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Guido Stolfi 1 / 108
LCSE P U S P
Percepção Visual
PTC2547 – Princípios de Televisão Digital
Guido Stolfi – 8/2017
Guido Stolfi 2 / 108
LCSE P U S PTópicos Abordados
Elementos de Neurologia: impulsos nervosos
Fisiologia do Olho Humano
Características da Visão
Mecanismo da formação da imagem
Percepção de Intensidade e Fator Gama
Resolução Espacial
Resolução Temporal e Cintilação
Percepção de Movimento
Percepção de Distância
Ilusões Ópticas
Guido Stolfi 3 / 108
LCSE P U S PEstrutura do Olho Humano
Guido Stolfi 4 / 108
LCSE P U S PEstrutura da Retina
Guido Stolfi 5 / 108
LCSE P U S PCaracterísticas da Retina
• 7.000.000 de Cones – células sensíveis à intensidade e à cor (visão Fotópica)
• 130.000.000 de Bastonetes – sensíveis apenas à intensidade (Visão Escotópica)
• 1.000.000 de fibras nervosas no Nervo Óptico
• Fisiologicamente, é uma extensão do córtex cerebral
Guido Stolfi 6 / 108
LCSE P U S PCaracterísticas da Fóvea
• Área central da retina (~2 mm2), responsável pela Visão Central
• Abrange ângulo visual de ~2 graus
• Resolução Angular para Luminância: 1 a 2 minutos de grau (1 a 2 mm x 3 metros)
• Resolução Angular para Crominância: 5 a 10 minutos de grau
• Frequência Crítica de Cintilação: 40 a 85 Hz
Guido Stolfi 7 / 108
LCSE P U S P
Elementos de Neurologia
Guido Stolfi 8 / 108
LCSE P U S PElementos de Neurologia
• Fibras nervosas transmitem impulsos químicos
• Potencial elétrico é consequência do impulso químico
• Impulsos têm sempre mesma amplitude
• Intensidade do estímulo afeta taxa de repetição dos impulsos
• Cada fibra nervosa transmite apenas uma qualidade de estímulo
Guido Stolfi 9 / 108
LCSE P U S PPropagação do Impulso Nervoso
Na+
K+
Na+
Na+
Na+ Na+
Na+
Na+
Na+
K+
K+K+K+
K+Fibra em repouso:Potencial de –75 mV
Na+
K+Na+
Na+
Na+ Na+
Na+
Na+
Na+
K+
K+K+K+
K+
Início do impulso (Paredes da fibra permitem ingresso de Sódio):Potencial de Ação de + 55 mV
Guido Stolfi 10 / 108
LCSE P U S PPropagação do Impulso Nervoso
Propagação (paredes da fibra tornam-se permeáveis ao potássio):Potencial retorna a –70 mV
Fim do impulso (paredes tornam-seimpermeáveis): Potencial de polarização – 70 mV
Na+
K+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
K+
K+K+
K+
K+
Na+
K+
Na+
Na+
Na+ Na+Na+
Na+
Na+K+
K+
K+
K+
K+
Guido Stolfi 11 / 108
LCSE P U S PPropagação do Impulso Nervoso
Bomba Sódio-Potássio entra em ação (período refratário): Potencial de –70 mV
Na+
K+
Na+
Na+
Na+ Na+Na+
Na+
Na+ K+
K+
K+
K+
K+
Na+
K+
Na+
Na+
Na+ Na+
Na+
Na+
Na+
K+
K+K+K+
K+ Fibra em repouso:Potencial de –75 mV
Guido Stolfi 12 / 108
LCSE P U S PModelo de um Elemento de Fibra Nervosa
I(K) I(Na)
Exterior
Interior
g(K) = 20 g(Na)0 = 4 g(Cl) g(Na)P = 500 g(Na)0
Guido Stolfi 13 / 108
LCSE P U S PImpulsos Nervosos em Células Sensoriais
E = 1000
E = 10
E = 0
T
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LCSE P U S PPercepção de Diferenças de Intensidade
log T
P
E = 0E = 1000100102
Guido Stolfi 15 / 108
LCSE P U S PTipos de Fibras no Nervo Óptico
Estímulo Luminoso
Células “ON”
Células “OFF”
Células “ON-OFF”
Guido Stolfi 16 / 108
LCSE P U S P
Fisiologia do Olho Humano
Guido Stolfi 17 / 108
LCSE P U S PRetina Ocular
Guido Stolfi 18 / 108
LCSE P U S PEstrutura da Retina
Guido Stolfi 19 / 108
LCSE P U S PDistribuição das Células na Retina
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80Ângulo em relação à Fóvea
Bastonetes
ConesPonto Cego
Célu
las p
or
mm
2
x 1000
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LCSE P U S PPré-processamento da Retina
• Agrupamento: várias células contribuem para uma unidade de percepção (ex.: bastonetes)
• Inibição Lateral: estímulos locais dessensibilizam células vizinhas (filtro passa-altas espacial)
• Inibição temporal: estímulos “ON”, “OFF” (filtro passa-altas temporal)
Guido Stolfi 21 / 108
LCSE P U S PExemplo de Processamento Neuronal
t
1
Gânglio Bipolar
Neurônio
Estímulo
Sinapse Ativa
Sinapse Inibidora
Axônio
Guido Stolfi 22 / 108
LCSE P U S PModelo de Oponentes para Percepção Visual
LogLogLog
ConesVermelhos
ConesConesVerdesAzuis
BrilhoOponente OponenteAzul-Amarelo Vermelho-Verde
RGB
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LCSE P U S PSensibilidade Espectral da Visão
r
g
b R P F dR( ) ( )
G P F dG( ) ( )
B P F dB( ) ( )
Guido Stolfi 24 / 108
LCSE P U S PDistribuição de Cones e Bastonetes
Guido Stolfi 25 / 108
LCSE P U S PDistribuição de Cones e Bastonetes
Guido Stolfi 26 / 108
LCSE P U S PFaixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade
Guido Stolfi 27 / 108
LCSE P U S PAdaptação à Luminosidade
Guido Stolfi 28 / 108
LCSE P U S PSensibilidade da Visão para Diferenças de Cromaticidade
Guido Stolfi 29 / 108
LCSE P U S P
Mecanismo de Construção da Visão
Guido Stolfi 30 / 108
LCSE P U S PMusculatura do Globo Ocular
Guido Stolfi 31 / 108
LCSE P U S PMovimentos Sacádicos
Guido Stolfi 32 / 108
LCSE P U S PMovimentos Sacádicos
Guido Stolfi 33 / 108
LCSE P U S PMovimentos Sacádicos
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LCSE P U S PMecanismo de Formação da Imagem
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
t 50 ms
7
8
45
9
6
10
1
32
Guido Stolfi 35 / 108
LCSE P U S P
Percepção de Intensidade
Guido Stolfi 36 / 108
LCSE P U S PLei de Weber para Percepção Sensorial
Diferença ApenasPerceptível de Brilho
Y
YLei deWeber002. ( )
Y Y+ Y
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LCSE P U S PFração de Weber
0,01
0,1
1
-20 -10 0 10 20
Ln da Luminância (cd/m2)
Fra
ção
de
Web
er
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LCSE P U S PLimiar de Percepção Sensorial
log T
P
100102
Guido Stolfi 39 / 108
LCSE P U S P
Faixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade (Geral e Local)
Guido Stolfi 40 / 108
LCSE P U S P
Sensação de Brilho em Torno de um Ponto de Acomodação
Brilho Aparente
Y Y se Y Y
Y Y caso contrario
n n
n
116 16 0008856
9033
1
3( / ) / .
. ( / )
0
20
40
60
80
100
0 0.5 1
Luminância relativa (Y/Yn)
Bril
ho A
pare
nte
L* = “Lightness”
Guido Stolfi 41 / 108
LCSE P U S PCorreção Gama
Câmera CorretorGama T.R.C
BrilhoAparente
Canal deTransmissão
OY 45.0YV Y V22.OYY
( = 2,2 )
Guido Stolfi 42 / 108
LCSE P U S PEfeito da Não-linearidade do TRC
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Tensão na Grade do TRC
Saí
da
Rela
tiva
Brilho Aparente
Luminância do TRC
Guido Stolfi 43 / 108
LCSE P U S PRuído Aditivo e Correção Gama
= 2,2
= 0
Original
Guido Stolfi 44 / 108
LCSE P U S PExemplo: Sistema sem Correção Gama
Escala uniforme de intensidades aparentes (“Lightness”)
Guido Stolfi 45 / 108
LCSE P U S PExemplo: Sistema sem Correção Gama
Luminância correspondente à escala uniforme
Guido Stolfi 46 / 108
LCSE P U S PExemplo: Sistema sem Correção Gama
Sinal proporcional à Luminância sujeito a ruído aditivo
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LCSE P U S PExemplo: Sistema sem Correção Gama
Percepção visual do sinal sujeito a ruído aditivo
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LCSE P U S PExemplo: Sistema com Correção Gama
Escala uniforme de intensidades aparentes (“Lightness”)
Guido Stolfi 49 / 108
LCSE P U S PExemplo: Sistema com Correção Gama
Sinal proporcional à Luminosidade aparente, com ruído aditivo
Guido Stolfi 50 / 108
LCSE P U S PExemplo: Sistema com Correção Gama
Luminância reconstruída a partir do sinal com ruído
Guido Stolfi 51 / 108
LCSE P U S PExemplo: Sistema com Correção Gama
Percepção visual final do sinal sujeito a ruído aditivo
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LCSE P U S P
Resolução Espacial
Guido Stolfi 53 / 108
LCSE P U S PResolução Espacial da Visão
1
10
100
1000
0,01 0,1 1 10 100Freqüência Espacial (Ciclos/grau)
Luminância
Vermelho-Verde
Azul-Amarelo
Contraste
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LCSE P U S PBandas de Mach
Guido Stolfi 55 / 108
LCSE P U S PCarta de Campbell
Guido Stolfi 56 / 108
LCSE P U S PFrequências Relevantes na Visão
4,2 mm = 1,2 ciclos/grau
1,2 mm = 4,3 ciclos/grau
0,35 mm = 7,5 ciclos/grau
0,15 mm = 17 ciclos/grau
( d = 300 mm )
1,5 mm = 3,5 ciclos/grau
Guido Stolfi 57 / 108
LCSE P U S PFrequências Relevantes na Visão
1
10
100
1000
0,1 1 10 100Frequência Espacial (Ciclos/grau)
Contraste
Linhasde Texto
Caracteres
Elementosgráficos
Guido Stolfi 58 / 108
LCSE P U S P
Resolução Temporal e Cintilação
Guido Stolfi 59 / 108
LCSE P U S PPercepção de Cintilação
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0,01 0,1 1 10 100
Fre
qu
ên
cia
Crí
tic
a (
Hz)
Luminância (nits)
20o (perif.)
20o (central)
1o (central)
1o (perif.)
Guido Stolfi 60 / 108
LCSE P U S PMecanismo de Formação da Imagem
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
7
8
45
9
6
10
1
32
Guido Stolfi 61 / 108
LCSE P U S PSensibilidade à Cintilação de Detalhes
Guido Stolfi 62 / 108
LCSE P U S PDiâmetro da Pupila x Luminosidade Ambiente
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 0.01 0.1 1 10 100 1k 10k 100k
Luminância (nits)
Diâmetro
da Pupila
(mm)
Guido Stolfi 63 / 108
LCSE P U S PLuminância x Cintilação
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
Luminância da Tela (Nits)
Área da Pupila (mm2)
Iluminamento Retinal (Trolands)
Frequência Crítica p/ 10o (Hz)
Frequência Crítica p/ 70o (Hz)
10000 3.14 62800 105.1 119.2
Relação entre Luminância da Tela de Monitores de Vídeo e Frequências Críticas de Cintilação, para 95% da População (ISO/TC159/1987) - Campos de Visão de 10 e 70 graus
Guido Stolfi 64 / 108
LCSE P U S PQuestão Polêmica
• Cintilação de 60 Hz é responsável pelosucesso da Televisão?
Guido Stolfi 65 / 108
LCSE P U S P
Percepção de Movimento
Guido Stolfi 66 / 108
LCSE P U S PPercepção de Movimento
Movimento Retinal– Imagem do objeto se move em relação à retina
– Sujeita às características temporais da visão
– Baixa definição espacial, visão periférica
• Rastreamento Ocular– Olho acompanha a trajetória do objeto
– Sujeita às características espaciais da visão
– Alta definição espacial, visão central
Guido Stolfi 67 / 108
LCSE P U S PMovimento Retinal e Rastreamento Ocular
Guido Stolfi 68 / 108
LCSE P U S PMecanismos de Compensação do Movimento Ocular
-+
- +Comando
motor
Comandomotor
Sensores Informaçãocompensada
Movimento ocular
Informaçãobruta
Guido Stolfi 69 / 108
LCSE P U S P
Percepção de Distância
Guido Stolfi 70 / 108
LCSE P U S PMecanismos de Percepção de Distância
• Foco Ocular (Acomodação)
• Visão Binocular (Disparidade)
• Paralaxe de Movimento
• Fator de Escala
• Texturas
• Saturação
Guido Stolfi 71 / 108
LCSE P U S PFoco Ocular (Acomodação)
• Informação intensa para curtas distâncias (< 1m)
Guido Stolfi 72 / 108
LCSE P U S PVisão Binocular (Disparidade)
• Informação fortíssima para curtas distâncias (dentro do alcance físico); decresce até distâncias médias (< 100 m)
Guido Stolfi 73 / 108
LCSE P U S PParalaxe de Movimento
• Depende da amplitude do movimento; em condições de visualização normal é intensa para distâncias curtas (< 10 m)
Guido Stolfi 74 / 108
LCSE P U S PFator de Escala
• Forte para qualquer distância (centímetros a quilômetros); depende de aprendizado
1m 500m
Guido Stolfi 75 / 108
LCSE P U S PTexturas / Saturação
• Estimativa razoável para distâncias longas (até vários km)
PertoLonge
Muitolonge
Guido Stolfi 76 / 108
LCSE P U S PDiferenças na Percepção de Distâncias
2,5 m
0,5 m
Guido Stolfi 77 / 108
LCSE P U S PCompensação da Distorção de Perspectiva
A B C
Guido Stolfi 78 / 108
LCSE P U S PDistorção de Perspectiva
A B, C
Guido Stolfi 79 / 108
LCSE P U S PQuestão Polêmica
• A Televisão do Futuro será em 3 dimensões?
Guido Stolfi 80 / 108
LCSE P U S PTelevisão 3D
• Hipótese: a disparidade (visão binocular) é o processo fundamental de determinação de distância.
• Método: cada olho recebe uma imagem diferente
• Tecnologias mais comuns:– Óculos e tela com polarização
– Óculos com obturador sequencial sincronizado
– Auto-esteroscopia
Guido Stolfi 81 / 108
LCSE P U S PTelevisão 3D
di
p
x
t
E
D
x
txdp i pd
dtx
i
i
Guido Stolfi 82 / 108
LCSE P U S PTelevisão 3D
x
txdp i
• p = paralaxe na tela da TV
• di = distância interocular (~ 62 mm)
• x = distância do objeto ao observador
• t = distância da tela ao observador
• p = 0 objeto está na distância t (sobre a tela)
• p = di objeto está no infinito
• p < 0 objeto entre a tela e o observador ( x < t )
Guido Stolfi 83 / 108
LCSE P U S PTelevisão 3D
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
0,1 1 10 100
0,1
1
10
100
0,1 1 10 100
Paralaxe p na tela (cm) em função da distância x do objeto(t = 3 m)
Distância percebida x’ (m) em função da distância x do objeto(t = 3 m)
Guido Stolfi 84 / 108
LCSE P U S PTelevisão 3D
Efeito da variação da distância t do observador
Efeito da variação do tamanho da tela (em referência a 50”)
0,1
1
10
100
0,1 1 10 100
50"
30"
80"
0,1
1
10
100
0,1 1 10 100
t = 3m
t = 1,5m
t = 6m
Guido Stolfi 85 / 108
LCSE P U S PTelevisão 3D
• Hipótese revisada: Paralaxe de Movimento é o mecanismo que calibra a percepção de distância
• Métodos que não iludem a Paralaxe de Movimento provocam conflitos perceptuais no cérebro
• 3D no Cinema é aceitável devido à distância entre a tela e o espectador
Guido Stolfi 86 / 108
LCSE P U S PTelevisão 3D
• Método que ilude a Paralaxe de Movimento:
– Multiprojeção em Tela com lentes cilíndricas horizontais
(National Institute of Information and Communication Technology – Kyoto, Jp.)
Guido Stolfi 87 / 108
LCSE P U S PTelevisão 3D
Guido Stolfi 88 / 108
LCSE P U S PTelevisão 3D
• Realidade Virtual:
- Pode iludir paralaxe de movimento (imagens artificiais)
- Não ilude acomodação ocular
- Não precisa iludir visão binocular
- Pode gerar incompatibilidade com percepção física
Guido Stolfi 89 / 108
LCSE P U S PTelevisão 3D
• Televisão e Cinema sempre foram 3D:
– Texturas e Saturação
– Fator de Escala
– Paralaxe de Movimento ( !! )
Guido Stolfi 90 / 108
LCSE P U S PTelevisão 3D
• Técnica primitiva para Cenários
Guido Stolfi 91 / 108
LCSE P U S P
• “Dentro de 3 anos não teremos mais aparelhos de TV, apenas computadores com telas de alta qualidade e programação digital, recebendo ABC, NBC, HBO, BBC e qualquer coisa que pudermos imaginar.”
(Andrew Lippman – Diretor, MIT Media Lab - 1989)
E a Convergência?
Guido Stolfi 92 / 108
LCSE P U S P
• “Display” (Cinescópio, LCD etc.)• Processamento Digital• Som• Controle (“data entry”)
PC x TV Digital: Elementos Comuns
Guido Stolfi 93 / 108
LCSE P U S P
• Televisão: Janela para o mundo
– Imagens reais
– Entretenimento
– Ilusão de realidade
– Receptividade
– Coletividade
– Escuro
• PC: Mesa de Trabalho
– Imagens artificiais
– Leitura / escrita
– Criação / desenho
– Interação
– Interpretação
– Individualidade
– Claro
PC x TV Digital: Elementos Divergentes
Guido Stolfi 94 / 108
LCSE P U S PInteratividade
• Manipulação de Documentos e ideias
• Interatividade, análise e criação de informação textual e visual
• Distâncias e luminâncias uniformes
• Metáfora: Mesa de Trabalho
Guido Stolfi 95 / 108
LCSE P U S PEntretenimento Audiovisual
• Percepção de realidade virtual obtida através da ilusão dos sentidos (visão e audição), por imagens em movimento
• Iluminação reduzida, ausência de referencias espaciais
• Metáfora: Janela para o Mundo
Guido Stolfi 96 / 108
LCSE P U S P
Ilusões Ópticas
Guido Stolfi 97 / 108
LCSE P U S PIlusões Ópticas (Visuais)
• Quando a percepção entra em contradição com a realidade física
• Estudo dos mecanismos da percepção visual
• Ilusões fisiológicas (intrínsecas) e cognitivas (culturais)
• Teste de hipóteses
Guido Stolfi 98 / 108
LCSE P U S PIrregularidades do Campo Visual
Guido Stolfi 99 / 108
LCSE P U S P
Guido Stolfi 100 / 108
LCSE P U S PIlusão de Muller-Lyers
Guido Stolfi 101 / 108
LCSE P U S PIlusão de Muller-Lyers
Guido Stolfi 102 / 108
LCSE P U S PMesas de Shepard
Guido Stolfi 103 / 108
LCSE P U S PJustificativa da Ilusão de Muller-Lyers
Guido Stolfi 104 / 108
LCSE P U S PCultura “Circular”
Guido Stolfi 105 / 108
LCSE P U S P
Guido Stolfi 106 / 108
LCSE P U S P
Guido Stolfi 107 / 108
LCSE P U S P
Verde
Vermelho
Preto
Branco
Marrom
Azul
Amarelo
Roxo
Guido Stolfi 108 / 108
LCSE P U S P
Guido Stolfi 109 / 108
LCSE P U S P