Sistema Visual Humano e Percep

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Sistema Visual Humano e Percepção

• Joaquim Macedo
• Departamento de Informática da Universidade do
  Minho

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Sumário

• Introdução
• Sistema Visual Humano
• Representação da Cor
• Propriedades Temporais da Visão

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Introdução

• Aula anterior
• Objecto distante vibra...
• Cria contrações e expansões no meio circundante
• Produz sons detectados pelo ouvido humano
• E se não vibrar?
• Tem que ser detectado pela visão
• Detecta ondas electromagnéticas vindas do objecto

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Introdução

• 70 da nossa informação é colectada pela visão
• A visão é o nosso sentido mais importante
• Relativamente à audição, cheiro, tacto e gosto
• É o mais usado nos sistemas multimédia
• É importante estudar o sistema humano de visão
• Para usarmos efectivamente a tecnologia
  multimédia

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Espectro de visão
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Detecção de objecto
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Detecção do objecto
Fonte
Superfície
Produto
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Energia Luminosa

• Luz é energia electromagnética que estimula a
  nossa resposta visual
• Tem um espectro estreito que se estende desde
  400-700 nm
• A luz recebida dum objecto pode ser escrita como

É a reflexividade ou transmissividade do objecto
É distribuição da energia incidente
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Sistema Visual Humano
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Sistema Visual Humano

• Eficiência relativa da Luminosidade
• Lei de Weber
• Função de Transferência de Modulação
• Modelo SVH

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Olho humano
Parte da testa (Temporal)
Músculo ciliário
Eclerótica
Iris
Humor Vítreo
Fovea
Pupila
Lentes do olho
Retina
Nervo Óptico
Córnea
Humor Aquoso
Parte do nariz (Nasal)
Coróide
Ligamento de suspensão

• O olho humano é um sistema de imagem completo.

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Córnea

• A parede de fora do olhos é formada pela
  esclerótica branca, rígida
• A córnea é a a porção transparente da esclerótica
• 2/3 da refracção ocorre na córnea

Esclerótica
Córnea
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Iris e Pupila

• A íris colorida controla o tamanho da abertura
  (pupila) onde entra a luz.
• A pupila determina a quantidade de luz, tal como
  a abertura duma duma câmara.

Íris
Pupila
Íris aberta Pupila dilatada
Íris fechada Pupila contraída
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Lentes

• A lente do olho é feita de fibras transparentes
  numa membrana numa membrana.
• Mantida por ligamento de suspensão.
• Usada pelo olho como um mecanismo de facagem
  fina disponibiliza1/3 da potência total de
  refracção do olho.
• Índice de refracção não uniforme.

Músculo ciliário
Lentes
Ligamento De suspensão
Fibras
Secção de corte das lentes do olho
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Acomodação

• Os ligamentos de suspensão ligam a lente ao
  músculo ciliário.
• Quando o músculo contrai, a lente fica mais
  bojuda para trás, diminuindo a sua distância
  focal.
• Este processo no qual a lente muda de forma para
  focar é chamado acomodação.

Objecto distante
Músculo relaxado Ligamentos tensos
Objecto próximo
Músculo contraído Ligamentos frouxos
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Humor Aquoso e Humor Vítreo

• Líquido transparente e gelatinoso que enche a
  cavidade do olho.
• Fornece os nutrientes para acórena e para as
  lentes do olho.
• Também ajuda a manter a forma do globo ocular.

Humor Vítreo
Humor Aquoso
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Retina

• A Retina é o detector fotosensitivo para o olho.
• Existem dois tipos de receptores na retina
  bastonetes para o nível de luz baixo e cones para
  níveis altos de luz e pela cor.
• Localizada no centro da retina a fovea tem uma
  grande concentração de cones.
• Através do nervo óptico são enviados sinais dos
  receptores para o cérebro.

Retina
Fovea
Nervo óptico
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Camada Plexiforme

• A retina é composta de três camadas
• Camada plexiforme é uma rede de nervos que
  transportam os sinais que saem dos
  foto-receptores
• Foto-receptores.
• A Coroide disponibiliza alimentação aos
  recpetores e absorve qualquer luz que não seja
  absorvida pelos foto-receptores, tal como a
  antihalation backing in film.

Fovea
foto- receptores
Luz
Camada plexiforme
Coróide
Nervo óptico
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Sistema Visual Humano
Detecção
Processamento
Controlo de Exposição
Formação de Imagem

• Retina
• Bastonetes
• Cones

• Cérebro

• Córnea
• lente

• Íris/pupila
• Photoreceptor
• sensitivity

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Formação de Imagem
Objecto
Imagem
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Formação de Imagem no Olho

• Exemplo
• Cálculo da imagem retinal dum objecto

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Cones e Bastonetes

• Quando a luz estimula um bastonete ou cone
• ocorre um transição fotoquímica produzindo um
  impulso no nervo
• Os cones são responsáveis pela visão da cor

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Eficiência de luminosidade relativa
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Contraste Simultâneo
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Relação de Weber

• A sensibilidade do SVH à diferença de
  intensidades difere para diferentes intensidades
  do fundo
• Relação de Weber
• Justamente a diferença de intensidade observável
  relativamente ao fundo. É uma função do log I.

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Função de Transferência de Modulação
Branco
Preto
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Sensibilidade à Frequência
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Resposta à frequência do olho
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Resposta à frequência 2D
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Função de resposta de impulso unidimensional
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Efeito de mach band
Actual brightness
Perceived by you
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Efeito Mach Band
A interacção espacial da luminância a partir dum
objecto e o seu ambiente Envolvente cria um
fenómeno chamado efeito de match band.
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Efeito Mach Band
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Modelo HVS

• Simplificações
• Linear
• Só válido para imagens de pouco contraste
• Isotrópico no domínio espacial
• Menos sensível à diagonal que às direcções
  vertical e horizontal
• Modelo usado como isotrópico
• HVS composto por vários subsistemas
• Pupila é um filtro passa-baixo
• A seguir a resposta espectral do olho, é aplicada
  à luz e obtida a luminância da imagem
• A resposta não linear dos cones e bastonetes e a
  função de transferência de modulação
  disponibilizam o contraste e a inibição lateral

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Representação da Cor
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Representação da Cor

• Modelo de três receptores
• Unificação da Cor
• Valor de três estímulos
• Diagrama de Cromacidade
• Modelos de Cor e Transformação das Primárias

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Representação da Cor

• O estudo da cor
• é importante para a concepção e desenvolvimento
  de sistemas de visão de cor
• Utilização da cor não é apenas agradável
• Permite a apreensão rápida de maior informação
• Embora só possamos distinguir centenas de níveis
  de cinzento
• Podemos diferenciar facilmente milhares de cores

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Representação da cor

• Principais atributos perceptuais da cor
• Brilho
• luminância percebida
• Cor ou tonalidade
• amarelo, vermelho, verde, etc...
• Saturação
• a nossa percepção da diferença duma dada cor
  relativamente da cor branca ou cinzenta
• Cor esbatida tem pouco saturação
• Cor espectral tem muita saturação

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Representação da CorExplicação pictórica dos
atributos
-

Brilho
Tonalidade ou cor
Saturação

-
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Cor ou tonalidade
É o atributo mais estreitamente relacionado com o
estímulo do comprimento de onda. Diferentes cores
têm tonalidades diferentes.
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Saturação

• Está relacionada com a quantidade de branco que
  está no estímulo
• Os tons monocromáticos são altamente saturados
• A cor menos saturada é o branco.
• Por exemplo, o cor de rosa é menos saturado que
  o vermelho e mais
• saturado que o branco.

O azul escruro à esquerda é altamente saturado
enquanto que o azul esbatido è direita tem baixa
saturação
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Brilho

• Relaciona-se com a quantidade de luz proveniente
  da fonte ou
• reflectida pelo objecto

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Representação da CorBrilho versus Saturação
Brilho
Saturação
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Representação da CorTonalidade versus Saturação
Disco da Cor dá informação sobre a cor e a
saturação
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Espaço de CoresRepresentação Perceptual
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Espaço de CoresRepresentação Perceptual
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Modelo dos 3 Receptores

• Sistema Visual Humano
• Permite distinguir milhares de cores
• É difícil conceber um sistema que seja capaz de
  mostrar individualmente um tão grande número de
  cores
• Propriedades especiais do SHV
• Permite conceber um sistema simples para mostrar
  essas cores
• Qualquer cor pode ser reproduzida misturando de
  forma apropriada as três cores primárias

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Espectro de absorçãoPara os 3 tipos de cones
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Espectro de absorção
Espectro de absorção típico dos três tipos de
cones da retina humana.
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Unificação de cores

• Muitos sistemas de reprodução de cores
• exploram o modelo dos três receptores do SVH
• Colometria
• Que proporção das cores principais deve ser usada
  para produzir uma dada cor?

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Unificação de cores
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Unificação de coresLeis usadas para unificação
de cores

• Qualquer cor pode ser conseguida misturando no
  máximo três luzes coloridas
• A luminância da mistura é a soma da luminância
  das componentes
• Adição de cores
• Se as cores A e B unificam com C e D
  respetivamente, então (AB) unifica com (CD)
• Subtração de cores
• Se a cor (AB) unifica com (CD), e a cor A
  unifica com D, então B unifica com C

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Mistura Aditiva de Cores
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Mistura subtractiva de cores
a)
b)
c)
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Curvas dos três estímulos
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Curvas de três estímulos
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Espaço de cores CIE
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Diagrama de Cromacidade
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Modelos de CoresTransformações das primárias
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Matrizes de Transformadas
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Sistemas de Coordenadas de Cores
Sistemas de Coordenadas das Cores Definição/ Matriz de Transformação Comentários
Sistema espectral primário CIE R,G,B Fontes monocromáticas primárias vermelho700 nm, verde546.1 nm e azul435.8 nm O branco de referência tem um espectro plano com RGB1
Sistema CIE X,Y,Z Yluminância Os valores dos tres estímulos são positivos
UCS Escala de cromacidade uniforme CIE U, V,W Os eclipes Mac Adam são na maioria cículos
Sistema de recpeção primária NTSC Rn,Gn,Bn A transformação linear de X,Y,Z é baseada nas primárias do fósforo da TV
Sistema de transformação NTSC Yluminância, I,Qcrominância Usada para transmissão de TV na América do Norte
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Espaço de Cores NTSCMatrizes de transformação
para outros sistemas apartir das primárias do
receptor Rn,Gn,Bn
Sistema de Cor Matriz de saída Matriz de Transformação
Espectral Primário CIE
Sistema de Transmissão NTSC
UCS, Sistema de três estímulos da CIE ...
Sistema X,Y,Z da CIE ...
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Diagrama de CromacidadePAL e NTSC
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Exemplo 5.2

• A magenta corresponde num Receptor NTSC aos
  valores RnBn1,Gn0. Determinar os valores dos
  três estímulos e cromacidade em
• A) Espectro primário CIE
• B) Sistema de coordenadas X,Y,Z

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Espaço de Cores Não Uniformes
Círculo interno R0.2,G0.6,B0.2 Círculo
externo R0.2,G0.62,B0.2
Círculo interno R0.2,G0.2,B0.62 Círculo
externo R0.2,G0.2,B0.6
a)
b)
Experiência do espaço perceptual com dois
círculos concênctricos no espaço de cores RGB.
Distância euclideana nos dois casos é 0.02
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Modelo CMY

• Usado na indústria de impressão
• Mistura subtractiva de cores
• Cyan Magenta e Yellow (CMY)
• Relação com o RGB (1 representa o branco)
• Pode-se obter um grande número de cores
• Como se imprime muito a preto acrescentou-se um
  canal K com cor (CMYK)

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Propriedades temporais da visão
Um ponto dum fonte luminosa é feita para flutuar
à volta de um valor médio de luminância de acordo
com a seguinte equação
Se f não for muito alta, a fonte torna-se
vaciliante
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Propriedades temporais da visão