1 sistema visual humano e percepção joaquim macedo departamento de informática da universidade do...

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Sistema Visual Humano e Percepção

Joaquim MacedoDepartamento de Informática da Universidade do Minho

2

Sumário Introdução Sistema Visual Humano Representação da Cor Propriedades Temporais da Visão

3

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

6

Detecção de objecto

)(L

)(I

)().()( LI

7

Detecção do objecto

Fonte

SuperfícieProduto

8

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

9

Sistema Visual Humano

10

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

21

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

24

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

26

Função de Transferência de Modulação

Preto

Branco

27

Sensibilidade à Frequência

28

Resposta à frequência do olho

29

Resposta à frequência 2D

30

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

31

Efeito de mach band

Actual brightness

Perceived by you

32

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

33

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

36

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

- +

+ -

40

Cor ou tonalidade

É o atributo mais estreitamente relacionado com o estímulo docomprimento de onda.Diferentes cores têm tonalidades diferentes.

41

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

43

Representação da CorBrilho versus Saturação

Brilho

Saturação

44

Representação da CorTonalidade versus Saturação

Disco da Cordá informação sobrea cor e a saturação

45

Espaço de CoresRepresentação Perceptual

46

Saturation

Hue

Brightness

Saturation

Hue

Brightness

Espaço de CoresRepresentação Perceptual

47

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

48

Espectro de absorçãoPara os 3 tipos de cones

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

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?

51

Unificação de cores

52

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)

55

Curvas dos três estímulos

56

Curvas de três estímulos

57

Espaço de cores CIE

58

Diagrama de Cromacidade

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

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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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

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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Diagrama de CromacidadePAL e NTSC

x

y

CIE Chromaticity Diagram

x

y

CIE Chromaticity Diagram

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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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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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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)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

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