PERCEPO VISUAL HUMANA Guido Stolfi 04/2008 Televiso Digital

1. Estrutura do Olho Humano primeira vista, a estrutura bsica do olho corresponde a um instrumento ptico simples: como acontece em uma cmara fotogrfica, a imagem real de um objeto observado projetada por uma lente convergente sobre uma superfcie constituda de clulas sensveis luz. Fibras nervosas levariam ento a imagem ao crebro atravs de impulsos eltricos.

Esta descrio simplista, originada das descobertas de Kepler e Descartes relativas fisiologia do globo ocular, mostra-se na realidade muito distante da real dimenso do fenmeno: a percepo visual um processo de reconstruo da realidade exterior, realizado pelo crtex cerebral, a partir de informaes fragmentadas captadas pelos olhos. O estudo deste processo de percepo deve ento considerar em primeiro lugar as caractersticas e limitaes do olho, na qualidade de um sensor ptico peculiar.

A figura ao lado apresenta uma seo horizontal do olho humano. A crnea, em conjunto com o cristalino, forma uma lente que projeta sobre a retina uma imagem real dos objetos visualizados.

Os msculos ciliares ajustam a distncia focal equivalente (entre 14 e 17 mm, aproximadamente), atravs da deformao do cristalino. A ris serve de diafragma, ajustando a nitidez da imagem e a quantidade de luz que entra pela abertura da pupila.

O humor vtreo uma soluo aquosa de protenas, que, alm de prover nutrientes para o cristalino, atua como um filtro, absorvendo luz ultravioleta e infravermelha.

Os olhos so mantidos em constante movimento por meio de um conjunto de msculos (fig. 1.2). Algumas funes destes movimentos so:

Convergncia binocular: focalizar ambos os olhos sobre um mesmo objeto, compondo uma imagem estereoscpica (com percepo de profundidade);

Explorao do campo visual: a observao de detalhes de um ambiente ou imagem feita pela fvea; a imagem projetada na retina deslocada pelos movimentos da cabea e dos globos oculares, de modo que os pontos de interesse da imagem so explorados pela fvea;

Acompanhamento de objetos em movimento: a percepo de movimento envolve tanto a deteco de deslocamentos da imagem projetada sobre a retina (movimento

2

Fig. 1.1 Estrutura do Olho

Percepo Visual 2

retinal) quanto o acompanhamento ocular de um objeto, procurando manter a sua imagem esttica em relao retina (movimento ocular);

Transformao de variaes espaciais em variaes temporais: Uma imagem permanentemente projetada sobre a retina, na mesma posio, desaparece da nossa percepo em pouco tempo. O nosso mecanismo de viso mantm os olhos em constante movimento, de forma a renovar continuamente os estmulos luminosos.

Atravs de pequenos movimentos exploratrios (denominados movimentos sacdicos), o processo visual transforma diferenas espaciais de luminncia em variaes temporais de iluminamento retinal, que provocam o disparo de informaes para o crebro. A maioria das fibras do nervo ptico transmite impulsos disparados apenas por variaes de luminosidade. O crebro reconstri a imagem observada a partir dessas informaes, cancelando nesse processo todas as irregularidades estticas do campo visual ocular, como por exemplo, as sombras projetadas pelos nervos e vasos sangneos na retina. Assim sendo, a composio da cena, ou percepo visual propriamente dita, d-se efetivamente no crebro, a partir de informaes elementares fornecidas pelo olho.

1.1 Retina

A retina uma pelcula constituda de clulas nervosas interligadas; pela sua estrutura e constituio, podemos dizer que uma extenso do crtex cerebral. As clulas receptoras de luz, situadas na parte externa da retina, possuem pigmentos (rodopsina e iodopsina) que, ao absorverem a luz, sofrem uma alterao qumica que dispara impulsos nervosos.

Na retina temos duas classes de clulas sensveis luz:

Cones: Clulas sensveis intensidade e cor (compreendem trs sub-tipos: L, M e S, sensveis respectivamente ao amarelo, verde e azul); so responsveis pela Viso Fotpica, ou viso de luz intensa. Dos cerca de 7.000.000 de cones existentes na retina, metade situam-se na Fvea. Muitos cones so ligados individualmente a terminaes nervosas; seu dimetro varia de 1 a 5 m.

Bastonetes: Clulas sensveis apenas intensidade, responsveis pela Viso Escotpica, ou viso em condies de pouca luz. H cerca de 75 a 150 milhes de bastonetes na retina, mas so praticamente inexistentes na Fvea. Por serem ligados em grupos s terminaes nervosas, formam conjuntos mais sensveis luz do que os Cones, porm com menor capacidade de resoluo de detalhes. A viso escotpica no proporciona sensao de cor.

A figura 1.3 mostra detalhes das terminaes nervosas na retina e suas conexes com os cones e bastonetes. Os gnglios so interligados entre si lateralmente, atravs de dendritos. Estas ligaes permitem que a retina efetue um pr-processamento da informao visual, afunilando os estmulos provenientes das cerca de 150.000.000 de clulas sensoras para aproximadamente 1.000.000 de fibras contidas no nervo ptico.

Fig. 1.2 - Musculatura do Globo Ocular

Percepo Visual 3

A quantidade de impulsos nervosos disparados pelas clulas sensoras aproximadamente proporcional ao logaritmo do iluminamento retinal. Em mdia, so necessrios no mnimo 5 a 10 ftons para provocar um impulso nervoso, em condies de baixa iluminao.

O processamento efetuado pelos gnglios remove essa proporcionalidade: a maioria das fibras do nervo ptico transporta informaes de variao relativa de luminosidade. Algumas fibras disparam impulsos ao detectarem aumento de luz; outras sinalizam diminuio de luz; outras ainda sinalizam as duas situaes. Poucas fibras transportam impulsos proporcionais luminosidade esttica.

1.2 Fvea

A Fvea uma regio especializada da retina, com rea aproximada de 1,5 mm2, subentendendo um ngulo de viso transverso de cerca de 2 graus. Dentro desta regio temos a Viso Central, predominantemente Fotpica, com resoluo de detalhes de luminosidade de cerca de 1 a 2 minutos de grau (correspondendo a detalhes de 1 a 2 mm a uma distncia de 3m).

A resoluo de detalhes de cor (ou crominncia), no entanto, de apenas de 5 a 10 minutos de grau. Fora da fvea, temos a regio de Viso Perifrica, que se caracteriza por menor resoluo espacial, pouca percepo de cor e maior sensibilidade luz e movimento.

Na Figura 1.4 temos a distribuio aproximada das clulas (Cones e Bastonetes) em funo da distncia angular, medida em relao fvea. O Ponto Cego corresponde regio de entrada do nervo ptico no olho, onde no h clulas receptoras.

+

Visualizao do Ponto Cego

O ponto cego ocupa uma regio de at 4 graus de extenso no nosso campo visual. O fato de que no percebemos sua existncia, em situaes normais, mostra que o crebro constri a percepo do campo visual atravs do processamento de informaes ativas (impulsos nervosos) enviadas pela retina. A ausncia de informao no significa ausncia de luz na imagem.

Fig. 1.3 - Estrutura da Retina

Percepo Visual 4

020406080

100120140160180

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80ngulo em relao Fvea

Bastonetes

ConesPonto Cego

Cl

ulas

por

mm

2

x 1000

Fig. 1.4 - Distribuio dos Cones e Bastonetes

2. Adaptao Luminosidade e Faixa Dinmica O olho humano pode adaptar-se a uma faixa extensa de nveis de luminosidade, desde sol a pino at a luz das estrelas (Vide figura 2.1). Desde o limite inferior da viso escotpica at o limite de ofuscamento, a nossa percepo tolera variaes de luminncia da ordem de 1010 a 1011. O controle da rea de entrada de luz na pupila pela atuao da ris (variando de 3 a 50 mm2 no mximo) no suficiente para explicar a extenso desta faixa dinmica.

Na realidade, quando h iluminao suficiente, a pupila contrai-se de forma a utilizar apenas a rea central do sistema ptico (crnea + cristalino), onde as aberraes so menores; abrindo-se totalmente apenas em condies de baixa luminosidade. O dimetro mnimo de abertura limita a difrao da luz num grau consistente com a resoluo limite na fvea.

Fig. 2.1 - Faixa Dinmica da Percepo Subjetiva da Luminosidade

A maior parte da capacidade de adaptao da viso decorre da mudana de sensibilidade das prprias clulas, devido dissoluo e recomposio do pigmento conforme a luminosidade. Este processo de acomodao no instantneo, e podemos dizer que, uma vez que o olho esteja adaptado a um determinado nvel de intensidade mdia (por exemplo o ponto A na fig. 2.1), a faixa dinmica local reduz-se para algo em torno de 100 a 200 vezes.

Percepo Visual 5

Isto significa que um objeto com luminncia cerca de 20 vezes menor que A percebido como preto (ponto B na fig. 2.1), enquanto que um objeto 5 a 10 vezes mais luminoso que A chega a provocar ofuscamento (ponto C). Este fenmeno permite que sistemas artificiais de reproduo de imagem (fotografia, TV, cinema etc.) reproduzam satisfatoriamente as sensaes subjetivas de claro / escuro, mesmo com relaes de contraste de 1 : 100 apenas.

3. Percepo de Luminosidade A capacidade da viso humana de distinguir diferenas de luminosidade pode ser aproximada pela Lei de Weber, que se baseia em um modelo logartmico da percepo subjetiva de estmulos. Com relao a dois estmulos de luminncia Y e Y+Y, para os quais a diferena de brilho apenas perceptvel, temos:

Y Y+ Y

Diferena Apenas Perceptvel de Brilho

Y

YLei de Weber0 02. ( )

A figura 3.1 mostra um grfico da amplitude relativa de luminncia correspondente a uma diferena apenas perceptvel de brilho (denominada Frao de Weber) em funo do nvel mdio de luminncia Y. Dentro de uma faixa aprecivel da viso fotpica, esta frao vale aproximadamente 0,02.

Por outro lado, para um sistema de reproduo de imagens vale a situao restrita da curva B A C da figura 2.1, uma vez que no objetivo de nenhum processo reproduzir a luminosidade absoluta de uma cena, e sim apenas a faixa dinmica correspondente em torno do ponto de acomodao. Para essa situao, a resposta subjetiva de brilho luminncia (denominada Ligtness), determinada experimentalmente pela CIE (Comission Internationale de l'Eclairage), pode ser aproximada pela expresso abaixo (vide grfico na fig. 3.2):

Brilho AparenteY Y se Y Y

Y Y caso contrario

n n

n

= >

116 16 0 008856

9033

13( / ) / .

. ( / )

Onde Yn = Referncia de Branco (Brilho mximo)

Percepo Visual 6

00.10.20.30.40.50.60.70.8

-20 -10 0 10 20Ln da Luminncia (cd/m2)

Fra

o d

e W

eber

Fig. 3.1 - Sensibilidade para variaes de luminncia

020406080

100

0 0.5 1

Luminncia relativa (Y/Yn)

Bril

ho A

pare

nte

Fig. 3.2 - Percepo de Brilho em torno de um ponto de acomodao

3.1 Correo Gama

Em um sistema de TV interessante transmitir a informao na forma de um sinal proporcional ao brilho aparente, e no luminncia real, para que o efeito de um eventual rudo aditivo seja percebido com intensidade uniforme para todos os nveis de luminosidade.

Por outro lado, no receptor, temos que considerar ainda a relao no-linear entre a tenso de controle e a luminosidade resultante na tela de um cinescpio (TRC- Tubo de Raios Catdicos) tpico. Esta relao da forma VkY = onde geralmente assume valor igual a 2,2. Considerando a curva da fig. 3.2 aplicada sobre a curva de luminosidade do TRC, obtemos uma relao quase linear entre tenso aplicada e percepo de brilho aparente (ver fig. 3.3).

Considerando essa caracterstica quase complementar, adota-se ento uma correo da forma

1

OkBV = onde V o sinal a ser transmitido e B0 o sinal de entrada, proporcional luminncia da imagem (como fornecido por uma cmara).

Esta converso (denominada Correo Gama) compensa aproximadamente a no-linearidade conjunta do cinescpio e da percepo visual, fazendo com que o sinal transmitido seja praticamente proporcional sensao subjetiva de luminosidade, garantindo no receptor uma sensao de brilho B aproximadamente igual ao brilho original B0 da imagem.

A caracterstica complementar entre a luminncia do TRC e a percepo subjetiva de brilho uma coincidncia, restrita a esta categoria de dispositivos de exibio de imagem. No se aplica, por exemplo, para visores de cristal lquido, LEDs e outras famlias de dispositivos de visualizao. Nestes casos, necessrio simular esta caracterstica artificialmente para manter a proporcionalidade entre o sinal transmitido e a luminosidade aparente.

0102030405060708090

100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Tenso na Grade do TRC

Sad

a R

elat

iva

Brilho Aparente

Luminncia do TRC

Fig. 3.3 - Brilho aparente e luminncia de um Tubo de

Raios Catdicos

Percepo Visual 7

Cmera CorretorGama T.R.C

BrilhoAparente

Canal deTransmisso

Fig. 3.4 - Correo Gama

4. Resoluo Visual A capacidade de resoluo de detalhes espaciais da viso humana pode ser medida por experimentos que avaliam a percepo de contraste (claro/escuro) na visualizao de padres de linhas alternadas. Um destes experimentos a Carta de Campbell (fig. 4.3). Conforme a largura de cada par de linhas e a distncia ao observador, estes padres representam estmulos com uma determinada freqncia espacial (que pode ser expressa em ciclos por grau).

A percepo relativa de contraste em funo da freqncia espacial caracteriza a resposta em freqncia da viso; a curva correspondente para um observador padro pode ser vista na figura 4.1. Podemos constatar que a resoluo de crominncia (distino entre tonalidades de cor com mesma luminosidade aparente) muito menor que a resoluo de luminncia (contraste claro/escuro). O "pico" na resposta em freqncia da luminncia, em torno de 3 a 4 ciclos por grau, evidencia uma maior sensibilidade para variaes locais de luminosidade.

Dois mecanismos de processamento neuronal, realizados pela retina, explicam certas caractersticas da resposta em freqncia da viso:

inibio lateral: uma clula receptora que estiver fortemente iluminada provoca a inibio da resposta das clulas vizinhas, atravs das interconexes horizontais entre os gnglios. Este efeito corresponde a um filtro passa-altas, que amplifica a percepo de contornos nas imagens.

campos receptivos: as mesmas interconexes podem atuar, em nveis de luminosidade reduzidos, de forma a agrupar os estmulos provenientes de vrios receptores, aumentando a sensibilidade e a relao sinal/rudo, porm reduzindo a resoluo (equivalente a um filtro passa-baixas).

O efeito da inibio lateral pode ser relacionado com o fenmeno das "Bandas de Mach" (figura 4.2), pelo qual a viso humana parece exagerar a amplitude de transies de luminosidade entre regies homogneas adjacentes (equivalente a um "overshoot" no brilho aparente).

Percepo Visual 8

1

10

100

1000

0.01 0.1 1 10 100Freqncia Espacial (Ciclos/grau)

Luminncia

Vermelho-Verde

Azul-Amarelo

Contraste

Fig. 4.1 - Resoluo espacial da viso humana

Fig. 4.2 - Bandas de Mach

Percepo Visual 9

Fig. 4.3 Carta de Campbell

5. Resoluo Temporal e Cintilao Outro aspecto importante da viso, relevante em Televiso e Cinema, refere-se Freqncia Crtica de Cintilao, definida como aquela acima da qual no mais perceptvel a presena de modulao na luminncia de uma imagem. Dependendo das condies de iluminao, do campo da viso (perifrica ou central), do ngulo aparente do objeto sujeito cintilao, e do prprio indivduo, esta freqncia varia de 15 a 100 Hz aproximadamente. Na figura 5.1 temos a freqncia crtica apresentada em funo da luminncia mdia, para objetos pequenos (1 grau) e grandes (20 graus), para viso central e perifrica. Na figura 5.2, vemos a sensibilidade cintilao de texturas em funo da dimenso dos detalhes (freqncia espacial).

Percepo Visual 10

Fig. 5.1 - Percepo de Cintilao Fig. 5.2 - Sensibilidade Cintilao de Detalhes

012345678

0 0.1 10 1k 100kLuminncia (nits)

Dimetro da Pupila

(mm)

Fig. 5.3 Dimetro da Pupila em funo da luminncia ambiente

A tabela 5.1 apresenta a relao entre a luminncia da tela de monitores de vdeo e as correspondentes freqncias crticas de cintilao, vlidas para 95% da populao (ISO/TC159/1987), para campos de viso de 10 e 70 graus. Para os nveis de luminncia tpicos de telas de TV, a freqncia crtica chega a ser da ordem de 70 Hz. As variaes nos limites devem-se ao fato de que o dimetro da pupila varia de um indivduo para outro, especialmente para nveis de luminncia abaixo de 1000 nits (vide figura 5.3).

A freqncia crtica de cintilao est relacionada com o tempo necessrio para que o crebro avalie a quantidade mdia de impulsos nervosos disparados pelas clulas da retina, de forma a medir a luminosidade da imagem observada.

Percepo Visual 11

Luminncia da Tela (Nits)

rea da Pupila (mm2)

Iluminamento Retinal

(Trolands)

Freqncia Crtica p/ 10o

(Hz)

Freqncia Crtica p/ 70o

(Hz) 10 10.75 19.63 215 392 48.4 54.4 60.6 66.9 30 9.08 15.21 544 912 57.6 62.8 70.2 75.5

100 8.04 11.34 1608 2268 68.9 71.9 81.8 84.9 300 7.07 9.62 4242 5772 78.2 81.3 91.4 94.6

1000 6.16 12320 88.9 102.4 3000 4.52 27120 96.7 110.5 10000 3.14 62800 105.1 119.2

Tabela 5.1 - Relao entre Luminncia da Tela de Monitores de Vdeo e Freqncias Crticas de Cintilao, para 95% da Populao (ISO/TC159/1987) - Campos de Viso de 10 e 70 graus

6. Percepo de Movimento Dois mecanismos independentes so responsveis pela percepo de movimento:

Movimento retinal: um objeto em movimento em relao ao ponto de viso projeta uma imagem que se desloca sobre a retina. Os receptores sensveis a variaes de luminosidade enviam sinais ao crebro, que processa estas informaes, extraindo a direo, tamanho e contornos do objeto a partir da correlao desses estmulos; porm proporcionando baixa resoluo de detalhes. Este processo particularmente importante na viso perifrica.

Movimento ocular : atravs do movimento conjunto da cabea e do globo ocular, sob comandos do crebro, a viso percebe caractersticas de movimento de um objeto sendo acompanhado pela fvea. Ou seja, sua imagem, projetada na retina, permanece estacionria, excetuando-se os movimentos sacdicos superpostos ao movimento mdio do objeto. Nestas condies, as caractersticas de resoluo espacial da viso so mantidas, apesar do movimento.

7. Percepo de Distncia Vrios mecanismos, cada um ativo dentro de uma certa faixa de alcance, contribuem para que a viso humana determine distncias na visualizao de objetos:

Focalizao do cristalino: fornece informao intensa para curtas distncias (menos de 1 metro);

Convergncia binocular: informao fortssima para curtas distncias, com resoluo da ordem de milmetros dentro do alcance fsico; decresce at distncias mdias (~100 m);

Paralaxe de movimento: depende da velocidade e extenso do movimento; em condies de visualizao normal, com o observador parado, intensa para distncias curtas (alguns metros)

Fator de escala de objetos conhecidos: fornece estimativa forte para qualquer distncia (centmetros a quilmetros), porm depende de aprendizado;

Texturas e contraste: variaes em texturas, saturao de cores e contraste da imagem fornecem estimativas razoveis para grandes distncias (quilmetros).

Percepo Visual 12

A consistncia das informaes proporcionadas por todos esses mecanismos, simultaneamente, determina a intensidade da iluso de realidade que pode ser produzida por um sistema de visualizao. Por exemplo, objetos distantes representados em uma fotografia, examinada a

curta distncia, no so aceitos como reais, uma vez que a convergncia, focalizao e paralaxe identificam claramente os objetos como sendo prximos, enquanto que o fator de escala e as texturas representadas correspondem a objetos distantes. Essas informaes conflitantes levam o crebro a rejeitar a percepo da existncia de objetos distantes na fotografia, destruindo a iluso de realidade. A mesma foto, porm, ampliada e observada a uma distncia maior, pode dar melhor impresso de realidade, mesmo que os objetos subentendam o mesmo ngulo visual (figura 7.1).

Percebe-se que necessria uma tela de grandes dimenses para proporcionar iluso convincente de profundidade para o observador.

8. Iluses pticas Algumas imagens so interpretadas de forma paradoxal pela nossa viso; so as chamadas iluses pticas. Mais do que simples curiosidades, elas nos do pistas sobre o funcionamento dos processos de percepo visual que ocorrem no crebro.

A iluso de Muller-Lyers (fig. 8.1) pode ser explicada pelo fato de que a nossa viso interpreta a figura da esquerda como a aresta interior formada por duas paredes, cho e teto; enquanto a figura da direita seria a aresta frontal de um paraleleppedo. A nossa viso procura corrigir a dimenso percebida, considerando que a proximidade afeta a dimenso aparente de um objeto (ab = cd na figura 8.3). O mesmo efeito ocorre na iluso das Mesas de Shepard (fig. 8.2).

Fig. 8.1 Iluso de Muller-Lyers

(as duas linhas verticais so iguais)

Fig. 8.2 Mesas de Shepard (os dois tampos so iguais)

Fig. 7.1 Diferenas de Percepo de Distncias

Percepo Visual 13

Fig. 8.3 Justificativa da Iluso de Muller-Lyers

9. Bibliografia e Referncias Colour Television - S. V. Novakovsy - MIR, 1975

Digital Image Processing - Rafael C. Gonzales, Richard E. Woods - Addison Wesley, 1992

Eye and Brain: The Psychology of Seeing - Richard L. Gregory - Princeton University Press, 1997 (Fig. 1.2)

MPEG Video Compression Standard - John Mitchell et al. - Chapman & Hall, 1996 (Fig. 5.1, 5.2)

Television Engineering Handbook - K. Blair Benson, ed. - Mc Graw-Hill, 1985

Understanding Digital TV - Brian Evans - IEEE Press, 1995

Video Engineering - Andrew F. Inglis, Arch C. Luther - Mc Graw-Hill, 1996

Visual Intelligence - Donald D. Hoffman - W. W. Norton, 1998

Standard Handbook for Electrical Engineers - Donald G. Fink, H. Wayne Beaty, ed. - Mc Graw-Hill, 1993

The Science of Illusions Jacques Ninio Cornell University Press, 2001 (Fig. 8.2, 8.3)