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

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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

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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) [email protected]

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) [email protected]

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