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Percezione del colore

Corso di Principi e Modelli della Percezione

Prof. Giuseppe Boccignone

Dipartimento di Scienze dell’Informazione

Università di Milano

[email protected]://homes.dsi.unimi.it/~boccignone/GiuseppeBoccignone_webpage/Modelli_Percezione.html

La percezione del colore

Livello

psicologico

Livello

neurofisiologico


• Non è una proprietà fisica ma piuttosto

una proprietà psicofisica

• La percezione del colore dipende

inizialmente da 3 fattori:

1.Lo spettro di energia che irradia la

superficie dell’oggetto

2.La riflettanza spettrale della superficie

dell’oggetto, che determina come la

superficie trasformi lo spettro ricevuto

nello spettro radiato

3.La sensibilità spettrale del sensore

irradiato dall’energia luminosa

proveniente dal superficie dell’oggetto

R(!)

E(!)

L(!)


//Principio fondamentale

s(!)

Lo spettro di energia del visibile

Experimentum crucis: Isaac Newton, 1672



10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 102 1041

lunghezza d’onda (nanometri)

lunghezza d’onda

(metri)


//Sorgenti di luce

Corpo nero

CCT = 6200K

La composizione spettrale delle

sorgenti di luce può essere

descritta dalla Correlated

Colour Temperature (CCT),

misurata in Kelvin (K).

Luce Fluorescente

CCT = 2600K

CC

T =

27

60

KC

CT

= 5

19

0K

CC

T =

69

00

KC

CT

= 3

87

0K


//Sorgenti di luce

La riflettanza spettrale

E

R

L

E R L

N° fotoni emessi % fotoni riflessi N° fotoni riflessi

Spettro di

irradiamento

Spettro di

riflettanza

Spettro di

radianza

x

x

x

=

=

=

La riflettanza spettrale

// inferenza: un problema mal posto

E

R

L

E R 100

N° fotoni emessi % fotoni riflessi N° fotoni riflessix

x =

=

E=? R=?

Sensibilità spettrale dei sensori (coni)

Segnale neurale

Irradianza Edell’immagine

Mapping Non-Lineare!

Strati interni della retina

Fotorecettori

• Abbiamo modellato il nostro osservatore monocromatico come

• V(!) è detta

• curva di risposta spettrale dell'occhio umano

• funzione di efficienza luminosa fotopica spettrale relativa

V(!)

La curva modella un singolo

fotorecettore

Sensibilità spettrale dei sensori


//Il problema dell’univarianza

• Un infinito insieme di combinazioni di intensità e lunghezza d’onda possono

produrre una identica risposta da parte di un tipo di fotorecettore

• Disponendo solo di un fotorecettore non è possibile discriminare fra

lunghezze d’onda diverse, cioè discriminare fra colori diversi

• Questo è anche il motivo per cui i colori non si vedono in una scena con una

illuminazione molto debole


//Il problema dell’univarianza


// il livello retinico: fotorecettori

Bastoncelli Coni

Acromatici Tri-cromatici

Sensibilità elevata Sensibilità bassa

Alta convergenza Bassa convergenza

Bassa acuità Alta acuità

Periferici (15°) Centrali

100 milioni 6 milioni

Risposta lenta Risposta rapida

Non-selettivi alla direzione della

luce

Selettivi alla direzione della luce

(Styles-Crawford)


//Fotorecettori in sintesi


// il livello retinico: densità dei fotorecettori

• Scotopico: Questo aggettivo si riferisce ai livelli di illuminazione deboli, come

riferimento si prendano livelli più bassi di quelli un chiaro di luna

• I bastoncelli sono fotorecettori sensibili ai livelli di illuminazione scotopici

• Tutti i bastoncelli contengono lo stesso tipo di pigmento: la rodopsina

• Tutti i bastoncelli hanno la medesima sensibilità alle lunghezze d’onda, perciò

tramite essi la discriminazione dei colori risulta essere impossibile!!!


// il livello retinico: visione scotopica

• La visione dei colori richiede la presenza di almeno due tipi di fotorecettori con sensibilità spettrale diversa (sistema divariante)

• I coni: fotorecettori che si distinguono i tre categorie

• Coni S(hort): Coni che sono particolarmente sensibili a lunghezze d’onda corte.

Massimo assorbimento a 420 nm. Frequenza 5-10% (NO coni blu)

• Coni M(edium): Coni che sono particolarmente sensibili a lunghezze d’onda medie. Massimo assorbimento a 530 nm. Frequenza ! dei coni rossi (NO coni verdi)

• Coni L(ong): Coni che sono particolarmente sensibili a lunghezze d’onda lunghe. Massimo assorbimento a 565 nm. Frequenza 2 volte i coni verdi (NO coni rossi)


// il livello retinico: visione tricromatica



Ambiguità risolta!!


// il livello retinico: risoluzione ambiguità



• I tre tipi di coni non sono presenti nella stessa proporzione: sia nell’uomo, sia

nella scimmia, i coni S sono una minoranza, e sono totalmente assenti dal

centro della fovea, mentre i coni L ed M hanno in media la stessa frequenza

• Le loro frequenze relative possono variare notevolmente da un occhio ad un

altro, nello stesso occhio, tra una porzione di retina e un’altra.

L 50.6% M 44.2% S 5.2%

L:M=1.15

L 75.8% M 20.0% S 4.2%

L:M=3.79

Roorda e Williams Nature 397, 520 (1999)


// il livello retinico: distribuzione dei coni



• I tre tipi di coni non contribuiscono ugualmente alla sensazione di intensità

luminosa:

• a questa contribuiscono prevalentemente i coni L ed M (in modo additivo),

• i coni S hanno una forte valenza cromatica.

• Può sorprendere il fatto che abbiamo due pigmenti con sensibilità spettrali

così simili, mentre il terzo è molto differenziato rispetto a loro.

• tra i mammiferi, questa proprietà è presente nelle scimmie del vecchio mondo e

nell’uomo

• nella maggioranza degli altri mammiferi la retina contiene solo due tipi di coni:

uno di tipo S, cioè con sensibilità massima nell’ambito delle corte lunghezze

d’onda, e uno con sensibilità spettrale intermedia tra quelle dei coni M e L

dell’uomo


// il livello retinico: modello di visione tricromatica

output dei coni

conimeccanismo di

gain control

x x x

! ! !

L(!)


// il livello retinico: modello di visione tricromatica

• Per la maggior parte del tempo noi non vediamo singole lunghezze d’onda

ma pattern più complessi che coinvolgono l’intero spettro del visibile


// il livello retinico: luce riflessa da oggetti reali

• Prendiamo una luce verde e una luce rossa ed illuminiamo con queste un

pezzo di carta bianco in modo che un mix di luce verde e rossa (giallo) sia

riflesso dalla carta indietro al nostro occhio.

• Ammettiamo anche che

• il cono M produca 80 unità di risposta per la luce verde e 40 per quella rossa

• il cono L produca 40 unità di risposta per la luce verde e 80 per quella rossa.

• N.B. In questo esempio non consideriamo i coni S.

• Se assumiamo che si possano sommare insieme le risposte di ogni cono,

entrambi (L e M) coni producono 120 unità di risposta


// il livello retinico: metamerismo


// il livello retinico: metamerismo

• Metamerismo: Combinazioni di lunghezze d’onda diverse che appaiono

identiche. In generale il termine si riferisce a qualsiasi coppia di stimoli che

sono percepiti essere identici nonostante le differenze a livello fisico

• Due importanti avvertimenti:

• Mischiare insieme le lunghezze d’onda non muta le lunghezze d’onda a livello

fisico!

• Per ottenere da una luce rossa e una verde un giallo perfetto si deve

semplicemente scegliere con accuratezza la giusta quantità di rosso e verde.

Elaborazione del colore

//visione tricromatica: mischiare colori

• Combinazioni colorimetriche col metodo ADDITIVO (miscuglio di luci) : Se una

luce A e una B sono riflesse da una certa superficie verso l’occhio, a livello

percettivo l’effetto di queste due radiazioni si sommano insieme



• Modello additivo: creazione degli altri colori mediante lacombinazione

additiva dei colori primari RGB. Tipico nei monitori quali hanno tre tipi di

fosfori per ogni pixel.

• Es.: R + G = giallo

• se riduco l’intensità del verde mantenendo quella del rosso allora ho un

arancione



• La somma di due colori primari produce un colore

• Es.: R+G= giallo, R+B=magenta, B+G=ciano

• Ciano (C), magenta (M) e giallo (Y) sono colori secondari ocomplementari

• Miscelando i tre primari o un secondario con il suo primario opposto, nella

giusta intensità, produce bianco.



Addizione

Sottrazione

Combinazione

dei colori



ciano

magenta

giallo

L’oscilloscopio

(televisione)


//visione tricromatica: applicazioni

Visto da vicino il volto dell’uomo è formato da tanti

punti di colore innaturale per una faccia

(tecnica additiva)

Georges Seurat: La Parade


//visione tricromatica: applicazioni

• Combinazioni colorimetriche col metodo SOTTRATTIVO (dovute per esempio

all’uso di pigmenti) Se i pigmenti A e B si mischiano, una certa quantità della

luce riflessa da una superficie sarà sottratta da A, un po’ da B e solo la

quantità rimanente darà un contributo alla percezione dei colori


//visione tricromatica: mischiare pigmenti

• Le miscele sottrattive di colori coinvolgono

l’assorbimento selettivo di lunghezze

d’onda. Ciano, magenta e giallo sono

primari sottrattivi.

• Se la luce bianca passa attraverso un filtro

giallo esso assorbe il blu e trasmette rosso e

verde (insieme fanno il giallo).

• Un filtro magenta sottrae o assorbe il verde

dalla luce bianca

• Il ciano sottrae o assorbe il rosso dalla luce

bianca

Addizione

Sottrazione

Combinazione

dei colori



ciano

magenta

giallo

x x x

! ! !

L(!)

xE(!) R(!)


//visione tricromatica: mischiare pigmenti

• Lo spazio dei colori: E’ dato da uno spazio tridimensionale ed è stato definito

in modo da rappresentare le risposte dei tre tipi di coni in modo da

comprendere tutti i colori visibili

• Teoria Tricromatica: teoria che prevede che i colori siano percepiti dal

sistema percettivo visivo come una tripletta di valori indicanti le risposte di tre

tipi di recettori che adesso sappiamo essere i tre tipi di coni (Teoria di Young-

Helmholtz)

• E’ degno di essere notato che la teoria tricromatica del colore di Young

(1773-1829) e Helmholtz (1821-1894) è stata sviluppata PRIMA che si

conoscesse la natura dei pigmenti dei coni nel sistema percettivo visivo

attraverso brillanti esperimenti in psicofisica.


//visione tricromatica: spazi di colore

• Gli esperimenti condotti con la “color matching technique” di Maxwell

consistevano nel chiedere ad un osservatore di creare con un mix di colori

una tinta identica ad una di riferimento

• I risultati mostrarono che con soli TRE “primari” era possibile ricostruire

qualsiasi colore dato!!!


//visione tricromatica: esperimenti di Maxwell


//visione tricromatica: esperimenti di Guild



• Dati tre colori primari ad esempio R, G, B, (700nm, 546.1 nm, 435.8 nm),

formalmente il color matching puo’ essere descritto dalla seguente

equazione:

C = R(R) + G(G) + B(B)

dove R,G,B sono le unità dei primari R, G, B, necessarie per

“eguagliare” (matching) il colore C

• La tripletta RGB rappresenta i valori di tristimolo



• Si ottengono i valori di

tristimolo primari

• per ottenere un colore

bastano tre primari

• Lo spazio dei colori è uno

spazio lineare: un colore è

combinazione lineare dei

primari

• Alcuni colori si ottengono

sottrattivamente

Che cosa sono queste curve?



• Assumendo di osservare una

luce di radianza spettrale Le(!) i

valori di tristimolo primari CIE

RGB sono

R

G

B

• Trasformazione lineare

dei valori di tristimolo

dell’osservatore

standard CIE


//visione tricromatica: l’osservatore standard CIE

• Assumendo di osservare una luce di radianza spettrale Le(!) i

valori di tristimolo in coordinate CIE X,Y, Z sono

• cosa sono queste curve?


//visione tricromatica: l’osservatore standard CIE

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