Sistema Visual Humano e Percepção

Apresentação em tema: "Sistema Visual Humano e Percepção"— Transcrição da apresentação:

1 Sistema Visual Humano e Percepção
Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

2 Sumário Introdução Sistema Visual Humano Representação da Cor
Propriedades Temporais da Visão

3 Introdução Aula anterior Objecto distante vibra... E se não vibrar?
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

4 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

5 Espectro de visão As ondas electromagnéticas (OE) podem variar ter um comprimento de onda bastante variável desde longos cumprimentos de onda longos (correspondentes a a banda de potência contínua) até extremamente curtos. Contudo, o olho pode tectectar ondas num espectro mais estreito de aproximadamente 400 a 700 nanometros. A luz do som tem um espectro nesta gama de comprimentos de onda e é a maior fonte das OE existentes na terra. Apesar disso, acredita-se que a evolução do Sistema Visual Humano (SVH) foi influenciado pela presença da luz do sol.

6 Detecção de objecto A figura do slide mostra o processo típico de detecção de um objecto. Se L for a distribuição de energia proveniente duma fonte de luz, a luz recebida por um observador pode ser expressa por I onde é a reflectividade ou transmistividade do objecto. Se a fonte de luz, o objecto e o observador forem estacionários, o espectro de I terá a mesma gama de frequências que o de L, mas terá um espectro diferente que é determinado por Isto é verdade para a maior parte das aplicações excepto possivelmnete para as atronómicas onde o efeito do Doppler Shift é um aspecto importante. Trata-se duma mudança no comprimento de onda resultante do movimento da fonte ou do observador. Quando a distribuição da energia da luz é recebida pelo observador começa um processo complexo no sistema visual para formar uma imagem a partir da energia luminosa. A imagem formada depende sistema visual do organismo vivo. Aqui, estamos mais interessados nos humanos. É importante aprender as características do Sistema Visual Humano (SVH) para conceber sistemas eficientes para transmissão e visualização de informação pictórica. Um bem princípio estabelecido é que não é necessário transmitir ou mostrar o que o olho não vê. Vamos a seguir apresentar uma introdução ao SVH.

7 Detecção do objecto Fonte Superfície Produto

8 Energia Luminosa Luz é energia electromagnética que estimula a nossa resposta visual Tem um espectro estreito que se estende desde nm A luz recebida dum objecto pode ser escrita como É a reflexividade ou transmissividade do objecto É distribuição da energia incidente

9 Sistema Visual Humano

10 Sistema Visual Humano Eficiência relativa da Luminosidade Lei de Weber
Função de Transferência de Modulação Modelo SVH

11 Olho humano O olho humano é um sistema de imagem completo.
Músculo ciliário Parte da testa (Temporal) Eclerótica Iris Humor Vítreo Fovea Pupila Lentes do olho Retina Nervo Óptico O olho humano é bastante similar a uma câmara fotográfica. A córnea e as lentes do olho são os elementos ópticos responsáveis pela formação da imagem na parte de trás do olho. A íris é como o diafragma da câmara cuja abertura controla a quantidade de luz que entra no olho. A retina que fica na parte de trás do olho como o filme, detecta os fotões que entram no olho e transforma-os em impulsos elétricos que vão para o cérebro através do nervo óptico. Vamos olhar em detalhe para cada um dos componentes. Córnea Humor Aquoso Parte do nariz (Nasal) Coróide Ligamento de suspensão O olho humano é um sistema de imagem completo.

12 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 A parede de fora do olhos é formada pela esclerótica branca, rígida. A córnea é a a porção transparente da esclerótica. 2/3 da refraçcão ocorre na córnea uma vez que a a maior mudânca vo índice de refraçcão ocorre entre o ar e a superfície da córnea. Por isso é que não vemos muito nítido na água sem Goggles.

13 Iris e Pupila Íris 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. Pupila A íris é um músulo que se contrai e dilata para determinar o tamanho da pupila. A íris é coloridae com brilhp e é a cor do olho. A pulina é a abertura onde entra a luz. . Íris aberta Pupila dilatada Íris fechada Pupila contraída

14 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 A lente do olho está localizada justamente atrás da íris. É feita de fibras transparentes metida numa membrana clara. A lente é supensa por um ligamento de suspensão que o liga ao músculo chamado ciliário. A lente é bastante flexível ao contrário da duns óculos. O músculo ciliário permite mudar a forma da lente, o que lhe permite focar objectos próximos ou ao longe. Para além o índice de refracção varia entre o centro e as bordas da lente. Fibras Secção de corte das lentes do olho

15 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 O processo no local o olho foca é chamado de acomodação. O músculo contrai-se e a formato ad lente deforma-se. A parte de trás da lente fica bocuja para aumentar a sua potência (diminuindo a sua distância focal) de forma a focar objectos próximos. Quando o músculo ciliário relaxa, os ligamentos ficam contraídos diminuindo a curvatura da lente, aumentando a distância focal. Objecto próximo Músculo contraído Ligamentos frouxos

16 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 As cavidades do olho não estão vazias. Estão sim cheias com um líquido transparente e gelatinoso. O espaço entre a córnea e a lente do olho tem um humor aquoso, e o entre a lente e a parte de trás do olho com humror vítreo. Eles fornecem nutrientes para a córnea e as lentes; uma vez que estes elementos têm que manter limpos, eles não contêm qualquer vazo sanguíneo que são a forma mais comum de transportar nutirentes.Os flutuantes vistos muitas vezes são células de sangue mortas dentro do humor vítreo. Para além disso, a pressão do humor mantém a forma arredondada do olho. Humor Aquoso

17 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 A retina é o detector foto-sensitivo do olho. Consiste em dois tipos de receptores: os bastonetes que são sensíveis a níveis baixo de luz e os cones que são são sensíveis aos níveis altos de luz e às cores. Uma pequena depressão no centro da retina é chamada fovea, que tem uma grande concentração de cones. É aqui a parte do campo visual que é o mais importante. Os sinais dos receptores são transportados pelo nervo óptico do olho para o cérebro. Nervo óptico

18 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 A retina é composta por três camadas. A camada plexiforme é uma rede de nervos que transporta os sinais que saem dos foto-recpetores. O olho está construído de trás para frente; a luz tem que passar através de várias camadas de células até ser capturada pelos foto-receptores. A parte de trás dos foto receptores é a coróide que fornece alimentação aos recpetores e absorve alguma luz que não tenha sido abosrvida pelos foto-receptores. É feita de tal forma que a luz que não devolve a luz que … This is so that the light doesn’t bounce off the back and get absorbed by the receptors, just like the anti-halation backing in film. The nocturnal animals like cats need to respond to low light levels, so rather than choroids, they had a reflective tapetum lucidum, where the light bounces off the back to be absorbed by the reflectors. This is why the cat’s eye reflect light in the dark. Nervo óptico Coróide

19 Sistema Visual Humano Formação de Imagem Controlo de Exposição
Quando se apresenta os vários sistemas de imagens é normalmente apresentado como uma cadeia de blocos interligados. O sistema visual humano pode ser atmbém considerado como um conjunto de blocos, onde há elementos ópticos responsáveis pela formação da imagem, anatómica e fisiológicamente responsáveis pela controle de exposição, detectores responsáveis pela captura dos fotões e sua transformação em impulsos electricos e respectivo processamento. Formação de Imagem Controlo de Exposição Detecção Processamento Córnea lente Íris/pupila Photoreceptor sensitivity Retina Bastonetes Cones Cérebro

20 Formação de Imagem Objecto Imagem
O sistema visual humano pode ser considerado um sistema óptico completo. Quando a luz de um objecto atinge o olho, a pupila actua como uma abertura e cria-se uma imagem na retina, e o observador vê objecto. O tamanho do objecto que é percebido depende do ângulo que ele cria. A retina pode ter uma resolução maior para o detalhe quando a imagem retinal é maior e se espalha por muitos foto-receptores. A pupila controla a quantidade de luz que ebtra no olho. Para a iluminação típica, a pupila tem cerca de 2mm de diâmetro. Em ambientes de fraca iluminação o tamanho aumenta para permitir mais luz enquanto que havendo iluminação forte, o tamanho diminui para limitar a quantidade de luz. A retina tem dois tipos de foto-receptores designados por bastonetes e cones. Há aproximadamente 100 milhões de bastonetes num olho normal e são relativamente longos e finos. Estas células disponibilizam a visão scotopic que é a resposta visual do SVH a baixa iluminação. Os cones são mais grossas e curtas e menos sensíveis que os cones e menos em número (6-7 milhões). Essas células disponibilizam a visão fotopica, a resposta visual à iluminação alta.Na visão mesópica estão activos tanto os cones como os bastonetes. Uma vez que os ecrãs electrónicos são bem iluminados,a visão fotópica é da maior importância na engenharia da visualização. A visão das cores e disponibilizada pelos cones.

21 Formação de Imagem no Olho
Exemplo: Cálculo da imagem retinal dum objecto

22 Cones e Bastonetes Quando a luz estimula um bastonete ou cone
A distribuição de bastonetes e cones por mm2 é mostrada no slide. Foi observado que a retina não é uma estrutura homogénea. Os cones estão empacotados de forma densa na fóvea( uma área circular de cerca de 1.5 mm de diâmetro no centro) e desaparecem rapidamente num círculo de 1grau de raio. Não há bastonetes nem cones na vizinhança do nervo óptico e como tal há um intervalo de cegueira nesta região. Quando uma luz estimula um bastaonete ou um cone ocorre uma transição fotoquímica que produz um impluso no nervo. Em muitas regiões da retinaa, os cones e bastonetes estão interligados à fibra do nervo numa base de muitos para um. A área central, conhecida como área da foeva, é capaz de disponibilizar visão de alta resolução. Este desempenho cai bastante na área extra-fovea. A área da fóvea corresponde apenas a um ângulo de 1-2 graus enquanto que a TV corresponde a um ângulo de 5-15º (quando o espectador se senta a uma distância 6 vezes a altura do televisor, cria-se um ângulo vertical de visão de 9.5º dependendo da distância de visualização. Assim, as TVs domésticas são geralmente vistas com a visão extra fovea. 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

23 Eficiência de luminosidade relativa
Quando a distribuição de energia radiante é recebida os diferentes comprimentos sw onda não têm o mesmo efeito no SVH. A figura mostra a eficiência de luminosidade relativa para visão da região da fóvea. Observa-se que o SVH funciona como um filtro para a energia radiante sendo o pico da resposta obtida à volta dos 555 nm. A luminância ou energia dum objecto espacialmente distribuído com uma energia de pode ser calculada usando a equação no slide, onde é a função de luminosidade relativa. A luminância é mais importante que a distribuição de energia radiada no processo de formação da imagem. Um I alto pode aparecer escuro (se a energia residir em dois estremos da curva) mas uma luz com L alto aparece sempre luminoso para um observador humano normal. A luminância é expressa em cd/m2 onde cd é candela, unidade da intensidade de luminosidade. Um ecrã CRT tem um valor de luminosidade no domínio cd/m2. A luminância definida na equação é um importante factor para determinar se um área aparece escura ou brilhante. Contudo a luminância das áreas circundantes também é importante.

24 Contraste Simultâneo Isto é demonstrado na figura deste slide onde um círculo duma dada limunosidade é colocado em três fundos diferentes. Quando mais escuro for o fundo mais brilhante parece o círculo. A luminância percebida dum objecto, chamdo brilho, depende da luminância das áreas circundantes.

25 Relação de Weber I I+ I 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. Foi demonstrado que dois objectos com diferentes fundos podem ter luminância idêntica, mas têm diferentes valores de brilho.A principal razão é que a nossa percepção é sensível ao contraste de luminância e não ao seu valor absoluto. Contraste é o termo geralmente usado para descrever diferenças em valores de luminância em duas áreas vizinhas numa figura. A figura bo slide mostra um pequeno círculo de luminância I+delta I cercado por um círculo mais largo com luminância I. Se delta I for 0 as duas regiões não são distinguíveis. Se aumentarmos ligeiramente delta I, para um certo valor, o contraste entre as duas regiões como a ser notado. Chamemos a essa valor delta. Como a proximação grossseira a relação entre e I e delta In pode ser expressa como Onde k é conhecido como a constante de Weber e a relação acima como a lei de Weber. Tipicamente o valor da constante de Weber é cerca de A equação estabelece se uma área do desenho tem um valor luminância delta In é necessário para notar o contraste entre as duas regiões. A equação pode ser expressa como Onde c é uma constante. Integrando ambos os lados da equação temos que estabelece que o bilho é proporcional ao logaritmo da luminância.

26 Função de Transferência de Modulação
Branco Preto Foi dito na aula anterior que um sinal de áudio pode ser expresso como uma sobreposição de ondas sinusoidais com diferentes frequências. Similarmente uma imagem pode ser considerada uma sobreposição de grelhas com diferentes frequências espaciais. A figura mostra três exemplos de ondas quadradas unidimensionais. Observe que as frequências espaciais podem ser expressas em ciclos/grau. Uma grelha periódica tem uma frequência de M ciclos/ grau se M formas de onda da grelha fazem um ângulo de um grau do olho do observador, para uma distância determinada entre os olhos e a cena. A mesma grelha tem uma frequência espacial diferente se a distância for diferente. A resposta à frequência espacial do olho é chamada função de transferência de modulação. É possível uma medição directa do FTM considerando uma grelha sinusoidal de constraste e frequ~encia espacial variável.

27 Sensibilidade à Frequência
Na figurado slide é mostrado um padrão oscilatório de alta frequência num espaço de 2 dimensões. O padrão foi gerado de tal forma que qualquer linha horizontal na figura é uma onda sinusoidal com amplitude constante mas cuja frequência diminui exponencialmente da esquerda para a direita. Se uma linha é desenhada verticalmente na figura, a amplitude da onda diminui exponencialmente da base para o topo. Vamos manter a figura à distância dum braço e vamos de seguida desde a base em cada linha vertical e marcar um ponto onde o padrão se torna invisível. Se marcarmos esses pontos vamos obter uma figura parecida com a mostrada no slide seguinte.

28 Resposta à frequência do olho
A figura mostra que as riscas do meio têm a sensibilidade mais alta e que as as frequências mais baixas (esquerda) e mais altas (direita) são visíveis apenas quando a sua amplitude é relativamente alta. A risca onde a sensibilidade é a mais alta depende da distância entre a figura e os olhos. Se aumentarmos a distância o pico muda para a esquerda, porque a frequência espacial associada com as riscas muda (aumenta se a distância aumentar). Cientistas realizaram muitas expeirências para determinar a resposta à frequência espacial. A frequência espacial a que os olhos têm maior sensibilidade varia entre 2-10 ciclos/grau dependendo do ambiente da experiência (luminância da imagem, escolha do assunto). A parte esquerda da figura mostra a resposta da frequência espacial a uma dimensão. Assumindo que o SVH é istotrópico (os olhos não têm direcção preferida entre a vertical, horizontal ou diagonal) a resposta à frequência a duas dimensões pode ser facilmente calculada (ver lado direito da figura). Pode-se observar que a resposta do SVH é relativamente pobre nas altas frequências. É importante conhecer a máxima frequência que pode ser percebida pelos olhos. Isto pode ser calculado a partir da acuidade visual do olho que é definido como a menor separação angular na qual as linhas verticais ou horizontais podem ser distinguidas. A acuidade visual varia bastante (0,5’ a 5’) dependendo da relação de contraste e rigor da visão individual. Uma acuidade de 1.7´ é muitas vezes assumida para efeitos práticos, e isso corresponde a aproximadamente 18 ciclos/grau.

29 Resposta à frequência 2D

30 Função de resposta de impulso unidimensional
A resposta de impulso do sistema pode ser calculada pela transformada inversa de Fourier da função de transferência de modulação da figura anterior. A função de resposta unidimensional é conhecida como função de cobertura de linha (line-spread function). Ela disponibiliza a resposta do sistema a um luz extremamente fina representada pela função de impulso. Uma função de cobertura de linha típica do sistema visual humano é mostrado na figura Nota-se que um luz infinitamente fina é observada como tendo uma duração finita. Isto como ser explicado como limitações físicas do sistema.Contudo é observada uma estranha propriedade na figura A cerca de 0.08º, observa-se um brilho negativo (o que aparentemente devia ser 0). Esta propriedade cria uma interacção entre a luminância dum objecto e a sua área circundante que é conhecido como efeito da banda de Mach.

31 Efeito de mach band Actual brightness Perceived by you
A figura mostra riscas verticais com luminâncias crescentes. Contudo, o brilho (a luminância perceptível) não é estritamente uma função monotóna. Há um queda e subida abrupta nos extremos. Perceived by you

32 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. Exemplo Neste exemplo, o efeito da banda de Mach é justificado a partir da função de line-spread. A função de line-spread do HVS é mostrada na figura do slide 27. A entrada mostrada na figura deste slide pode ser considerada como uma função impulso. Assumindo que o HVS é linear e invariante no tempo a resposta ao degrau (step) do sistema pode ser obtida integrando a resposta de impulso. Se integrarmos uma função similar à figura do slide 27 obtemos a figura 3.12 (c). Note que os pontos A,B,C,D correspondem nas duas figuras.

33 Efeito Mach Band

34 Modelo HVS Simplificações HVS composto por vários subsistemas 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

35 Representação da Cor

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

37 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

38 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

39 Representação da Cor Explicação pictórica dos atributos
- + Brilho Tonalidade ou cor Figure 3cd.1. Example of perceptual attributes of color. a) different brightness levels (dark to bright), b) different hues (red to violet), and c) saturation (the dark blue at the left side is highly saturated whereas the faded blue at the right side has low saturation). Saturação + -

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

41 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

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

43 Representação da Cor Brilho versus Saturação

44 Representação da Cor Tonalidade versus Saturação
Disco da Cor dá informação sobre a cor e a saturação

45 Espaço de Cores Representação Perceptual
O brilho varia ao longo do exixo vertical desde o preto até ao branco. A tonalidade ou cor varia na circunferência. A saturação varia ao longo do eixo radial.

46 Espaço de Cores Representação Perceptual

47 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 Subsequentemente foi descoberto que há três tipos de células nos cones da retina humana. Quando a luz cai na retina excita as células dos cones. A exitação dos diferentes tipos de células dos cones determina a cor vista pelo observador.

48 Espectro de absorção Para os 3 tipos de cones
Os espectros de absorção para os três tipos de cones , Com respeito ao comprimento de onda incidente é mostrado na figura acima. Se a distribuição espectral da luz colorida incidente for a excitação dos três tipos de células de cones pode ser calculada como Observe que se duas distribuições espectrais diferentes produzirem iguais as, as duas cores vão ser percebidas de forma idêntica. Portanto, duas cores que parecem iguais podem ter espectros diferentes. Nem todos humanos têm essa sorte. Há gente que não vê as cores, são cegos relativamente às cores. As pessoas monocromáticas tem bastonetes e um só tipo de células nos cones. Pessoas bicromáticas têm apenas dois tipos de cones. Vêm umas cores perfeitamente e outras nem por isso. As cores que~são confuindidas depende do tipo de céluluas que está ausente.

49 Espectro de absorção Espectro de absorção típico dos três tipos de cones da retina humana.

50 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?

51 Unificação de cores

52 Unificação de cores Leis 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 (A+B) unifica com (C+D) Subtração de cores: Se a cor (A+B) unifica com (C+D), e a cor A unifica com D, então B unifica com C Há diferentes formas de executar experiências de unificação de cores. Uma abordagem típica é colocar dois ecrãs lado a lado. A cor de teste é projectada num ecrã. Luzes controladas R,G e B são projectadas no segundo ecrã de tal forma que as cores nos dois ecrãs sejam idênticas. As intensidades de R,G e B correspondentes ao segundo ecrã constituem a proporção de cada cor primária necessária para reproduzir a cor de teste.

53 Mistura Aditiva de Cores
Na figura mostra-se um cojunto pequeno de cores compostas misturando as cores primárias em igual proporção. Pode-se observar que a mistura vermelho e azul produz magenta, a verde e azul ciano e verde e vermelho amarelo. Quando se misturam as três cores obtem-se branco. Na experiência mostrada quando diferentes primárias são adicionadas, elas excitam de forma diferenciada os recpetores dos cones, e vê-se uma laraga gama de cores. Isto é conhecido como mistura aditiva de cores. Contudo quando são misturadas tintas de cores diferentes, observamos uma cor composta diferente.

54 Mistura subtractiva de cores
A parte a) da figura mostra uma experiência de mistura de tinta amarela e azul. Observa-se que o resultado é azul em vez do branco da figura anterior. A razão é explicada na parte c) da figura. A tinta amarela é vista como amarela porque reflecte luz com comprimentos de onda na gama Por outro lado, a tinta azul é azul porque reflecte luz entre e absorve todos os outros comprimentos de onda. Quando se mistura amarelo e azul é reflectida uma pequena gama de comprimentos de onda ( ) e todos os outros comprimentos de onda são absorvidos. Portanto vê-se a luz verde. Observe-se que todos os dispositivos de visualização utilizam a mistura aditiva de cores para reproduzir as cores, enquanto a indústria de impressão utiliza a mistura subtractiva para reproduzir cores. Na parte b) da figura mostra umas poucas de cores obtida com a mistura de tintas magenta, ciano e amarela. c)

55 Curvas dos três estímulos
As cores primárias recomendadas pela CIE (Comission Internacionale de l’Eclairage) são três cores monocromáticas: vermelho a 700nm, verde a nm e azul a nm. Seja a quantidade necessária da késima cor primária a cor C e a cor branca de referência dsignadas por (beta)k e wk respectivamente. Então (beta)k/wk são designados o valores de três estimulos para a cor C. Os valores de três estimulos para uma cor é a quantidade relativa das cores primárias necessária para obter a cor. A figura acima mostra a quantidade necessária das três cores primárias para obter os comprimentos visíveis do espectro. Observe que para algumas cores tem que ser adicionadas em quantidade negativa para produzir certas cores. Por outras palavras, essas fontes primárias não conduzem à gama completa das cores reproduzíveis. Na realidade não foi ainda encontrado um conjunto de três cores primárias que produzam todas as cores. Isto conduzui ao desenvolvimento muitos sistemas de coordenadas de cores cada um dos quais com as suas vantagens e desvantagens.

56 Curvas de três estímulos

57 Espaço de cores CIE De interesse particular é o sistema CIE{X,Y,Z} com fontes primárias hipotéticas tal que todos valores de estímulos são positivos. Aqui X,Y e Z correspondem de forma grosseira ao vermelho, verde e amarelo super-saturados. A figura do slide mostra a quantidade correspondente das três primárias necessárias para unificar com os comprimentos de onda do espectro visível.

58 Diagrama de Cromacidade
Para posterior conveniência as cores são muitas vezes especificadas pela sua cromacidade. A cromacidade é expressa em termos de coordenadas de cromacidade. No sistema {X,Y,Z}, as coordenadas de cromacidade podem ser representadas como Assim x,y,z representam as proporções das cores primárias X,Y,Z numa dada mistura para obter determinada cor. Se x for grande (perto de 1) a mistura de cor contém uma porção significativa de cor vermelha supersaturada e pode parecer laranja, vermelho ou cor de púrpura avermelhado. Se tanto x como y forem pequenos, a primária Z é predominante e a mistura parece azul, violeta ou púrpura. O diagrama de cromacidade para sistema CIE{X,Y,Z} é mostrado na figura do slide. A curva exterior mostra a cromacidade de cores monocromáticas a diferentes comprimentos de onda. Tratam-se das cores mais prodfundas e mais intensas que são encontradas apenas nas imagens naturais. Conforme nos movemos para o centro encontramos cores mais leves como o cor de rosa, verde claro e azul pálido. A região central representa as cores não stauradas incluindo a branca.

59 Modelos de Cores Transformações das primárias
Consideramos até agora os sistemas de cores {X,Y,Z} e {R,G,B}. Embora esses sistemas sejam capazes de representar uma grande variedade de cores, na prática são usados vários outros sistemas de cores. Cada um dos sistema tem as suas vantagens e desvantagens e a escolha dum sistema em particualr depende da aplicação. Isto é em certa medida comparável às transformadas dos sinais em que um sinal pode ser representado em várias coordenadas das transformadas. Contudo, uma transformada pode disponibilizar uma representação mais adequada para uma determinada aplicação. É importante encontrar procedimentos para transformar um sistema de cores nos outros porque uma única aplicação pode usar várias representações de cores para o mesmo sinal visual. A figura mostra como transformar de {R,G.B} para {X,Y,Z} usando uma representação geométrica ou vectorial. Note que as coordenadas R,G e B (ou X, Y,Z) não precisam de ser ortogonais no espaço tri-dimensional. Contudo têm que especificar direcções únicas no espaço.

60 Matrizes de Transformadas
Os coeficientes da Matriz xyz->RGB podem ser obtidos da seguinte forma. Observamos que X=Xr.R quando G=B=0. Assim, projecta uma unidade do vector R nas coordenadas {Y,Y,Z}, A projeção nas coordenadas {Y,Y,Z}disponibiliza os valores Xr,Yr,Zr. Similarmente, a projecção dum vector G duma unidade disponibiliza os valores Xg,Yg,Zg. Os coeficiente Xb,Yb,Zb podem ser obtidos com um vector unitário B nas coordenadas X, Y,Z.

61 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 vermelho=700 nm, verde=546.1 nm e azul=435.8 nm O branco de referência tem um espectro plano com R=G=B=1 Sistema CIE {X,Y,Z} Y=luminância Os valores dos tr~es 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: Y=luminância, I,Q=crominância Usada para transmissão de TV na América do Norte Esta tabela mostra as matrizes de transformação correspondentes a várias coordenadas de cores

62 Espaço de Cores NTSC Matrizes 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 O sistema de recepção primário do National Television Systems Committe (Rn,Gn,Bn) é a norma para os receptores de TV na América do Norte. Adoptou três primárias de fósforo que se iluminam nas regiões vermelha, verde e azul do espectro visível. Como a cor aparente dum objecto é função da iluminação, a verdadeira cor dum objecto é revelada apenas sob luz branca ideal, que é difícil de produzir. Nas experiências laboratorias são usadas três luzes brancas de referência. A iluminação A corresponde a uma lâmpada de filamento de tungsténio, a iluminação B corresponde a luz do meio-dia e a iluminação C a um luz de dia típico. Para a referência de luz branca para o NSTC, em que foi escolhida a iluminação C, Rn=Gn=Bn=1. Sistema de transmissao NTSC Embora o NTSC use o sistema de cores {Rn,Gn,Bn} para os receptores de TV, o sistema de transmissão utiliza o sistema de core {Y,I,Q} para facilitar o uso de canais de televisão monocromática sem aumento da largura de banda. A coordenada Y é a luminância dacor e simultaneamente funciona como canal monocromático num televisor monocromático. Os canais I e Q representam conjuntamente a tonalidade (cor) e a saturação da cor. Observe que a largura de banda necessária para I e Q é bastante mais pequena que a do canal Y. Assim {Y,I,Q} possibilita melhor utilização da largura de banda que os canais de cor {Rn,Gn,Bn}. As matriz de transformação são mostradas na tabela do slide.

63 Diagrama de Cromacidade PAL e NTSC
A cromacidade das cores primárias do sistema PAL e NSTC são mostrados no slide com a figura 3.18 (mostrada no próximo slide). Por um lado os sistema PAL utiliza as primárias {R1,G1,B1} com as coordenadas de cromacidade {x,y}{(0.64,0.33), (0.29,0.60),(0.15,0.06)}. Por outro lado, o sistema NTSC utiliza s primárias {R2,G2,B2} com as coordenadas de cromacidade {(0.67,0.33),(0.21,0.71),(0.14,0.08)}. O sinal de saída da cãmara dum sistema PAL é normalizado relativamente a uma referência branca D6500 cujas coordenadas de cromacidade é (0.31,0.33), enquanto a saída da câmara é normalizada relativamente a uma referência branca C cuja coordenada de cromacidade é (0.31,0.32). O diagrama de cromacidade é muito útil para experiências de mistura de cores. Observe que a cromacidade fr qualquer mistura entre duas primárias basea-se num segmento de recta que junta as primárias no diagrama de cromacidade. Considere um segmento entre G e B. As cores correspondentes aos vários pontos desse segmento representam vários tons de G e B. A seguir considere um segmento de recta a ligar C (o branco de referência para o NTSC) e qualquer cor monocromática X. A cor correspondente a vários pontos no segmento, representa a tonalidade X com diferentes valores de saturação. Se o ponto estiver perto de C, a cor correspondente será menos saturada. Vimos que o receptor de TV produz a cor misturando as primárias {R1,G1,B1} e {R2,G2,B2} para os sistemas PAL e NTSC, espectivamente. Portanto a cromocadidade da mistura das três cores primárias é limitada pelo triângulo cujos vértices são as primárias. Pode-se observar na Figura que os sistemas PAL ou NTSC disponibilizam apenas metdade das cores reproduzíveis. Contudo isto não degrada a qualidade da TV uma vez que as cenas do mundo real contêm na sua maioria as cores não saturadas da região central.

64 Exemplo 5.2 A magenta corresponde num Receptor NTSC aos valores Rn=Bn=1,Gn=0. Determinar os valores dos três estímulos e cromacidade em A) Espectro primário CIE B) Sistema de coordenadas {X,Y,Z}

65 Espaço de Cores Não Uniformes
Círculo interno R=0.2,G=0.6,B=0.2 Círculo externo R=0.2,G=0.62,B=0.2 b) Círculo interno R=0.2,G=0.2,B=0.62 Círculo externo R=0.2,G=0.2,B=0.6 Os espaços de cores {R,G,B} e {Y,I,Q} representam as cores eficientemente e são bastante usados na prática. Contudo, esses espaços de cores têm uma desvantagem principal. O espaço euclideano entre dois pontos de cor nesses espaços podem não corresponder à distância perceptual entre essas duas cores. A figura 3.20 demonstra isto com um exemplo MATLAB simples. A figura a) mostra dois cículos verdes concêntricos . A cor correspondente ao círculo interno é R=0.2,G=0.6,B=0.2 (valores normalizados) no espaço de cores RGB. Os correspondentes valores de pixel, usando 8 bits são para o círculo interno são r=51,g=153,b=51. A cor correspondente ao círculo externo é representado com r=0.2,g=0.62,b=0.2 com os valores de pixel r=51,g=158 e b=51. Observe que os dois círculos têm uma distância euclideana de 0.2 A distância é bastante pequena mas as cores são do ponto de vista perceptual bastante similares, mas podem ser ainda distinguidos. A parte b) da figura mostra dois círculos azuis concêntricos. A cor correspondente ao círculo interior é representado por r=0.2,g=0.2 e b=0.6 no espaço de cores RGB. Os correspondentes valores de pixel, usando 8 bits, são r=51,g=51 e b=158. Observe que as duas cores têm também uma distância euclideana de 0.2. Contudo as cores são indistinguíveis. Em muitas aplicações tal como extracção de características da cor, um espaço uniforme de cores pode disponibilizar um maior desempenho. . O diagrama da escala uniforme de cromacidade (UCS- Uniform Chromacity Space) do CIE foi derivado do diagrama de cromocidade de 1931 do CIE, esticando-o irregularmente de forma à distância corresponder mais esteritadamente à diferença perceptível. Os três componentes de cor no espaço CIE são normalmente designados por {U,V,W}. A matriz de transformação correspondente foi apresentada na fila 4 da tabela do slide anterior. Experiência do espaço perceptual com dois círculos concênctricos no espaço de cores RGB. Distância euclideana nos dois casos é 0.02

66 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)

67 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: é o pico de amplitude da flutuação é a frequência de flutuação Se f não for muito alta, a fonte torna-se vaciliante

68 Propriedades temporais da visão
Foi observado na secção 2 que a sensibilidade do SVH é baixo para frequências espaciais altas. Esta propriedade pode ser explorada em várias aplicações de processamento de imagem. Quando se considera o vídeo depara-se com outro problema. Um câmara de vídeo normalmente filma o vídeo filmanado um rápida sucessão de imagens. Um dispositivo de visualização (TV, monitor de computador), mostra os quadros individuais a uma taxa constante. Se a taxa de quadros exceder um determinado limiar (taxa de quadros crítica) o SVH não consegue distingui-los e vídeo parece contínuo. Esta taxa de quadros crítica é importante para a concepção de dispositivos de captura e visualização de vídeo. Observe-se que a taxa crítica depende de vários factores como as condições de visualização e do conteúdo do vídeo. Foram feito um grande número de estudos para determinar a taxa de quadros crítica e a sua dependência dos estímulos de teste. Um ambeinte experimental simples de estabelecer é explicado aqui. Nesta experiência uma fonte pontual de luz é feita flutuar à volta dum valor de luminância L de caordo com a seguinte equação: Onde delta L é o pico de amplitude da flutuação e f é a frequência em Hz. Se delta L for suficientemente grande e f não for muito alta, essa fonte parece vacilar, trémula. Para um determinado valor de f, o valor de delta L que produz um limiar de vacilação é determinada experimentalmente. Vamos considerar esse valor como delta(Ln). A relação L/delta(Ln) é conhecida como sensibilidade de contraste temporal do SHV. A figura mostra essa sensibilidade de contraste temporal para dois níveis de iluminação como função de f. Neste experimento,a iluminação é expressa em trolands, que é uma unidade de iluminação retinal. Como uma aproximação 100 trolands é equivalente a 10 cd/m2 no ecrã. Como se pode observar na figura, o olho é mais sensível à vacilação com luminâncias altas. Contudo ele actua como filtro passa baixo para as frequ~encias temporais. Esta propriedade é fundamental para a concepção de TVs e ecrãs de computadores que usam pelo menos 50 quadros ou campos por segundo.