Visión Visión Humana Retina Mecanismo de la visión Agudeza y Sensibilidad

Transcripción

1 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 Visión Visión Humana Retina Mecanismo de la visión 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 EL OJO 1

2 La Visión Humana Músculo ocular Esc le rótic a EL OJO Coroides Re tina Fóvea Hum or Vítreo Lig am entos Susp enso re s Iris Pup ila Cristalino Humor acuoso Córnea Cuerpo ciliar Nervio óptico Capilares retinales Conjuntiva córnea 43 dioptrías h. acuoso Óptica del ojo humano cristalino (aire) 19 dioptrías borde de la córnea 5,55 mm h. vítreo n=1,33 22,22 mm 1,67 mm parámetros ópticos de un ojo humano normal (58,6 dioptrías) n córnea= 1,3376 n h.acuoso= 1,336 n cristalino= 1,386-1,406, n h.vítreo= 1,337 ojo reducido equivalente óptico El ojo detecta señales luminosas con luminancias que pueden variar 12 órdenes de magnitud, desde sol fuerte sobre una superficie blanca ( cd/m 2 ) hasta noche estrellada sin luna ( cd/m 2 ). Para ello dispone de dos tipos de receptores con distinta sensibilidad 2

3 Aberración cromática El color rojo suele verse más próximo. El color azul suele alejar los objetos. El color rojo suele verse más próximo. El color azul suele alejar los objetos. El color rojo suele verse más próximo. El color azul suele alejar los objetos. El color rojo suele verse más próximo. El color azul suele alejar los objetos. El color rojo suele verse más próximo. El color azul suele alejar los objetos. Distribución en retina temporal nasal 3

4 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

5 Conos Visión fotópica Alta luminosidad (visión diurna) Tres tipos de conos L-M-S Visión en color. Max. Sens. 555 nm Aprox. 7 millones Acumulados en la fóvea Alta agudeza (1-2). Resolución ~ 30 de arco diámetro del cono (2,2 µm) Poca resolución temporal (~25-30 Hz) Visión directa Conos y Bastones Bastones Visión escotópica Baja luminosidad (visión nocturna) Un solo tipo de bastones Visión en B/N. Max. Sens. 500 nm Aprox. 120 millones Distribuidos en toda la retina excepto en la fóvea Baja agudeza ~ 0,04 (por menor procesado) Mejor resolución temporal (parpadeo) 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. Quiasma Formación reticular A otras partes del córtex Colículo superior Núcleo geniculado lateral El Sistema Visual Campo 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. 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 yotrotemporal. Núcleo pulvinar Córtex visual La mayor parte se dirige seguidamente al Núcleo geniculado lateral, verdadera centralita telefónica organizada en capas, que distribuye las conexiones al córtex visual. El córtex se encarga de interpretar 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 yde la Formación reticular Se cree que son responsables del control sensomotor. 5

6 Agudeza Visual y Sensibilidad visto con retinas de granularidad creciente Agudeza Visual: Sensibilidad de Contraste: Medida del menor Medida de la menor señal de patrón espacial que contraste necesaria para puede llegar a verse distinguir un patrón alternante B/N Agudeza Visual Visión en fóvea y visión lateral visto con retinas de granularidad creciente sobre invertid 6

7 Agudeza Visual(2) Inverso de la expansión angular de la imagen en retina expresada en minutos de arco. -1 udeza visual (min ) Ag 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4-1 Agudeza visual (m min ) 1,4 1,2 0,2 16º 8º fóvea 8º 16º Temporal Nasal Variación en retina 1,6 0,6 1,0 1,0 0,8 0,6 1,7 0,4 0,2 5, Log intensidad en mililamberts Variación con iluminación n (min) Angulo de visión Primer grupo A v= 1-2,5 Agudeza mínima visible A v= 120 = 0,5" Hiperagudeza A= v Hiperagudeza se explica por un proceso de interpolación Distancia entre conos en fóvea = 2,0-2,3 um = 25-29" <> 120 conos/º <> 60 Hz/º Agudeza mínima por difracción de la imagen (B/N o N/B) Sensibilidad de contraste Patrones periódicos de frecuencia espacial fija Sensibilidad de contraste senoidal senoidal realzado onda cuadrada Modulación de intensidad (Contraste): C = (Imax - Imin)/(Imax+Imin) Función de transferencia: H(u) = Cout/Cin 0, 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

8 Realce de Bordes Esc a ló n Contorno Craik-O'Brien Brillo inverso Intensidad real Brillo percibido Intensidad real Brillo percibido Intensidad real Brillo percibido 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

9 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

10 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

11 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

12 Reconstrucción de formas Lo que se ve... Lo que se deduce... Contraste simultáneo Variació n sinusoidal de intens sidad Pr resentación clásica 12

13 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

14 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 Ilusiones ópticas (2) Zo oellner y ca afewall Retículas de Hermann 14

15 Ilusiones ópticas (3) Imagen Suma vectorial canales 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. Canal 1 Cruces por cero Canal 3 Cruces por cero Canal 2 Cruces por cero Canal 4 Cruces por cero 15

16 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 3 Canal 4 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

17 Modelo multicanal + Mueller-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

18 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

19 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

20 Estereopsis: Cálculo de distancias (1) A distancias cortas (hasta 10-20m): paralaje y ocultación 3D verdadero A distancias mayores: tamaño y experiencia 3D ficticio Pa rala je Ocultación 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 variable, el cálculo de distancias es imposible...excepto si se compara con algo conocido 20

21 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

22 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

23 UV IR 380 nm violeta azul verde amarillo naranja rojo 770 nm visible ores y espectro v Colo Visión fotópica y escotópica bastones conos ad relativa Sensibilid 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 alta luminancia (hasta cd/m 2 ) 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 ESCOTÓPICA baja luminancia (hasta cd/m 2 ) 23

24 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: Rojo (R) Verde (G) Azul (B) RGB Mezcla de todos: BLANCO Colores Primarios: Ciano (C) Magenta (M) Amarillo (Y) y (opcional) Negro (K) CMYK Mezcla de todos: NEGRO 24

25 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 d l i t ió Tintas CMY producen la imagen por sustracción 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

26 El Color Instrumental Para evaluar el color producido por un dispositivo (por ejemplo, una CRT) se emplean sistemas de representación ortogonales de tres colores... Cubo RGB siendo el Diagrama CIE de cromaticidad el más conocido. El Color Perceptual 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... Brillo Saturación Tono 26

27 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

28 Colores Aditivos y Sustractivos (2) En ADICIÓN el ojo ve luz amarilla: En SUSTRACCIÓN el ojo 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

29 Colores y Espectro (2) Colores y Espectro (3) 29

32 Ilusiones cromáticas (1) Se atribuye a la inhibición lateral, al incrementar los gradientes. Además se cree que contribuye la luz residual en retina or ste simultáneo en colo Contras Ilusiones cromáticas (2) Inducción de tonalidad 32

33 Ilusiones cromáticas (3) Ilusiones cromáticas (4) 33

34 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