Acuità visiva e sensibilità al contrasto

L’acuità visiva

Differenze fra come misurano l’acuità visiva gli ottici e gli scienziati della

visione

Snellen C di Landoldt

Visual Acuity• Herman Snellen inventò il metodo per

misurare l’acuità visiva nel 1862

(distanza critica del paziente)

(distanza critica del “normale”)

20/20 considerato “normale”

(10/10 in Italia)

In pratica l’acuità dei giovani adulti e’ 12/10

Angolo visivo α

tan(α) = h/d

d

d = 57 cm, 1 cm = 1 grad

h

Gli scienziati della visione misurano invece l’acuità visiva in termini del più piccolo angolo visivo sotteso da un ciclo di un reticolo che è ancora possibile percepire correttamente

Demo costruzione reticoli con variazione di luminanza di profilo

sinusoidale

Reticoli sinusoidali in una finestra gaussiana: Gabor Patch

Il limite dell’acuità visiva per la visione foveale è circa 0.017° il che combacia quasi perfettamente con la distanza centro a centro dei coni a livello della fovea che ricordiamo è di circa 0.008°. Infatti per poter discernere le due fasi di un reticolo quello di cui abbiamo bisogno sono almeno due coni 0.008°*2=0.016°

L’effetto Aliasing spiegato computazionalmente

La percezione del contrasto

Tra le informazioni più importanti in una scena visiva ci sono fattori come il colore,la profondità e le variazioni di intensità luminosa che definiscono i bordi ed i contorni degli oggetti.

Il contrasto di luminanza è definito come la differenza di luminanza di zone adiacenti

Le illusioni di brightness (qualità percettiva della luminanza ovvero dell’intensità luminosa di una superficie tradotta in italiano con brillanza)

Le illusioni di luminanza sono dimostrazioni del fatto che la percezione soggettiva della luminanza non sempre corrisponde alla distribuzione oggettiva della luminanza stessa

Un noto esempio è il contrasto simultaneo descritto da Herring alla finde dell’Ottocento

Contrasto simultaneo

Cornsweet illusion

A CB

Questo ci insegna che la luminanza percepita in una certa zona del campo visivo dipende dalla luminanza delle regioni adiacenti.

L’elemento rilevante non è quindi il valore assoluto di luminanza di una superficie ma il rapporto fra superfici,dunque il contrasto.

Queste osservazioni portarono Herring a formulare l’ipotesi che nel sistema nervoso vi siano dei meccanismi di opponenza anche per il bianco e nero

Un meccanismo di opponenza bianco nero implica l’idea che il nero di una immagine sia registrato rispetto al contenuto di bianco.

Se meccanismi di opponenza sono effettivamente stati trovati a livello neurofisiologico (ricordate vero?) e possono spiegare come si percepiscono i bordi di contrasto, rimangono ancora da spiegare i meccanismi responsabili di illusioni di brillanza su aree lontane dai bordi.

In generale non si conoscono i meccanismi che consentono di percepire superfici omogenee visto che i neuroni sono poco sensibili a stimoli omogenei.Una ipotesi è che la percezione della luminanza di una superficie risulti da una computazione relativa al contrasto presente ai contorni della superficie stessa.

Cioè un bordo dotato di un certo gradiente spaziale (es. nero a destra e grigio a sinistra) produce nel sistema percettivo un segnale che poi viene assegnato alle porzioni di spazio contigue e si arresta quando un altro segnale indica la presenza di un bordo.

I neuroni codificano la direzione del gradiente di contrasto di una figura a livello dei suoi contorni e tale informazione verrebbe integrata fra un bordo e l’altro. Sono questi fenomeni di filling-in e di edge integration

La griglia di Hermann

Secondo Baumgarten (1960) la griglia di Hermann fornisce una misura delle interazioni eccitatorie ed inibitorie del campo percettivo!

Vediamo ora un’altra illusione: le bande di Mach!

Per vedere l’illusione il profilo di luminanza deve essere particolare, nè troppo brusco nè troppo graduale.

Mach propose una spiegazione per questa illusione in termini di inibizione laterale e ad oggi tutti i modelli computazionali proposti per spiegarla prendono in considerazione il profilo di sensibilità del campo percettivo e la distribuzione della luminanza fisica .

Studi sperimentali sulla percezione del contrasto.

Vedremo come i risultati degli studi sulla percezione del contrasto siano perfettamente in linea con i dati neurofisiologici.

Fra gli stimoli più utilizzati negli studi della percezione del contrasto ci sono macchie (spot) di luce su sfondo scuro oppure i reticoli.

Usualmente i reticoli si definiscono nel dominio della frequenza misurata in numero di cicli per grado di angolo visivo

La frequenza spaziale è determinata dalle dimensioni del periodo (l’inverso della frequenza) del reticolo e dalla distanza dall’osservatore.

Definizione del contrasto

Il contrasto di una immagine è dato dalla differenza di luminanza fra zone chiare e zone scure.Più precisamente nel caso di un pattern periodico come un reticolo si definisce il contrasto:

Per gli spot di luce si considera:

I compiti utilizzati per lo studio della percezione del contrasto

I tipi di compito maggiormente utilizzati sono quelli di

•Detezione

•Discriminazione (o identificazione)

La metodologia generalmente utilizzata è il calcolo delle soglie

La percezione del contrasto: campi recettivi e campi percettivi

Abbiamo visto come i campi recettivi sono organizzati in aree adiacenti antagoniste cioè dotate di attività rispettivamente eccitatoria ed inibitoria.

Come ricorderete se lo stimolo appropriato viene presentato al centro del campo recettivo la risposta è massima, se però lo si ingrandisce e questo copre anche porzioni periferiche del campo la risposta diminuisce.Ulteriori ingrandimenti poi non provocano nessuna ulteriore variazione perché lo stimolo eccede il campo recettivo del neurone.

Una delle domande che i ricercatori intorno agli anni 50’-60’ del secolo scorso si chiedevano è se fosse possibile trovare un corrispettivo a livello percettivo delle funzioni antagoniste dei campi recettivi

Un primo indizio fu ricavato dagli studi di Westheimer sull’illusione di Hermann

La percezione del contrasto: campi recettivi e campi percettivi

La griglia di Hermann

Westheimer scoprì che variando le dimensioni delle barre e quindi le dimensioni sulla retina delle porzioni chiare e scure dell’immagine, la forza dell’illusione cambiava e questo fu messo in relazione con il variare dell’azione eccitatoria ed inibitoria al variare della distanza

La percezione del contrasto: campi recettivi e campi percettivi

Una misura più precisa però dei campi percettivi si deve a Fiorentini e collaboratori i quali utilizzarono il metodo della sommazione sottosoglia (subthreshold summation) sia con dischi luminosi che con linee.

Misurazione dei campi percettivi:Subthreshold summation

In questo metodo si misurava la soglia per la detezione di uno stimolo test (ottenendo così il valore per la soglia di base) poi si studiava come questo valore fosse modificato dalla presentazione di un altro stimolo vicino presentato sottosoglia

Misurazione dei campi percettivi:Matching

Nel 1975 Higgins e Rinalducci misurarono i campi recettivi chiedendo ai soggetti di comparare la luminanza di uno spot di luce (test) presentato tachistoscopicamente con uno altro stimolo di dimensioni più grandi e costanti (reference)

Variando le dimensioni dello stimolo test da piccolissime a relativamente grandi si osservavano variazioni nella quantità di luminanza percepita in linea con la morfologia dei campi percettivi

La percezione del contrasto in funzione della frequenza spaziale

Come abbiamo precedentemente detto la soglia di contrasto può essere definita come il valore di contrasto che produce una determinata probabilità di detezione.Un altro valore comunemente usato per lo studio della percezione del contrasto è però la SENSIBILITA’ al contrasto che altro non è che l’inverso della soglia

La curva di sensibilità al contrasto

L’acuità visiva

L’acuità visiva del soggetto ovvero il massimo della risoluzione spaziale del sistema visivo può essere ricavata dalla curva di sensibilità al contrasto

Questo limite sembra essere determinato dalla distanza fra coni e fra cellule gangliari nella retina!

Co

ntr

asto

Frequenza spaziale

Gli studi neurofisiologici hanno mostrato sia nel gatto (Maffei e Fiorentini 1973) che nella scimmia (De Valois,Alberecht e Thorrel 1982) che molti neuroni si comportano come filtri nel dominio della frequenza spaziale oltre che dell’orientamento (Hubbel e Wiesel 1968)

I canali di frequenza spaziale

Questi dati neurofisiologici insieme a quelli psicofisici sull’uomo suggeriscono che la la curva di sensibilità misurata nell’uomo risulti dall’integrazione di numerosi meccanismi detti canali di frequenza spaziale specializzati per particolari dimensioni degli stimoli

Sensibilità al contrasto e livelli di luminanza

Sensibilità al contrasto ed eccentricità

Sensibilità al contrasto e movimento

Esperimenti sulla discriminazione di patterns

Sino ad ora abbiamo preso in considerazione compiti di detezione del contrasto.Ma altri tipi di misure prendeono invece in considerazione la capacità di discriminare fra due stimoli (soglie differenziali)

Si possono misurare soglie differenziali per stimoli che differiscono in frequenza spaziale,orientamento,fase o posizione spaziale.

In generale si è visto che la capacità discriminativa è scarca per stimoli poco contrastati e poi cresce fino a stabilizzarsi:il ruolo del contrasto diviene infatti ininfluente per stimoli molto ben visibili

Esperimenti sulla discriminazione di patterns

La capacità di discriminare fra frequenze spaziali di due stimoli dovrebbe essere intorno al 2-4% di differenza fra stimolo test e reference.

Le soglie per la discriminazione dell’orientamento verticale di reticoli è di circa 10-20 minuti di arco (Westheimer 1981)

Esperimenti sulla discriminazione di patterns

La discriminazione di fase invece si aggira intorno a 20-40° per uno spettro di frequenze spaziali molto ampio (Burr 1980)

Giudicare la disposizione spaziale di uno stimolo rispetto ad un altro (es giudicare se due linee sono allineate o no) è massima per piccole separazioni 3-5 minuti di arco.I condizioni ottimali l’acuità di allineamento (o di Vernier) arriva a 5 secondi di arco ovvero 10 volte il valore dell’acuità visiva. Si para allora di IPERACUITA’.

Fenomeni di interazione fra gli stimoli

L’interazione si studia per capire se due fenomeni sono inputabili o meno allo stesso processo. Se il processo è lo stesso ci si attende un’influenza (positiva o negativa) su una qualità percettiva dello stimolo altrimenti non ci si attende nessuna interazione.

Le tecniche applicate sono generalmente tre:

•Sommazione sottosoglia

•Mascheramento

•Adattamento

Fenomeni di interazione fra gli stimoli

Nello studio dei canali di frequenza spaziale sull’uomo la tecnica della sommazione sottosoglia viene eseguita così. Si misura la soglia di detezione di uno stimolo test in assenza e poi in presenza di uno stimolo subliminare che occupa la stessa posizione spaziale.I risultati dicono che si ha interazione massima quando i reticoli hanno la stessa frequenza poi una progressiva diminuzione di interferenza per piccola differenze di frequenza spaziale e l’assenza di interazioni per differenze grandi

Questo ci dice che per ogni posizione dello spazio esistono filtri spaziali diversi

Le dimensioni dei canali di frequenza misurati con la tecnica del mascheramento.

I canali di frequenza spaziale hanno una funzione molto importante in visione. Non solo sono fondamentali per la percezione di stimoli periodici come i reticoli o più in generale per la percezione della tessitura di una scena visiva ma anche per la percezione di stimoli come la struttura di un bosco, di un prato o di una folla per i quali l’informazione sulle frequenze spaziali è molto importante

E’ comunque altamente probabile che i canali di frequenza spaziale abbiano una funzione anche nella percezione di oggetti non periodici e più complessi

Pelli e Solomon 1994

Le interazioni fra stimoli non simultanei

Si chiamano effetti consecutivi (after effects) le influenze che un primo stimolo esercita su un secondo stiolo presentato successivamente.

Vediamo delle applicazioni della tecnica dell’adattamento. Prima vedremo l’effetto su uno stimolo a basso contrasto e poi degli esempi di after effects per stimoli ad alto contrasto.