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Universidad Politécnica de MadridUniversidad Politécnica de MadridETSI TETSI TELECOMUNICACIÓNELECOMUNICACIÓN
Departamento de Tecnología FotónicaDepartamento de Tecnología Fotónica
Fotónica de ConsumoFotónica de Consumo
Psicofísica de la VisiónPsicofísica de la VisiónPsicofísica de la VisiónPsicofísica de la Visión
OctubreOctubre 20072007
Psicofísica de la VisiónPsicofísica de la VisiónFotónica de Consumo, Octubre 2006, José M. OtónFotónica de Consumo, Octubre 2006, José M. Otón
EL OJOEL OJOContenidosContenidosVisión• Visión Humana• Retina
M i d l i ió• Mecanismo de la visión• Agudeza y SensibilidadPercepción• Realce de bordes• Bandas Mach• Contornos subjetivos• Ilusiones ópticas• Modelos multicanalEstereopsis• Distancias• Efecto juguete• Efecto juguete• Ilusiones 3D
Color• Detección de color• Color instrumental• Color perceptual• Espectro• Ilusiones cromáticas
22
EL OJOEL OJOMúsculo ocular
Coroides
Esclerótica
La Visión HumanaLa Visión Humana
Coroides
Retina
FóveaHumorVítreo
Córnea
Humor acuosoCristalinoPupilaIris
LigamentosSuspensores
Capilares retinales Conjuntiva
Cuerpo ciliarCórnea
Nervio óptico
Óptica del ojo humanoÓptica del ojo humano
córnea43 dioptrías
cristalino (aire)19 dioptrías
h. acuoso
5,55 mm
22,22 mm
1,67 mmborde de la córnea
n = 1,3376córnea
n = 1,336h.acuoso
n = 1,386-1,406cristalino
parámetros ópticosde un ojo humano normal
(58,6 dioptrías)
h. vítreo n=1,33
ojo reducidoequivalente óptico
, ,cristalino
n = 1,337h.vítreo
El ojo detecta señales luminosas con luminancias que pueden variar 12 órdenes de magnitud12 órdenes de 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 dos tipos
de receptoresde receptores con distinta sensibilidad
33
Aberración cromáticaAberración 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 retinaDistribución en retina
temporal nasal
44
Fóvea y fovea centralis
La RetinaLa Retina
Conos y Bastones
Horizontales
Amacrinas
Bipolares
Tamaño relativo y número de conos
Gangliones
LUZ
Rasgos detectables en retinaRasgos detectables en retina
y parcialmente...
bordes líneas curvas vértices
posición
espaciados uniformes
manchas orientaciónmovimientos:dirección y velocidad
55
Conos y BastonesConos y BastonesConos Visión fotópica• Alta luminosidad (visión diurna)
• Tres tipos de conos L-M-S
• Visión en color. Max. Sens. 555 nm
Bastones Visión escotópica• Baja luminosidad (visión nocturna)
• Un solo tipo de bastones
• Visión en B/N. Max. Sens. 500 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
• 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.
El Sistema VisualEl Sistema VisualCampo visual La información sale preprocesada de la
retina, a través de las interconexiones de lascélulas horizontales, amacrinas y gangliones,cuyos axones forman el nervio óptico.
Las fibras del nervio óptico se dirigen alQuiasma donde se reúnen con las del otro
Quiasma
Colículosuperior
Núcleogeniculado
lateral
A otraspartes del
Quiasma, donde se reúnen con las del otroojo y se dividen en dos bloques, uno de laparte nasal y otro temporal.
La mayor parte se dirige seguidamente alNúcleo geniculado lateral, verdadera“centralita telefónica” organizada en capas,que distribuye las conexiones al córtex visual.
El córtex se encarga de interpretar laFormación
reticular
Núcleopulvinar
Córtex visual
pcórtex
g pimagen, especialmente en los niveles másaltos de abstracción. También está divididoen áreas (17, 18, 19) con diferentesfuncionalidades.
Algunas fibras se encaminan a otras partesdel córtex a través del Colículo superior y dela Formación reticular Se cree que sonresponsables del control sensomotor.
66
Agudeza Visual y Sensibilidad Agudeza Visual y Sensibilidad
visto con retinas de granularidad crecientecrecienteAgudeza Visual:Medida del menor patrón espacial que puede llegar a verse
Sensibilidad de Contraste:Medida de la menor señal de contraste necesaria para distinguir un patrón alternante B/N
Agudeza VisualAgudeza VisualVisión en
fóvea y visión lateral
visto con retinas de granularidad creciente
sobre invertid
77
Agudeza Visual(2)Agudeza Visual(2) Inverso de la expansión angular de la imagenen retina expresada en minutos de arco.
0,6
0,8
1,0
1,2
udez
a vi
sual
(min
)-1
16º 8º fóvea 8º 16ºTemporal Nasal
0,2
0,4Ag
Variación en retina
min
)-1
n (m
in)
1,2
1,4
1,6 0,6
Primer grupoA = 1 - 2,5v
Hiperagudeza
Distancia entre conos en fóvea =2,0-2,3 um = 25-29" <> 120 conos/º <> 60 Hz/º
Agu
deza
vis
ual (
m
Ang
ulo
de v
isió
n
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3
0
0,2 5,0
0,4
0,6 1,7
0,8
1,0 1,0
Log intensidad en mililambertsVariación con iluminación
pe gudeA = 10 - 20v
Agudeza mínima visible A = 120 = 0,5"v
Hiperagudeza se explica porun proceso de interpolación
Agudeza mínima por difracciónde la imagen (B/N o N/B)
Sensibilidad de contrasteSensibilidad de contraste
Patrones periódicos de frecuencia espacial fija
senoidal senoidal realzado onda cuadrada
Modulación de intensidad (Contraste):C = (Imax - Imin)/(Imax+Imin)
Función de transferencia:H(u) = Cout/Cin
de c
ontr
aste
0,5 5 50 ciclos/º
Sens
ibili
dad
d
La sensibilidad de contraste varía con la frecuencia espacial. Este hecho es fundamental para explicar gran número de fenómenos relacionados con la percepción
88
Realce de BordesRealce de BordesIntensidad real
Brillo percibido
EscalónEl sistema ojo-cerebro tiende a acentuar el contraste entre dos superficies
Intensidad real
Brillo percibido
Contorno Craik-O'Brien
entre dos superficies de diferente luminosidad con el fin de destacar los bordes.
El objetivo final es separar los
Intensidad real
Brillo perc ibido
Brillo inverso
diferentes objetos contenidos en la escena, aunque para ello se necesite resaltar fronteras (incluso imaginarlas) o reconstruir piezas
t t
Bandas MachBandas Mach
Las bandas, “inventadas” por el sistema ojo-cerebro, realzan los bordes de los objetos permitiendo una mejor diferenciación
99
Bandas Mach (2)Bandas Mach (2)
Moiré (1)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
1010
Moiré (2)Moiré (2)
Superposición de dos reglas R hi
Moiré (3)Moiré (3)
Los patrones Moiré pueden utilizarse para la detección de deformidades deformidades minúsculas en superficies o piezas
CORRECTA
DEFORMADA
1111
Contornos subjetivosContornos subjetivos
Ilusión del sol Ilusión de figuras geométricas y curvas creadas por el SOC, reforzadas
con marcas en los vértices
Contornos subjetivos (letras)Contornos subjetivos (letras)
ESTE SE VEESTE SE VEESTE SE VEESTE SE VE
1212
Lo que se deduce...
Reconstrucción de formasReconstrucción de formas
Lo que se ve...
Contraste simultáneoContraste simultáneo
sida
d
”
n si
nuso
idal
de
inte
ns
rese
ntac
ión
“clá
sica
”
Varia
ció Pr
1313
Objetos transparentesObjetos transparentes
B
El ojo calcula la transmisióncorrespondiente, y si coincidesupone que es transparente
Cuando existe borde se requiereque éste sea predecible, concontinuidad al menos en A y B.
A
Decisión de nivel alto, que posiblemente se apoya en experiencias adquiridas.
Procesado paraleloProcesado paralelo
Asociación de objetos orientados
1414
Ilusiones ópticasIlusiones 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)Ilusiones ópticas (2)
oelln
er y
af
ewal
lZo ca
Retículas de Hermann
1515
s (3
)s
(3)
Ilusi
ones
ópt
icas
Ilusi
ones
ópt
icas
II
Modelo multicanalModelo multicanal
Imagen Suma vectorial canales
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.
g
Canal 1 Cruces por cero Canal 3 Cruces por cerop
Canal 2 Cruces por cero
p
Canal 4 Cruces por cero
1616
Modelo multicanalModelo multicanal+ Ponzo+ Ponzo
Imagen Canal 1
Canal 2 Canal 3
En uno de los canales al menos, la diferencia de longitud entre
líneas es real, no ficticia.
Canal 4 Cruces por cero canal 4
Modelo multicanalModelo multicanal+ ilusión del sol+ ilusión del sol
Imagen Suma vectorial de canales
Canal 1 Canal 2
El círculo destaca en los tres primeros canales
Canal 3 Canal 4
1717
Modelo multicanalModelo multicanal+ Mueller+ Mueller--LyerLyer
Imagen
Canal 1 Canal 2
Los canales cuatro y tres condicionan la diferencia de
longitudes en este caso
Canal 3 Canal 4
Modelo multicanalModelo multicanal+ retículas de Hermann+ retículas de Hermann
Imagen Suma vectorial de canales
Canal 1 Canal 2
La suma vectorial es imprecisa en este caso. El canal 1 es el que
conforma predominantemente el efecto.
Canal 3 Canal 4
1818
W.E. Hill 1915W.E. Hill 1915
“Mi mujer y mi suegra”
Ejemplo clásico de figuraEjemplo 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 PreteSandro del Prete
1919
Visión EstereoscópicaVisión Estereoscópica
2 ojos Plano horizontal Cálculo de tamaños Cálculo de distancias
Visión Estereoscópica (2)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 temporaldel ojo derecho.
Al córtex visual del hemisferio izquierdo llega la parte temporaldel ojo izquierdo y la parte nasaldel ojo derecho.
2020
Estereopsis: Cálculo de distancias (1)Estereopsis: Cálculo de distancias (1)
A distancias cortas (hasta 10-20m):
paralaje y ocultación 3D verdadero
A distancias mayores:
tamaño y experiencia 3D ficticio
Paralaje
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)Estereopsis: Cálculo de distancias (2)
Objetos iguales se juzganpor Lasdiferencias se atribuyena distancia
apertura angular.
Objetos distintos con lamisma apertura secalifican si son conocidosen sí o en sus detalles
Cuando el tamaño del objeto es desconocido o muy variable, el
...excepto si se compara con algo conocido
y ,cálculo de distancias es imposible
2121
El efecto jugueteEl 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 3DIlusiones 3D
Por semejanza de motivos (falso horizonte)
Por degradado de color (iluminación selectiva)
Por orientación de la fuente luminosa
2222
Ilusiones 3D (2)Ilusiones 3D (2)
La percepción cóncavo-convexo depende de la iluminación. Si se invierte el dibujo se invierte el efecto.
Ilusiones 3DIlusiones 3DHomenaje a M.C. EscherHomenaje a M.C. Escher
2323
visi
ble
visi
ble
UV380 nm380 nmvioleta
azul
ores
y e
spec
tro
vor
es y
esp
ectr
o vazul
verde
Col
oC
olo
IR770 nm
amarillo
naranja
rojo
Visión fotópica y escotópicaVisión fotópica y escotópica
ad re
lativ
a
bastones conos
conos
Longitud de onda (nm)
Sens
ibili
d
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 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 ESCOTÓPICA baja luminancia (hasta 10-5-10-6 cd/m2)
2424
Procesado del ColorProcesado del Color
Acromático (luminancia)
Amarillo — Azul
Las señales luminosas captadas por los conos se procesan para obtener datos de luminancia (R+G) y crominancia (diferencia de señales)
Rojo — Verde
Colores Aditivos y Sustractivos (1)Colores Aditivos y Sustractivos (1)
Colores Primarios: Colores Primarios:Colores Primarios:
Rojo (R) Verde (G) Azul (B)
RGBMezcla de todos: BLANCO
Colores Primarios:Ciano (C) Magenta (M)
Amarillo (Y) y (opcional) Negro (K) CMYK
Mezcla de todos: NEGRO
2525
Generación de colorGeneración de color
Soportes emisivos
(televisión)
Luces RGB produ-cen la imagen por emisión desde un
fondo originalmente negro
Generación de color (2)Generación de color (2) Soportes no emisivos (imprenta)
Tintas CMY d l i t ióTintas CMY producen la imagen por sustraccióndesde un fondo originalmente blanco. La mezclade las tres tintas primarias no suele bastar paraconseguir buen contraste (buenos negros). Porello se añade un cuarto color (negro). Elconjunto se llama CMYK o cuatricomía.
2626
El Color InstrumentalEl Color InstrumentalPara 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.
Cub
o R
GB
Pero el ojo no ve colores de ese modo, sino más bien por opuestos, por lo que conviene emplear otros sistemas como el
El Color PerceptualEl Color Perceptual
octaedro propuesto por Eward Hering...
Bril
lo
Tono
Saturación
2727
El Color Perceptual (2)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)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
2828
En ADICIÓN el ojo ve luz amarilla: EnEn SUSTRACCIÓN el ojo ve color amarillo:
Colores Aditivos y Sustractivos (2)Colores Aditivos y Sustractivos (2)
j
Cuando se ilumina con luz amarilla
Cuando se ilumina con luces roja, amarilla y verde (o roja y verde solas, no necesito amarillo)
j
Cuando se elimina el color violeta
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)Colores y Espectro (1)
2929
Colores y Espectro (2)Colores y Espectro (2)
Colores y Espectro (3)Colores y Espectro (3)
3030
Colores y Espectro (4)Colores y Espectro (4)
Colores y Espectro (5)Colores y Espectro (5)
3131
Colores y Espectro (6)Colores y Espectro (6)
Colores y Espectro (7)Colores y Espectro (7)
3232
Ilusiones cromáticas (1)Ilusiones cromáticas (1)Se atribuye a la inhibición lateral, al
incrementar los gradientes. Además se cree que contribuye la luz residual en retina
orst
e si
mul
táne
o en
col
oC
ontr
as
Ilusiones cromáticas (2)Ilusiones cromáticas (2)Inducción de tonalidad
3333
Ilusiones cromáticas (3)Ilusiones cromáticas (3)
Ilusiones cromáticas (4)Ilusiones cromáticas (4)
3434
Ilusiones cromáticas (5)Ilusiones cromáticas (5)
El sistema ojo-cerebro filtra la información de color, realizando abstracciones que no tienen nada que ver con las componentes espectrales
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