Psicofísica de la Visión - Universidad Politécnica de Madrid

Universidad Politécnica de Madrid
ETSI TELECOMUNICACIÓN
Departamento de Tecnología Fotónica
Fotónica de Consumo
Psicofísica de la Visión
Octubre 2007
Psicofísica de la Visión
Fotónica de Consumo, Octubre 2006, José M. Otón
Contenidos
E
L OJO
EL
Visión
•
•
•
•
Visión Humana
Retina
M
Mecanismo
i
de
d la
l visión
i ió
Agudeza y Sensibilidad
Percepción
•
•
•
•
•
Realce de bordes
Bandas Mach
Contornos subjetivos
Ilusiones ópticas
Modelos multicanal
Estereopsis
•
•
•
Distancias
Efecto juguete
Ilusiones 3D
Color
•
•
•
•
•
Detección de color
Color instrumental
Color perceptual
Espectro
Ilusiones cromáticas
1
La Visión Humana
Músculo ocular
EL OJO
Esc lerótica
Coroides
Retina
Ligamentos
Suspensores
Fóvea
Iris
Pupila
Cristalino
Humor acuoso
Humor
Vítreo
Córnea
Cuerpo ciliar
Capilares
retinales
Conjuntiva
Nervio óptic o
Óptica del ojo humano
h. acuoso
borde de la córnea
córnea
43 dioptrías
cristalino (aire)
19 dioptrías
1,67 mm
5,55 mm
22,22 mm
n=1,33
h. vítreo
parámetros ópticos
de un ojo humano normal
(58,6 dioptrías)
ojo reducido
equivalente óptico
ncórnea= 1,3376
nh.acuoso= 1,336
ncristalino= 1,386-1,406
,
,
nh.vítreo= 1,337
El ojo detecta señales luminosas con luminancias
que pueden variar 12 órdenes de magnitud,
magnitud
desde sol fuerte sobre una superficie blanca
(105-106 cd/m2) hasta noche estrellada sin luna
(10-5-10-6 cd/m2). Para ello dispone de dos tipos
de receptores con distinta sensibilidad
2
Aberración cromática
El color rojo suele verse
El color rojo suele verse
El color rojo suele verse
El color rojo suele verse
El color rojo suele verse
más próximo. El color azul suele alejar los objetos.
más próximo. El color azul suele alejar los objetos.
más próximo. El color azul suele alejar los objetos.
más próximo. El color azul suele alejar los objetos.
más próximo. El color azul suele alejar los objetos.
Distribución en retina
temporal
nasal
3
La Retina
Fóvea y fovea centralis
Conos y
Bastones
Horizontales
Bipolares
Amacrinas
Gangliones
Tamaño relativo y número de
conos
LUZ
Rasgos detectables en retina
y parcialmente...
bordes
líneas
curvas
vértices
posición
espaciados
uniformes
manchas
orientación
movimientos:
dirección y velocidad
4
Conos y Bastones
Conos Æ Visión fotópica
Bastones Æ Visión escotópica
• Alta luminosidad (visión diurna)
• Baja luminosidad (visión nocturna)
• Tres tipos de conos L-M-S
• Un solo tipo de bastones
• Visión en color. Max. Sens. 555 nm
• Visión en B/N. Max. Sens. 500 nm
• Aprox. 7 millones
• Aprox. 120 millones
• Acumulados en la fóvea
• Distribuidos en toda la retina excepto en la
fóvea
• Alta agudeza (1-2). Resolución ~ 30” de
arco Æ diámetro del cono (2,2 µm)
• Baja agudeza ~ 0,04 (por menor procesado)
• Poca resolución temporal (~25-30 Hz)
• Mejor resolución temporal (parpadeo)
• Visión directa
• Visión lateral
• El ojo se orienta para situar la imagen de interés sobre la fóvea (mayor agudeza en visión
fotópica)
• La retina procesa la información que se envía al cerebro. El nervio óptico tiene ~ 1 M fibras,
que condensan la información de todos los fotorreceptores.
• El iris proporciona un pequeño acomodo a las variaciones de luz ambiente (1:50 aprox.)
• El verdadero mecanismo de regulación (varios órdenes de magnitud) lo proporcionan la
saturación de pigmentos y el doble juego de sensores de que se dispone.
El Sistema Visual
La información sale preprocesada de la
retina, a través de las interconexiones de las
células horizontales, amacrinas y gangliones,
cuyos axones forman el nervio óptico.
Campo visual
Las fibras del nervio óptico se dirigen al
Quiasma, donde se reúnen con las del otro
ojo y se dividen en dos bloques, uno de la
parte nasal y otro temporal.
Quiasma
La mayor parte se dirige seguidamente al
geniculado
lateral,
verdadera
“centralita telefónica” organizada en capas,
que distribuye las conexiones al córtex visual.
Núcleo
Colículo
superior
Núcleo
geniculado
lateral
A otras
partes del
p
Formación córtex
reticular
Núcleo
pulvinar
Córtex visual
El córtex se encarga
g de interpretar
p
la
imagen, especialmente en los niveles más
altos de abstracción. También está dividido
en áreas (17, 18, 19) con diferentes
funcionalidades.
Algunas fibras se encaminan a otras partes
del córtex a través del Colículo superior y de
la Formación reticular Se cree que son
responsables del control sensomotor.
5
Agudeza Visual y Sensibilidad
visto con retinas de granularidad
creciente
Sensibilidad de Contraste:
Agudeza Visual:
Medida del menor
patrón espacial que
puede llegar a verse
Medida de la menor señal de
contraste necesaria para
distinguir un patrón alternante
B/N
Agudeza Visual
Visión
en
fóvea y
visión
lateral
visto con retinas de granularidad
creciente
sobre
invertid
6
-1
Agudeza visual (min )
Agudeza Visual(2)
Inverso de la expansión angular de la imagen
en retina expresada en minutos de arco.
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
16º
8º
Temporal
fóvea
8º
Primer grupo
Av= 1 - 2,5
16º
Nasal
Distancia entre conos en fóvea =
2,0-2,3 um = 25-29"
< 120 conos/º >
< 60 Hz/º
>
Variación en retina
0,6
1,4
1,2
1,0
1,0
0,8
0,6
1,7
0,4
0,2
5,0
Angulo de visiónn (min)
Agudeza visual (m
min-1)
1,6
Hiperagudeza
pe gude
Av= 10 - 20
Hiperagudeza se explica por
un proceso de interpolación
Agudeza mínima por difracción
de la imagen (B/N o N/B)
0
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
Log intensidad en mililamberts
Variación con iluminación
Agudeza mínima visible Av= 120 = 0,5"
Sensibilidad de contraste
Patrones periódicos de frecuencia espacial fija
senoidal
onda cuadrada
senoidal realzado
Sensibilidad d
de contraste
Modulación de intensidad (Contraste):
C = (Imax - Imin)/(Imax+Imin)
Función de transferencia:
H(u) = Cout/Cin
0,5
5
50 ciclos/º
La sensibilidad de contraste varía con la frecuencia espacial. Este hecho es fundamental para explicar
gran número de fenómenos relacionados con la percepción
7
Realce de Bordes
Intensidad real
Escalón
Brillo percibido
Contorno Craik-O'Brien
Intensidad real
Brillo percibido
Brillo inverso
Intensidad real
Brillo perc ibido
El sistema ojocerebro tiende a
acentuar el contraste
entre dos superficies
de diferente
luminosidad con el fin
de destacar los
bordes.
El objetivo final es
separar los
diferentes objetos
contenidos en la
escena, aunque para
ello se necesite
resaltar fronteras
(incluso imaginarlas) o
reconstruir piezas
t
t
Bandas Mach
Las bandas, “inventadas”
por el sistema ojo-cerebro,
realzan los bordes de los
objetos permitiendo una
mejor diferenciación
8
Bandas Mach (2)
Moiré (1)
Patrones formados por elementos simples repetidos con la misma
frecuencia espacial Las acumulaciones de zonas oscuras y claras son reales.
El sistema ojo-cerebro las transforma en barras, trazos y sectores
9
Moiré (2)
Superposición de dos reglas
R
hi
Moiré (3)
Los patrones Moiré
pueden utilizarse para
la detección de
deformidades
minúsculas en
superficies o piezas
CORRECT
A
DEFORMAD
A
10
Contornos subjetivos
Ilusión del sol
Ilusión de figuras geométricas y
curvas creadas por el SOC, reforzadas
con marcas en los vértices
Contornos subjetivos (letras)
ESTE SE VE
11
Reconstrucción de formas
Lo que se deduce...
Lo que se ve...
Prresentación “clásica””
Variación sinusoidal de intens
sidad
Contraste simultáneo
12
Objetos transparentes
B
A
El ojo calcula la transmisión
correspondiente, y si coincide
supone que es transparente
Cuando existe borde se requiere
que éste sea predecible, con
continuidad al menos en A y B.
Decisión de nivel alto, que posiblemente se apoya en experiencias adquiridas.
Procesado paralelo
Asociación de objetos orientados
13
Ilusiones ópticas
Las trece ilusiones más comunes se agrupan en dos categorías:
las basadas en comparación de tamaños y las basadas en forma y dirección
Zo
oellner y
ca
afewall
Ilusiones ópticas (2)
Retículas de Hermann
14
IIlusiones ópticas
s (3)
Modelo multicanal
Los modelos multicanal presuponen que el SOC dispone
de un “analizador de espectros” y puede extraer
información simultánea a distintas frecuencias
espaciales. En este caso se simula con 4 frecuencias, de
1, 2, 4 y 8 ciclos/º, que se suman vectorialmente para
generar la imagen calculada.
Imagen
g
Suma vectorial canales
Canal 1
Cruces p
por cero
Canal 3
Cruces p
por cero
Canal 2
Cruces por cero
Canal 4
Cruces por cero
15
Modelo multicanal
+ Ponzo
Imagen
Canal 1
En uno de los canales al menos,
la diferencia de longitud entre
líneas es real, no ficticia.
Canal 2
Canal 4
Canal 3
Cruces por cero canal 4
Modelo multicanal
+ ilusión del sol
Imagen
Suma vectorial de canales
El círculo destaca en los tres
primeros canales
Canal 1
Canal 2
Canal 3
Canal 4
16
Modelo multicanal
+ MuellerMueller-Lyer
Imagen
Los canales cuatro y tres
condicionan la diferencia de
longitudes en este caso
Canal 1
Canal 2
Canal 3
Canal 4
Modelo multicanal
+ retículas de Hermann
Imagen
Suma vectorial de canales
La suma vectorial es imprecisa
en este caso. El canal 1 es el que
conforma predominantemente
el efecto.
Canal 1
Canal 2
Canal 3
Canal 4
17
W.E. Hill 1915
“Mi mujer y mi suegra”
Ejemplo clásico de figura
ambigua que puede interpretarse
en dos estados estables. No se
trata de una ilusión óptica, sino
de una abstracción de alto nivel.
Sandro del Prete
18
Visión Estereoscópica
2 ojos
Plano horizontal
Cálculo de tamaños
Cálculo de distancias
Visión Estereoscópica (2)
La imagen de cada ojo se divide
horizontalmente en dos partes,
nasal y temporal.
Al córtex visual del hemisferio
derecho llega la parte nasal del
ojo izquierdo y la parte temporal
del ojo derecho.
Al córtex visual del hemisferio
izquierdo llega la parte temporal
del ojo izquierdo y la parte nasal
del ojo derecho.
19
Estereopsis: Cálculo de distancias (1)
A distancias cortas (hasta 10-20m):
A distancias mayores:
paralaje y ocultación Æ 3D verdadero
tamaño y experiencia Æ 3D ficticio
Pa rala je
Oculta ción
Conocida la distancia, se calcula
el tamaño del objeto
Conocida la distancia o el tamaño,
se calcula el otro parámetro
Estereopsis: Cálculo de distancias (2)
Objetos iguales se juzgan
por apertura angular. Las
diferencias se atribuyen
a distancia
Objetos distintos con la
misma apertura se
califican si son conocidos
en sí o en sus detalles
Cuando el tamaño del objeto es
desconocido o muy
y variable,, el
cálculo de distancias es imposible
...excepto si se compara con algo conocido
20
El efecto juguete
Los objetos conocidos determinan
distintos planos ...
… mientras exista línea visual de
horizonte. Si no hay línea visual,
los tamaños varían notoriamente
Percepción del firmamento
Ilusiones 3D
Por semejanza de motivos
(falso horizonte)
Por degradado de color
(iluminación selectiva)
Por orientación de la fuente
luminosa
21
Ilusiones 3D (2)
La percepción cóncavo-convexo depende de la iluminación. Si se invierte el dibujo se invierte el efecto.
Ilusiones 3D
Homenaje a M.C. Escher
22
380 nm
nm
violeta
azul
verde
amarillo
naranja
Colo
ores y espectro v
visible
UV
rojo
770 nm
IR
Visión fotópica y escotópica
Sensibilidad relativa
bastones
conos
conos
Longitud de onda (nm)
Los conos (llamados) RGB absorben en diferentes zonas del espectro y
proporcionan la visión en color.
Durante el día sólo funcionan los conos; los bastones están saturados:
VISIÓN FOTÓPICA Æalta luminancia (hasta 105-106 cd/m2)
Durante la noche sólo funcionan los bastones; los conos no son
suficientemente sensibles. Se pierde el color y se ve en blanco y negro:
VISIÓN ESCOTÓPICAÆbaja luminancia (hasta 10-5-10-6 cd/m2)
23
Procesado del Color
Acromático
(luminancia)
Amarillo — Azul
Rojo — Verde
Las señales luminosas captadas por los conos se procesan para obtener
datos de luminancia (R+G) y crominancia (diferencia de señales)
Colores Aditivos y Sustractivos (1)
Colores Primarios:
Colores Primarios:
Rojo (R) Verde (G) Azul (B)
RGB
Ciano (C) Magenta (M)
Amarillo (Y) y (opcional) Negro
(K) CMYK
Mezcla de todos: BLANCO
Mezcla de todos: NEGRO
24
Generación de color
Soportes
emisivos
(televisión)
Luces RGB producen la imagen por
emisión desde un
fondo originalmente
negro
Generación de color (2)
Soportes no emisivos (imprenta)
Tintas CMY producen
d
l imagen
la
i
por sustracción
t
ió
desde un fondo originalmente blanco. La mezcla
de las tres tintas primarias no suele bastar para
conseguir buen contraste (buenos negros). Por
ello se añade un cuarto color (negro). El
conjunto se llama CMYK o cuatricomía.
25
El Color Instrumental
Cubo RGB
Para evaluar el color producido por un dispositivo (por
ejemplo, una CRT) se emplean sistemas de representación
ortogonales de tres colores...
…siendo el Diagrama CIE de cromaticidad el más conocido.
El Color Perceptual
Brillo
Pero el ojo no ve colores
de ese modo, sino más
bien por opuestos, por
lo que conviene emplear
otros sistemas como el
octaedro propuesto por
Eward Hering...
Saturación
Tono
26
El Color Perceptual (2)
El conjunto formaría un cilindro macizo, cuya altura sería el
brillo, estando los colores saturados en la superficie, los menos
saturados en el interior, y los grises en el eje.
El Color Perceptual (3)
…pero no todos los colores son posibles (solo hay un blanco, los
amarillos oscuros no existen, los azules claros no están saturados...
El conjunto de colores posibles constituye el árbol de Munsell
27
Colores Aditivos y Sustractivos (2)
En ADICIÓN el ojo
j ve luz amarilla:
En
EnSUSTRACCIÓN el ojo
j ve color amarillo:
Cuando se ilumina con luz amarilla
Cuando se elimina el color violeta
Cuando se ilumina con luces roja,
amarilla y verde (o roja y verde solas,
no necesito amarillo)
Cuando se eliminan los colores azul,
violeta y rojo
Cuando se ilumina con luces magenta,
roja, amarilla, verde y ciano
Cuando se eliminan todos los colores
menos el amarillo
Colores y Espectro (1)
28
Colores y Espectro (2)
Colores y Espectro (3)
29
Colores y Espectro (4)
Colores y Espectro (5)
30
Colores y Espectro (6)
Colores y Espectro (7)
31
Se atribuye a la inhibición lateral, al
incrementar los gradientes. Además se cree
que contribuye la luz residual en retina
Contras
ste simultáneo en colo
or
Ilusiones cromáticas (1)
Ilusiones cromáticas (2)
Inducción de tonalidad
32
Ilusiones cromáticas (3)
Ilusiones cromáticas (4)
33
Ilusiones cromáticas (5)
El sistema ojo-cerebro filtra la información de
color, realizando abstracciones que no tienen nada
que ver con las componentes espectrales
34