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

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2 1 Sistema Visual Humano e Percepção Joaquim Macedo Departamento de Informática da Universidade do Minho

3 2 Sumário  Introdução  Sistema Visual Humano  Representação da Cor  Propriedades Temporais da Visão

4 3 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

5 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

6 5 Espectro de visão

7 6 Detecção de objecto

8 7 Detecção do objecto Fonte Superfície Produto

9 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

10 9 Sistema Visual Humano

11 10 Sistema Visual Humano  Eficiência relativa da Luminosidade  Lei de Weber  Função de Transferência de Modulação  Modelo SVH

12 11 Olho humano  O olho humano é um sistema de imagem completo. Parte da testa (Temporal) Parte do nariz (Nasal) Córnea Humor Aquoso Pupila Iris Músculo ciliário Eclerótica Fovea Retina Nervo Óptico Humor Vítreo Lentes do olho Coróide Ligamento de suspensão

13 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

14 13 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 Íris aberta Pupila dilatada Íris fechada Pupila contraída Pupila

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

16 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. Músculo relaxado Ligamentos tensos Objecto distante Músculo contraído Ligamentos frouxos Objecto próximo

17 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 Humor Aquoso

18 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 Nervo óptico Fovea

19 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 Camada plexiforme foto- receptores Coróide Nervo óptico Luz

20 19 Sistema Visual Humano Formação de Imagem Controlo de Exposição Detecção Processamento •Córnea •lente •Íris/pupila •Photoreceptor sensitivity •Retina •Bastonetes •Cones •Cérebro

21 20 Formação de Imagem Objecto Imagem

22 21 Formação de Imagem no Olho  Exemplo:  Cálculo da imagem retinal dum objecto

23 22 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

24 23 Eficiência de luminosidade relativa

25 24 Contraste Simultâneo

26 25 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. I I+  I

27 26 Função de Transferência de Modulação Preto Branco

28 27 Sensibilidade à Frequência

29 28 Resposta à frequência do olho

30 29 Resposta à frequência 2D

31 30 Função de resposta de impulso unidimensional

32 31 Efeito de mach band Actual brightness Perceived by you

33 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.

34 33 Efeito Mach Band

35 34 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

36 35 Representação da Cor

37 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

38 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

39 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

40 39 Representação da Cor Explicação pictórica dos atributos Brilho Tonalidade ou cor Saturação -+ +-

41 40 Cor ou tonalidade É o atributo mais estreitamente relacionado com o estímulo do comprimento de onda. Diferentes cores têm tonalidades diferentes.

42 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

43 42 Brilho  Relaciona-se com a quantidade de luz proveniente da fonte ou reflectida pelo objecto

44 43 Representação da Cor Brilho versus Saturação Brilho Saturação

45 44 Representação da Cor Tonalidade versus Saturação Disco da Cor dá informação sobre a cor e a saturação

46 45 Espaço de Cores Representação Perceptual

47 46 Espaço de Cores Representação Perceptual

48 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

49 48 Espectro de absorção Para os 3 tipos de cones

50 49 Espectro de absorção Espectro de absorção típico dos três tipos de cones da retina humana.

51 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?

52 51 Unificação de cores

53 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

54 53 Mistura Aditiva de Cores

55 54 Mistura subtractiva de cores a) b) c)

56 55 Curvas dos três estímulos

57 56 Curvas de três estímulos

58 57 Espaço de cores CIE

59 58 Diagrama de Cromacidade

60 59 Modelos de Cores Transformações das primárias

61 60 Matrizes de Transformadas

62 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

63 62 Espaço de Cores NTSC Matrizes de transformação para outros sistemas apartir das primárias do receptor Rn,Gn,Bn Sistema de CorMatriz de saídaMatriz de Transformação Espectral Primário CIE Sistema de Transmissão NTSC UCS, Sistema de três estímulos da CIE... Sistema X,Y,Z da CIE...

64 63 Diagrama de Cromacidade PAL e NTSC

65 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}

66 65 Espaço de Cores Não Uniformes Experiência do espaço perceptual com dois círculos concênctricos no espaço de cores RGB. Distância euclideana nos dois casos é 0.02 Círculo interno R=0.2,G=0.6,B=0.2 Círculo externo R=0.2,G=0.62,B=0.2 Círculo interno R=0.2,G=0.2,B=0.62 Círculo externo R=0.2,G=0.2,B=0.6 a)b)

67 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)

68 67 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 Propriedades temporais da visão

69 68 Propriedades temporais da visão


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