Il sistema visivo umano
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Il sistema visivo umano
• Luce e spettro elettromagnetico
• Grandezze radiometriche e fotometriche
• Visione umana
• Acqusizione con CCD
• Rappresentazione del colore
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Luce e spettro elettromagnetico
Lo spettro elettromagnetico
può essere espresso in
termini di frequenze,
lunghezza d’onda ed
energia
λ=c/ν
E=hν
c = 2,998 x 108 m/s
h costante di Planck
Lo spettro visibile si estende
da 0,43µm a 0,79 µm
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Luce e spettro elettromagnetico
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Luce e spettro elettromagnetico
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Caratterizzazione dell’immagine
L'immagine può essere caratterizzata come una
distribuzione bidimensionale di intensità (luminosa):
f=f(x,y)
f è detta irradianza o illuminanza, ed è definita come:
E=dΦ/dS(flusso per unità di superficie) w x m-2
Unità di misura: il Lux [Lm/m2] e il Lambert [Lm/cm2].
• il lumen è una misura della "quantità di luce" generata
• il lux è una misura relativa all'area piana tangente la porzione sferica
• 1 lumen su un'area di 1 m2 corrisponde ad 1 lux, mentre lo stesso lumen concentrato in
1 cm2 corrisponde a 10 000 lux
– Lm: 1 Watt emesso a 555,02nm Φ = 683 Lumen
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Caratterizzazione dell’immagine
Energia trasmessa W [w x s = Joule] alla quale
corrisponde l’energia luminosa Q [Lm x s]
Potenza (flusso di energia) Φ= dW/dt [watt] alla
quale corrisponde il flusso luminoso misurato in
Lumen[Lm]
Intensità radiante I = dΦ/dΩ [w x sr-1] alla quale
corrisponde l’intensità luminosa [Lm/sr =
candela]
Una candela è pari all'intensità luminosa di una sorgente emettente alla frequenza di
540 · 1012 Hz e di intensità radiante di 1/683 di watt per steradiante.
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Le grandezze radiometriche caratterizzano
la realtà fisica del fenomeno luminoso (non
la sensazione prodotta dal sistema visivo).
Le grandezze fotometriche mettono in
relazione la realtà fisica del fenomeno
luminoso con la sensazione visiva.
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Grandezze radiometriche
• Irraggiamento: potenza energetica per unità
di superficie di un elemento ricettore.
• Emettenza: potenza energetica per unità di
superficie di un elemento sorgente di energia
luminosa.
• Intensità: potenza energetica irradiata per
unità di angolo solido.
• Radianza: potenza energetica irradiata per
angolo solido e superficie proiettata
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Grandezze radiometriche
Energia W (joule)
Potenza energetica Φ=dW/dt (watt)
Grandezza
Definizione
Unità
Irraggiamento
dΦ/dSr
watt/m2
Emettenza
dΦ/dAs
watt/m2
Intensità
dΦ/dΩ
watt/sterad
Radianza
dΦ/(dΩdScosθ)
watt/(sterad m2)
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Le misure radiometriche possono essere messe
in relazione con le misure fotometriche
mediante la funzione di luminosità
(sperimentale).
Questa rappresenta la risposta dell’occhio
umano al variare della lunghezza d’onda.
Si osservano due campi luminosi contigui, uno è costituito da una sorgente
d’intensità nota, l’altra da una sorgente che emette su una lunghezza
d’onda lievemente diversa.
L’osservatore varia la luminosità della seconda sorgente fino a percepire
una uguale intensità dalle due aree. La funzione di luminosità è ottenuta
diagrammando il rapporto fra le intensità dei due campi luminosi in
funzione della lunghezza d’onda della sorgente incognita.
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Funzione di luminosità
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Grandezze fotometriche
L’unità di misura fondamentale è la candela (intensità
luminosa di una sorgente costituita da 1/60 cm2 di
superficie di un corpo nero alla temperatura di
2045˚K)
(ventesima parte dell’intensità emessa in direzione
normale da un cm2 di platino alla temperatura di
fusione, 1770˚C)
lumen (lm) (unità fotometrica del flusso luminoso)
1 Watt di radiazione emesso a 555,02 nm produce un
flusso luminoso di 683 Lumen.
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Grandezze fotometriche
Grandezza
Definizione
Unità
Illuminamento
dΦ/dSr
Lumen/m2
Emettenza
luminosa
dΦ/dSs
Lumen/m2 (lux)
Intensità
dΦ/dΩ
Lumen/sterad
Luminanza
dΦ/(dΩ dAp)
Lumen/(sterad m2)
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GRANDEZZE ENERGETICHE
DEFINIZIONE
SIMBOLO
GRANDEZZE FOTOMETRICHE
UNITÀ DI
MISURA
DEFINIZIONE
SIMBO
LO
UNITÀ DI
MISURA
vλ = coefficiente di visibilità in funzione di λ
si misura in Lumen/ Watt
ENERGIA TRASMESSA
W
Joule
QUANTITÀ DI LUCE
Lumen x ora
FLUSSO LUMINOSO =
Quant. di luce per secondo
Q=∫
vλdW
Φv = dQ/
dt
FLUSSO DI ENERGIA =
energia per unità di tempo
Φ = dW/dt
Watt
INTENSITÀ RADIANTE =
Flusso per unità di angolo
solido
Iθ = dΦ/dΩ
Watt/sterad.
INTENSITÀ LUMINOSA =
flusso lumin. per Sterad.
Iθ = dΦv /
dΩ
Cd = Candela
internaz.
IRRAGGIAMENTO o
POTERE EMISSIVO =
Flusso per unità di superf.
E = dΦ/ dS
Watt/m2
ILLUMINAMENTO o
RADIANZA = flusso lumin.
per unità di superficie
L = dΦv /
dS
Lux =
1 candela a
1 metro di
ditanza
fot = 104 lux
IRRAGG. o POTERE
EMISSIVO SPECIFICO =
Potere emissivo per
intervallo unitario di λ
eλ = dE/dλ
Watt/m2 .nm
RADIANZA =Intensità
radiante per unità di
superf.
normale
R=
dI/dS cos θ
Watt/
Sterad . m2
∑=
d Iθ /dS
cosθ
cd /m2
Stilb =
cd / cm2
BRILLANZA o LUMINANZA
Intensità per unità di
superficie normale
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Lumen =
flusso dato da
1 Lux su 1 m2
Caratterizzazione dell’immagine
Una immagine può essere caratterizzata come la
distribuzione spaziale di energia radiante prodotta
da una sorgente luminosa: f = f(x,y,λ,t);
f è reale, non negativa, finita e limitata (rispetto alle
variabili spaziali e temporale).
L'immagine effettivamente percepita (da un
osservatore umano) o acquisita (mediante un
trasduttore) è la f modificata dalla risposta
dell'osservatore o del trasduttore, tipicamente
secondo una media temporale e una media rispetto
alle varie lunghezze d'onda.
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Struttura dell’occhio umano
L’occhio umano è di forma approssimativamente sferica,
con un diametro medio di circa 20 mm.
Tre membrane circondano
l’occhio:
La cornea (trasparente,
parte anteriore) e la
sclera (opaca, parte
posteriore)
La coroide, ricca di vasi
sanguigni e
pesantemente
pigmentata
La retina, contenente i
ricettori fotosensibili.
http://webvision.med.utah.edu/
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Struttura dell’occhio umano
L’estremità anteriore della coroide costituisce l’iride, un
diaframma che si contrae e si espande per regolare la
quantità di luce che entra nell’occhio
L’apertura centrale dell’iride è la pupilla, il cui diametro
varia da 2 a 8 mm circa
La lente o cristallino, in larga misura costituita da acqua e
grassi, contiene un pigmento che le conferisce una lieve
colorazione gialla, che si appesantisce con
l’invecchiamento. La lente assorbe circa l’8% della luce
incidente, in maniera non uniforme rispetto allo spettro
della luce visibile (l’assorbimento è maggiore nella
regione del blu)
Sia la radiazione infrarossa che l’ultravioletta sono invece
assorbite in maniera notevole, e se di entità eccessiva
possono danneggiare l’occhio.
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Struttura dell’occhio umano
La retina occupa l’intera parete posteriore dell’occhio.
Quando un oggetto o una scena sono messe a fuoco
dalla lente, l’immagine ottica è proiettata sulla retina,
consentendo ai ricettori fotosensibili di assorbire l’energia
della radiazione elettromagnetica e di convertirla in
segnali elettrochimici che vengono convogliati verso il
cervello attraverso le fibre nervose che costituiscono il
nervo ottico
I ricettori presenti nella retina sono di due tipi: coni e
bastoncelli
I coni (circa 6 o 7 milioni per occhio) sono concentrati
principalmente nella porzione centrale della retina,
detta fovea, e sono fortemente sensibili al colore.
I coni sono attivati in condizioni di illuminazione di
intensità medio-alta, per cui essi sono responsabili
della cosiddetta visione diurna o fotopica
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Struttura dell’occhio umano
http://webvision.med.utah.edu/
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Struttura dell’occhio umano
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Struttura dell’occhio umano
La distribuzione dei ricettori sulla superficie
della retina è radialmente simmetrica
rispetto al punto centrale della fovea:
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Struttura dell’occhio umano
La forte concentrazione dei coni e il fatto che ogni cono sia
collegato ad una fibra nervosa danno all’occhio la
capacità di discriminare dettagli molto fini, in condizioni di
illuminazione medio-alta
A tal fine, i muscoli che controllano l’occhio ruotano il globo
oculare finché l’immagine dell’oggetto di interesse non
cade all’interno della fovea, che rappresenta pertanto la
zona di massima acuità visiva. Essa ha un diametro di
circa 1.5 mm
I bastoncelli, in numero molto maggiore (da 75 a 150
milioni per occhio) sono distribuiti in modo più uniforme
sull’intera superficie della retina e sono praticamente
insensibili al colore
I bastoncelli sono attivati in condizioni di illuminazione di
bassa intensità, per cui essi sono responsabili della
cosiddetta visione notturna o scotopica
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Struttura dell’occhio umano
Inoltre, la distribuzione in un’area più ampia e il fatto che
parecchi bastoncelli siano collegati ad un’unica fibra
nervosa diminuisce la capacità di risoluzione dei dettagli:
i bastoncelli danno cioè un’immagine globale e meno
precisa della scena presente nel campo visivo
Per questi motivi la visione notturna è caratterizzata dalla
assenza di colore e da scarsa acuità
La mancanza di ricettori nella zona in cui si innesta il nervo
ottico dà luogo al cosiddetto punto cieco: il movimento
continuo del globo oculare durante la visione evita però
la mancanza di percezione in questa zona.
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Movimenti oculari
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Movimenti oculari
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Funzione di luminosità
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Effetto Purkinije
Spostamento del massimo di sensibilità, dovuto
all'utilizzo, da parte dell'occhio, prima di coni e poi
di bastoncelli.
I bastoncelli, che funzionano in condizioni di bassa
visibilità, vedono meglio il blu di quello che fanno i
coni, i quali possono vedere luce rossa, luce che
per i bastoncelli appare nera. Se si hanno due
pezzi di carta colorata rossa (65%) e blu (2%), con
il primo più luminoso del secondo in condizioni di
buona luminosità, passando all'oscurità l'effetto si
inverte.
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Effetto Purkinje
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Definizione e perfetta
individuazione di un colore
Spettro di riflettanza: la percentuale di luce
che viene riflessa indietro per ogni
lunghezza d’onda molti sensori su
singole lunghezze d’onda
La risposta del nostro sistema visivo è
mediata dalla presenza di soli tre coni
non è possibile analizzare lo spettro in
dettaglio.
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Metamerismo
Due colori pur avendo spettri di riflettanza
completamente diversi appaiano dello
stesso colore
Due stimoli che appaiono identici si dicono
metamerici
Spettroradiometri e colorimetri
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Costanza cromatica
Se ogni cambiamento di illuminazione (quindi
di colore) venisse percepito dal sistema
visivo umano lo stesso oggetto
apparirebbe di colore diverso a seconda del
contesto in cui lo si osserva (luce diurna/
artificiale).
Filtri per la compensazione
cromatica
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Costanza cromatica
Capacità del nostro cervello, detta anche
costanza di colore, che ci permette di
continuare a vedere un oggetto dello stesso
colore anche sotto sorgenti spettralmente
molto diverse
Gli oggetti tendono ad apparire sempre dello
stesso colore nonostante cambino le
condizioni di illuminazione
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Costanza cromatica
Esperimento di Land (1974)
Il colore di una superficie all’interno di uno scenario
complesso non dipende solo dallo stimolo fisico. Il
nostro cervello deve essere in grado di valutare le
caratteristiche spettrali di un illuminante e deve
poter ricostruire le caratteristiche della superficie
illuminata, deve ciò saper “sottrarre l’illuminante”
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Costanza cromatica
È necessario avere a disposizione almeno due
superfici di colore diverso all’interno della scena
osservata
Il sistema visivo può valutare i rapporti di riflettanza
tra i vari colori.
Dati due oggetti, il loro rapporto spettrale rimane
costante anche al variare dell’illuminazione
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Spettroradiometri e colorimetri
Spettroradiometro: fornisce lo spettro di
riflettanza della superficie osservata.
Colorimetro: luce riflessa viene inviata su tre
diverse fotocellule sensibili alle lunghezze
d’onda corte, medie e lunghe. Non rileva il
metamerismo.
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Discromatopsie
Disfunzioni nella visione dei colori.
–Protaunopia (manca rosso)
–Deuteranopia (manca verde)
–Tritanopia (manca blu)
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Test di Ishihara
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la più comune forma di daltonismo
(totale confusione tra rosso e verde)
Le persone dotate di normale capacità di
discriminazione dei colori, nei riquadri leggono
rispettivamente i numeri: 42, 37 e 58;
Quelle affette dalla più comune forma di daltonismo
leggono: 2, 7, 58
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Struttura dell’occhio umano
Una considerazione quantitativa interessante può
essere la seguente:
Supponiamo che la fovea sia un quadrato di 1.5 mm x
1.5 mm. Poiché la densità dei coni in questa regione è
di circa 150,000 per mm2, la fovea può essere
considerata come un array quadrato di circa
337,000 fotosensori
La tecnologia odierna consente sicuramente di
realizzare chip di sensori di dimensioni paragonabili
I problemi della visione artificiale non sono quindi nei
sensori, ma nel fatto che oggi non è ancora possibile
integrare l’intelligenza e l’esperienza che gli esseri
umani usano per completare il processo di percezione
visiva
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Formazione dell’immagine
nell’occhio
La lente dell’occhio presenta un raggio di
curvatura maggiore nella superfice anteriore
rispetto a quella posteriore.
È flessibile e la sua forma è controllata dalle
fibre del corpo ciliare (oggetto lontano lente
piatta, oggetto vicino lente spessa).
La distanza tra il centro della lente e la retina
(lunghezza focale) varia da 17mm a 14mm
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Formazione dell’immagine
nell’occhio
L’altezza h sulla retina è data da:
15/100 = h/17 h = 2,55mm
I recettori eccitati dalla luce trasformano l’energia radiante in impulsi elettrici
successivamente interpretati dal cervello.
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Luminosità soggettiva
La gamma dei livelli di intensità ai quali l’occhio può
adattarsi è enorme, dell’ordine di 1010, dalla soglia
scotopica al limite dell’abbagliamento
La luminosità soggettiva (cioè la luminosità
percepita dal sistema visivo umano) è una funzione
logaritmica dell’intensità della luce incidente
sull’occhio
E’ importante notare che l’occhio non funziona
simultaneamente sulla intera gamma dei livelli.
Piuttosto, il sistema passa attraverso una serie di
livelli di adattamento alla intensità della luce.
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Luminosità soggettiva
Se per esempio l’occhio si trova, in certe condizioni
ambientali, al livello di adattamento Ba, la gamma dei livelli
che esso può discriminare è soltanto quello indicato dalla
curva corta, che ha Bb come limite sotto il quale nessuno
stimolo produce una sensazione diversa dal nero.
La porzione tratteggiata indica che
a livelli superiori a Ba in realtà
l’occhio si sposta su un livello di
adattamento superiore
E’ molto importante la capacità
dell’occhio di discriminare tra
variazioni della luminosità, ai
diversi livelli di adattamento
Una grandezza utile, in termini
quantitativi, è il cosiddetto
rapporto di Weber
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Rapporto di Weber
Esperimento per determinare la capacità
dell’occhio di discriminare livelli di luminosità:
si osserva un’area unifomemente illuminata
(intensità I) che copre l’intera area visiva. Al
centro del campo si applica un incremento di
intensità (ΔI) sottoforma di spot circolare di
breve durata.
ΔI è incrementato finchè è percepito il 50% delle
volte dall’osservatore (ΔIc).
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Rapporto di Weber
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Rapporto di Weber
un piccolo valore di ΔI/ I
significa che una piccola
variazione percentuale
dell’intensità è
discriminabile (quindi una
buona capacità di
discriminazione delle
variazioni) Viceversa, alti
valori del raporto di
Weber indicano la
necessità di forti
variazioni di luminosità,
affinchè le variazioni
stesse siano avvertibili.
La capacità di discriminazione
migliora al crescere del livello
di illuminazione (dai bastoncelli
ai coni)
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Luminosità soggettiva
La luminosità percepita
non è soltanto
funzione
dell’intensità
Il sistema visivo
umano tende a
“confondersi” al
confine fra zone di
differente intensità
Benché l’intensità sia a
strisce di valore
costante, la
sensazione è di un
pattern di luminosità
variabile, in
particolare al confine
fra le strisce.
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Luminosità soggettiva
Contrasto simultaneo: il contesto contribuisce alla
determinazione della luminosità di una regione.
I quadrati hanno la stessa intensità, ma quello su
sfondo scuro appare più chiaro di quello su sfondo
chiaro. Appaiono uguali solo quando sono a
contatto.
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Cornsweet Effect
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Cornsweet Effect
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Contrasto cromatico
Il colore soggettivo dipende dal contesto
Se lo sfondo è scuro il colore diventa più chiaro
Se lo sfondo è chiaro il colore diventa più scuro
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Illusioni ottiche
Fenomeni percettivi:
l’occhio viene
ingannato dalle
caratteristiche, anche
geometriche, della
scena e ne desume
informazioni errate o
inesistenti.
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Illusioni ottiche
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Pareidolia
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Blur & figure-ground reversal
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HALLUCII
Goo-Shun Wang
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Afterimage effect
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Afterimage Effect
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Afterimage
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Afterimage
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