LUZ, COLOR, VISION Y PERCEPCIÓN VISUAL

LUZ, COLOR, VISION
Y PERCEPCIÓN
VISUAL
Constantino Pérez Vega
Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones
2011
1
Espectro visible
2
Luz blanca incidente
Luz azul reflejada
Los fotones de longitudes de onda diferentes a la
del azul son absorbidas por el objeto
3
Efectos de la iluminación
4
Distribución espectral de la luz solar en las longitudes de onda del
espectro visible
5
Iluminantes estándard (CIE)
Espectro visible
6
Respuesta espectral de diferentes tipos de lámparas.
(Adaptada de Benson, K.B. Television Engineering Handbook,
McGraw-Hill Book Co. 1985)
7
Normal
Onda
incidente
i
r
Onda
reflejada
Medio 1
Medio 2 (reflector)
8
9
10
Sistema óptico
La función del sistema óptico es capturar la luz emitida o reflejada por los objetos
tridimensionales con la mayor fidelidad posible y conducirla a un detector o sensor
en que la imagen, es almacenada, transmitida o reproducida en dos dimensiones.
SISTEMA
OPTICO
SISTEMA
ELECTRONICO
Escena
tridimensional
Almacenamiento
Transmisión
Visualización
Un sistema óptico consiste de una sucesión de elementos que pueden incluir
lentes, espejos, fuentes luminosas, prismas, dispersores, filtros, fibras ópticas y
detectores, entre otros.
Sistema óptico: Función de Transferencia de Modulación (MTF)
http://www.microscopyu.com/articles/optics/components.html
Lentes
13
Lentes: Biconvexa
14
Lentes: Bicóncava
15
Potencia óptica (no confundir con potencia óptica de una señal)
También:
Potencia óptica, refractiva, de enfoque o de convergencia.
Es el recíproco de la distancia focal, f, y se mide en dioptrías (m-1)
1
1
1  n  1d 
 ( n  1)  

f
nR1 R2 
 R1 R2
Donde:
f es la distancia focal,
n es el índice de refracción del material de la lente,
R1 es el radio de curvatura de la lente más cercano a la fuente luminosa,
R2 es el radio de curvatura de la superficie de la lente más lejano a la fuente luminosa, y
d es el espesor de la lente como se indica en la figura 7.
16
Principales tipos de lentes
17
Aberración esférica
18
Aberración cromática
19
Lente compuesta acromática
20
Lentes compuestas
21
22
Sistema óptico de una cámara reflex
23
Cámara Reflex
24
Lentes zoomar para cámaras fotográficas
25
Lentes zoomar TV – c.1950
28
Lentes zoomar TV – c.1955
29
Lentes Zoomar
30
COLOR
31
Características del color
Perceptual (subjetivo)
Psicofísico (objetivo)
Matiz o tonalidad
Longitud de onda dominante
Saturación o pureza
Pureza de la excitación luminosa
Brillo
Luminancia
Luminosidad
Reflectancia o transmitancia luminosa
32
iz
Mat
a
Azul Verdoso
Ama
rillo
e
Az
Verd
erd
Ve
ul
l
lo
Circulo de Matiz de Munsell
Valor
ril
Ama
Neutro
P
B
G
Na
ur
rp
ura
u
Az
rarpu
ú
P
67
8
9
10
ra
n
ú
-P
jo
Rojo
Ro
Pú
rp
34
5
ja
12
10
9
8
7
6
5
R
Croma
4
3
2
1
Cilindro de Munsell
33
34
Fondo negro (monitor)
Fondo blanco (papel)
Mezclas aditiva y substractiva de colores
35
Azul
Magenta
Cyan
Blanco
Negro
Verde
Rojo
Amarillo
Espacio de color RGB y CYMK
36
G
R
B
37
38
EL OJO Y EL SISTEMA VISUAL HUMANO
39
Todos los mamíferos y la
mayor parte de los
animales perciben el
mundo exterior mediante
los ojos y los oídos
40
Percepción visual humana
Percepción auditiva humana
¿Como funciona el sistema
visual humano?
¿Como funciona el sistema
auditivo humano?
¿Qué ve el ojo?
¿Qué oye el oído?
Aspectos físicos
Aspectos fisiológicos
Aspectos psicofisiológicos
41
El ojo humano, en una primera aproximación, puede considerarse
similar a una cámara obscura.
Cámara obscura
Ojo humano
42
Cámara obscura
43
Los medios refractivos del ojo
La luz reflejada por los objetos externos se enfoca sobre la retina por la acción
refractiva de la córnea y del cristalino.
La córnea es responsable de aproximadamente el 60% del poder refractivo. La lente
del cristalino, lo es del 40% restante.
El poder refractivo de una lente se expresa en dioptrías que son el recíproco de
la distancia o longitud focal de la lente (m-1).
Distancia focal: Distancia del eje de la lente al punto de enfoque.
44
Medios refractivos del ojo
Córnea
Índice de refracción
nD=1.376
Diámetro de la lente
d=0.5 mm
Radios de curvatura
r1=7.7 mm
Poder refractivo
45 dioptrías
r2=6.8 mm
Humor Acuoso
Índice de refracción
nD=1.336
Diámetro de la lente
d=3.1 mm
Cristalino
Índice de refracción
Variable; nD=1.41 en el núcleo a nD=1.37 en la periferia
Diámetro de la lente en reposo
d=3.6 mm
Radios de curvatura en reposo
r1=10 mm
Poder refractivo
18 dioptrías
r2=‐6 mm
Humor Vítreo
Índice de refracción
nD=1.337
45
Miopía
46
Esclerótica o esclera: Membrana exterior que recubre al ojo y actúa como
protección
Coroides: Membrana intermedia entre la esclera y la retina, con numerosos vasos
sanguíneos que proporcionan los nutrientes a los órganos del ojo.
Retina: Es la membrana más interior del ojo en la que se encuentran las células
fotorreceptoras responsables de convertir la energía luminosa en señales eléctricas
para su transporte y procesado en el cerebro.
Coroides
Córnea
Nervio óptico
Pupila
Retina
Esclera
Cristalino (lente)
47
Esquema del ojo humano
48
Estructura del ojo
49
Punto ciego
Lente
Pupila
Iris
51
Iris y Pupila
Pupila dilatada
52
Diámetro de la pupila en función de la luminosidad
Ref. Pender, H. & McIlwain, K. Electrical Engineers Handbook –
Electric Communication and Electronics. 4th Edition. Wiley, 1957
Estructura de los medios refractivos del ojo
53
55
56
57
Acomodación
Acomodación máxima en dioptrías
Distancia al objeto más cercano en cm
Edad en años
Ref. Pender, H. & McIlwain, K. Electrical Engineers Handbook –
Electric Communication and Electronics. 4th Edition. Wiley, 1957
58
Cataratas
59
Degeneración macular
60
La Retina
Contiene dos clases de células fotorreceptoras:
Bastones:
• Todos del mismo tipo
• Distribuidos en toda la retina
• Son muy sensibles a la intensidad luminosa
• No son sensibles a la longitud de onda (color)
• Responsables de la visión nocturna o escotópica
Conos:
• Tres tipos, sensibles a diferentes longitudes de onda (SML)
• Menos sensibles que los bastones
• Concentrados en el fondo del ojo.
• Responsables de la visión cromática, fotópica o diurna.
62
63
Capa plexiforme
externa
Capa plexiforme
interna
64
65
Distribución de conos y bastones en la retina
Esquema simplificado del mecanismo ojo-cerebro, en la región fuera de la fóvea
CENTENARES
DE CONEXIONES
110 a 130
MILLONES
DE BASTONES
CELULA
GANGIONAR
Nº 1
FIBRA NERVIOSA Nº 1
CEREBRO
DECENAS DE
CONEXIONES
6A7
MILLONES
DE CONOS
CELULA
GANGLIONAR
Nº 1,000,000
FIBRA NERVIOSA Nº 1,000,000
NERVIO OPTICO
Adaptado de Digital TV Fundamentals, 2nd. Edition
Michael Robin & Michel Poulin.
McGraw-Hill, 2000.
68
69
Sinapsis química
Sinapsis eléctrica
70
Voltaje transmembrana (mV)
Se cierran los
canales de Na+
Se abren los
canales de K+
K+ comienza
a entrar
K+ continua saliendo
y el potencial vuelve a
su estado de reposo
Repolarización
Despolarización
Canales de K+ y Na+
cerrados
Se abren los
canales de Na+
entra Na+
K+ en exceso
se difunde en
el exterior
Fig. Potencial de acción
71
Células fotorreceptoras
73
74
75
76
¿Qué vemos?
Aspectos perceptuales de la visión
Luminancia. Cantidad de energía luminosa (luz) emitida o
reflejada por una superficie en el rango de longitudes de onda
del espectro visual. También se designa como brillo fotométrico.
Brillo. Es la expresión subjetiva de la luminancia referida al
ojo humano.
Contraste. Es la relación entre las luminancias de un objeto y su
entorno.
Los términos psicofísicos se relacionan de forma aproximada con los términos perceptuales en la forma siguiente:
Perceptual
(subjetivo)
Psicofísico (objetivo)
Matiz o tonalidad
Longitud de onda dominante
Saturación o pureza
Pureza de la excitación luminosa
Brillo
Luminancia
Luminosidad
Reflectancia o transmitancia luminosa
UMCP ENEE631 Slides (created by M.Wu © 2001/2004)
Look into Simultaneous Contrast Phenomenon
•
•
•
Human perception more sensitive to luminance contrast than absolute
luminance
Weber’s Law: | Ls – L0 | / L0 = const
– Luminance of an object (L0) is set to be just noticeable from luminance of
surround (Ls)
– For just-noticeable luminance difference L:
L / L  d( log L )  0.02 (const)
• equal increments in log luminance are perceived as equally different
Empirical luminance-to-contrast models
– Assume L  [1, 100], and c  [0, 100]
– c = 50 log10 L (logarithmic law, widely used)
– c = 21.9 L1/3 (cubic root law)
www.ajconline.umd.edu (select ENEE631 S’04)
minwu@eng.umd.edu
UMCP ENEE631 Slides (created by M.Wu © 2004)
Mach Bands
Figure is from slides
at Gonzalez/ Woods
DIP book website
(Chapter 2)
•
Visual system tends to undershoot or overshoot around the boundary of
regions of different intensities
 Demonstrates the perceived brightness is not a simple function of light intensity
www.ajconline.umd.edu (select ENEE631 S’04)
minwu@eng.umd.edu
González, R. C. and Woods, R.E.
Digital Image Processing, 3rd Ed.
Pearson Education Inc. 2008
González, R. C. and Woods, R.E.
Digital Image Processing, 3rd Ed.
Pearson Education Inc. 2008
González, R. C. and Woods, R.E.
Digital Image Processing, 3rd Ed.
Pearson Education Inc. 2008
Efectos de la iluminación
Contraste
88
95
96
97
98