor
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Eficiência de luminosidade relativa
0
)( )( dVIL
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Contraste Simultâneo
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Relação de Weber A sensibilidade do SVH à
diferença de intensidades difere para diferentes intensidades do fundo
Relação de Weber
Justamente a diferença de intensidade observável relativamente ao fundo. É uma função do log I.
I I+ I
dIcBdBcdI
kI
In
log I
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Função de Transferência de Modulação
Preto
Branco
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Sensibilidade à Frequência
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Resposta à frequência do olho
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Resposta à frequência 2D
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Função de resposta de impulso unidimensional
Degrees
Lin
e S
prea
d F
unct
ion
A B C D
Degrees
Lin
e S
prea
d F
unct
ion
A B C D
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Efeito de mach band
Actual brightness
Perceived by you
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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.
A B
C
D
Inte
nsit
y
A B
C
D
Inte
nsit
y
A B
C
D
Inte
nsit
yIn
tens
ity
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Efeito Mach Band
Inte
nsit
yIn
ten
sit
yIn
ten
sit
yIn
ten
sit
y
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Modelo HVS Simplificações
Linear Só válido para imagens de pouco contraste
Isotrópico no domínio espacial 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 e a inibição lateral
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Representação da Cor
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Representação da Cor Modelo de três receptores Unificação da Cor Valor de três estímulos Diagrama de Cromacidade Modelos de Cor e Transformação
das Primárias
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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
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Representação da cor Principais atributos perceptuais da cor
Brilho luminância percebida
Cor ou tonalidade 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
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Representação da CorExplicação pictórica dos atributos
Brilho
Tonalidade ou cor
Saturação
- +
+ -
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Cor ou tonalidade
É o atributo mais estreitamente relacionado com o estímulo docomprimento de onda.Diferentes cores têm tonalidades diferentes.
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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
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Brilho
Relaciona-se com a quantidade de luz proveniente da fonte ou reflectida pelo objecto
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Representação da CorBrilho versus Saturação
Brilho
Saturação
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Representação da CorTonalidade versus Saturação
Disco da Cordá informação sobrea cor e a saturação
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Espaço de CoresRepresentação Perceptual
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Saturation
Hue
Brightness
Saturation
Hue
Brightness
Espaço de CoresRepresentação Perceptual
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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
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Espectro de absorçãoPara os 3 tipos de cones
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49
Espectro de absorção
Espectro de absorção típico dos três tipos de cones da retina humana.
% M
ax. A
bsor
ptio
n
)(RS)(BS
)(GS
(in nm)
Blue GreenRed
% M
ax. A
bsor
ptio
n
)(RS)(BS
)(GS
(in nm)
Blue GreenRed
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50
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?
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Unificação de cores
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Unificação de coresLeis 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
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Mistura Aditiva de Cores
BlueLight
Green
LightRed
Light BlueLightBlueLight
Green
LightGreen
LightRed
Light
RedLight
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Mistura subtractiva de cores
Yellow Paint
Blue Paint
Yellow Paint
Blue Paint
Yellow Paint
Blue Paint
400 425 450 475 500 525 550 575 600
Ref
lect
ance
Wavelength (in nm)
Absorbed byyellow pigments
Absorbed byblue pigments
400 425 450 475 500 525 550 575 600
Ref
lect
ance
Wavelength (in nm)
Absorbed byyellow pigments
Absorbed byblue pigments
a)
b)
c)
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55
Curvas dos três estímulos
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56
Curvas de três estímulos
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57
Espaço de cores CIE
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58
Diagrama de Cromacidade
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59
Modelos de CoresTransformações das primárias
XR
Z
B
B
R
X
Z
G
GY
Y
C
XR
Z
B
B
R
X
Z
G
GY
Y
C
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60
Matrizes de Transformadas
BGR
BGR
BGR
XYZRGB
BGR
BGR
BGR
ZZZ
YYY
XXX
M
B
G
R
ZZZ
YYY
XXX
Z
Y
X
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61
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
Os valores dos tr~es estímulos são positivos
UCS Escala de cromacidade uniforme CIE: U, V,W
Os eclipes Mac Adam são na maioria cículos
Sistema de recpeção primária NTSC Rn,Gn,Bn
A transformação linear de X,Y,Z é baseada nas primárias do fósforo da TV
Sistema de transformação NTSC: Y=luminância, I,Q=crominância
Usada para transmissão de TV na América do Norte
BGR
ZYX
.9900 .0100 .0000
.0110 .8130 .1770 .2000 .3100 .4900
ZYX
WVU
.50 .51 0.15-0 1 0 0 0 .670
ZYX
BGR
N
N
N
.8960 0.118 0.0580.028 .0002 0.985
0.288 0.533 .9101
NBNGNR
QIY
.3120 0.523 0.2110.322 0.274 .5960
0.114 .5870 .2990
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62
Espaço de Cores NTSCMatrizes de transformação para outros sistemas apartir das primárias do receptor Rn,Gn,Bn
Sistema de Cor
Matriz de saída
Matriz de Transformação
Espectral Primário CIE
Sistema de Transmissão NTSC
UCS, Sistema de três estímulos da CIE
...
Sistema X,Y,Z da CIE
...
BGR
QIY
WVU
ZYX
.1281 .0590 .0010.1590 .7530 .1140 .1510- .1460- .1671
.3120 .5230- .2110.3220- .2740- .5960.1140 .5870 .2990
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63
Diagrama de CromacidadePAL e NTSC
x
y
CIE Chromaticity Diagram
x
y
CIE Chromaticity Diagram
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64
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}
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65
Espaço de Cores Não Uniformes
Experiência do espaço perceptual com dois círculosconcênctricos no espaço de cores RGB. Distância euclideana nos dois casos é 0.02
Círculo internoR=0.2,G=0.6,B=0.2Círculo externoR=0.2,G=0.62,B=0.2
Círculo internoR=0.2,G=0.2,B=0.62Círculo externoR=0.2,G=0.2,B=0.6
a) b)
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66
Modelo CMY Usado na indústria de impressão
Mistura subtractiva de cores Cyan Magenta e Yellow (CMY)
Relação com o RGB (1 representa o branco)
Pode-se obter um grande número de cores Como se imprime muito a preto
acrescentou-se um canal K com cor (CMYK)
B
G
R
Y
M
C
1
1
1
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67
)2cos( ftLL
Um ponto dum fonte luminosa é feita para flutuar à volta de um valormédio de luminância de acordo com a seguinte equação:
é o pico de amplitude da flutuação é a frequência de flutuação
Lf
Se f não for muito alta, a fonte torna-se vaciliante
Propriedades temporais da visão
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68
Propriedades temporais da visão
Frequency (in Hz)
Tem
pora
l con
tras
t sen
siti
vity
1 troland
100 trolands
Frequency (in Hz)
Tem
pora
l con
tras
t sen
siti
vity
1 troland
100 trolands