La percezione dello spazio

La percezione dello spazio (1):
indizi monoculari
Corso di Principi e Modelli della Percezione
Prof. Giuseppe Boccignone
Dipartimento di Scienze dell’Informazione
Università di Milano
[email protected]
http://homes.dsi.unimi.it/~boccignone/GiuseppeBoccignone_webpage/Modelli_Percezione.html
La percezione dello spazio
• Introduzione alla percezione dello spazio
• Da gli indizi monoculari alla percezione dello spazio tridimensionale
• Visione binoculare e stereopsi
• La combinazione di indizi di profondità
La percezione dello spazio
• Il mondo fisico risponde alle leggi della geometria euclidea.
• Gli oggetti mantengono la stessa forma e la stessa dimensione quando si
muovono per lo spazio
• La somma degli angoli interni di un triangolo è sempre uguale a 180°
• Due linee rette parallele non si incontrano,
• etc…
La percezione dello spazio
• Realismo: Il mondo esterno esiste
• Positivisti: Il mondo dipende dalle
elaborazioni dei nostri organi di senso; esso
potrebbe essere a tutti gli effetti una
allucinazione!
• “Cosa è reale? Come definisci cosa è reale?
Se per reale intendi quello che puoi vedere,
sentire, toccare, odorare, beh allora la realtà
è composta semplicemente da segnali
elettrici interpretati dal tuo cervello. Questo
è il mondo che tu conosci.” — risposta di
Morpheus a Neo in Matrix, 1999
La percezione dello spazio
• La geometria delle immagini del
mondo proiettate sulla retina
non è euclidea visto che il
mondo tridimensionale viene
proiettato su una superficie
bidimensionale e curva come la
retina.
• Per vedere il mondo reale, che
risponde a regole di tipo
euclideo, il mio sistema visivo
deve rielaborare un input.
• Ancora un problema mal posto!
La percezione dello spazio
//problema
• E’ geometricamente impossibile per il sistema visivo creare una ricostruzione
identica dello spazio euclideo.
• Sulla base delle immagini retiniche possiamo solo avere un’indicazione sulla
possibile struttura dello spazio e degli oggetti in esso disposti
• Il problema principale, dunque, è: come fa un osservatore (umano) a
percepire lo schema spaziale delle superfici che compongono il suo
ambiente, a partire soltanto dalla luce riflessa da queste superfici?
La percezione dello spazio
//ecologia della percezione
• Lo spazio tridimensionale percepito è l’ambiente in cui un individuo agisce.
• Affinché sia possibile avere una percezione spaziale, è necessario che
l’ambiente specifichi una certa quantità e un certo tipo di informazione che
ilnostro sistema visivo possa percepire.
• Avere percezione dello spazio circostante significa percepire diverse
caratteristiche dell’ambiente visibile.
• L’insieme di tali caratteristiche si può definire il nostro schema spaziale.
• dimensioni delle superfici visibili
• la loro distanza,
• la forma
• l’orientamento
La percezione dello spazio
//ecologia della percezione
• Il nostro sistema visivo è
interfacciato direttamente con
le informazioni specificate
dall’ambiente.
Le prede hanno occhi laterali
(per massimizzare il campo)
Gibson 1979, Marr 1982
• Il sistema visivo procede per
inferenze. Le informazioni
sono“indizi”.
Gregory (1997).
I predatori hanno occhi frontali
(per la visione binoculare)
La percezione dello spazio
//indizi
• Per ricostruire gli aspetti tridimensionali dell’ambiente il sistema visivo fa uso
di una serie di indizi di profondità.
• informazioni contenute nell’ambiente circostante.
• Distinguiamo fra:
• Indizi di profondità monoculari.
• Indizi di profondità binoculari.
• Tali indizi si combinano per fornire una rappresentazione coerente dello
spazio.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari
• Indizi di profondità monoculari: non necessitano in linea di principio dell’
informazione proveniente da entrambi gli occhi.
• non significa che in situazioni normali tali indizi non provengano da entrambi gli
occhi.
• a) Occlusione
• b) Indizi di grandezza e posizionamento
• c) Prospettiva aerea
• d) Prospettiva lineare
• e) Ombreggiatura
• e) Indizi di movimento (eg: parallasse)
• f) Accomodazione
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: occlusione
• Occlusione: Un indizio di
profondità relativo che può essere
utilizzato quando un oggetto
occlude la visione di un altro
oggetto
• Ci dà informazione sull’ordine e la
posizione relativa degli oggetti.
• indizio statico, poiché non è
necessario che le superfici siano
in movimento.
• non-metrico, poiché non ci dice
nulla sulla distanza nella terza
dimensione
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: occlusione
• E’ indice di un contorno non visibile.
• Per inferire informazioni sulla profondità il sistema visivo si basa sulle
assunzioni circa la forma degli oggetti
• La configurazione che percepiamo è determinata dalla nostra esperienza passata
• Le figure in parte occluse vengono completate in accordo con la frequenza delle
forme incontrate in precedenza
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: grandezza relativa
• Indici di grandezza e posizione:
• Grandezza relativa: un confronto
della grandezza di due oggetti
senza sapere nulla sulla loro
grandezza assoluta
• L’immagine retinica formata da
un oggetto diventa più piccola
più l’oggetto è lontano.
• Sappiamo che gli oggetti piccoli
sono più lontani e utilizziamo
questo indizio di profondità
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: altezza relativa
• Normalmente oggetti a distanze
diverse dall’osservatore
appoggiati sul terreno, formano
immagini ad altezze diverse sulla
retina.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: altezza relativa
• Normalmente oggetti a distanze
diverse dall’osservatore
appoggiati sul terreno, formano
immagini ad altezze diverse sulla
retina.
• Gli oggetti più vicini saranno
proiettati nella parte bassa del
campo visivo.
• Gli oggetti più lontani saranno
invece proiettati nella parte più
alta del campo visivo.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: gradiente di tessitura
• Gradiente di Tessitura:
cambiamenti SISTEMATICI della
forma e della dimensione di
piccoli elementi della tessitura.
• Il gradiente di tessitura viene
utilizzato dal nostro sistema visivo
per percepire la distanza e la
profondità.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: gradiente di tessitura
• Gradiente di Tessitura:
cambiamenti SISTEMATICI della
forma e della dimensione di
piccoli elementi della tessitura.
• Il gradiente di tessitura viene
utilizzato dal nostro sistema visivo
per percepire la distanza e la
profondità.
• ...e anche forma e orientazione
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: combinazioni
• Altezza Relativa + Grandezza Relativa
• Possono fornire alcune informazioni metriche (relative)
• Conoscenza a priori:
• sappiamo che oggetti della stessa grandezza appaiono più piccoli quando lontani.
• gli oggetti si dispongono solitamente ordinatamente: gli oggetti più grandi in
un’area e gli oggetti più piccoli in un’altra
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: combinazioni
• Altezza Relativa + Grandezza Relativa +
Gradiente di tessitura
• Il gradiente di tessitura deve combinarsi con
la grandezza relativa e con l’altezza relativa
per dare una rappresentazione convincente
dell’ambiente.
• Nel caso in cui gli indizi entrano in conflitto la
rappresentazione dellaprofondità può risultare
compromessa
• Conoscenza a priori:
• oggetti della stessa grandezza appaiono più
piccoli quando lontani.
• gli oggetti si dispongono solitamente
ordinatamente: gli oggetti più grandi in un’area
e gli oggetti più piccoli in un’altra
illusione di grandezza
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: grandezza familiare
• Si possono ottenere
informazioni sulla profondità
avendo una conoscenza a
priori della grandezza di un
certo oggetto
• Può essere considerato a
tutti gli effetti un indice di
profondità metrico
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva aerea
• Un indizio di profondità che
si basa sulla conoscenza
implicita che l’atmosfera
diffonde la luce
• maggiore la quantità di
atmosfera tra osservatore e
oggetto, maggiore la
dispersione della luce
• oggetti più distanti sono
soggetti ad una dispersione
maggiore e appaiono più
sfumati
• Un esempio: la nebbia/
foschia
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva aerea
• Un indizio di profondità che
si basa sulla conoscenza
implicita che l’atmosfera
diffonde la luce
• maggiore la quantità di
atmosfera tra osservatore e
oggetto, maggiore la
dispersione della luce
• oggetti più distanti sono
soggetti ad una dispersione
maggiore e appaiono più
sfumati
• Un esempio: la nebbia/
foschia
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva aerea
• Un indizio di profondità che
si basa sulla conoscenza
implicita che l’atmosfera
diffonde la luce
• maggiore la quantità di
atmosfera tra osservatore e
oggetto, maggiore la
dispersione della luce
• oggetti più distanti sono
soggetti ad una
dispersione maggiore e
appaiono più sfumati
• Un esempio: la nebbia/
foschia
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva lineare
• Indizio di profondità basato
sulla conoscenza che le
linee parallele nel mondo 3D
sembrano convergere in una
immagine 2D
• Punto di fuga: Il punto
immaginario dello spazio in
cui linee parallele
convergono in profondità
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva lineare
• Indizio di profondità basato
sulla conoscenza che le
linee parallele nel mondo 3D
sembrano convergere in una
immagine 2D
• Punto di fuga: Il punto
immaginario dello spazio in
cui linee parallele
convergono in profondità
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva lineare
• Indizio di profondità basato
sulla conoscenza che le
linee parallele nel mondo 3D
sembrano convergere in una
immagine 2D
• Punto di fuga: Il punto
immaginario dello spazio in
cui linee parallele
convergono in profondità
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva lineare
• Indizio di profondità basato
sulla conoscenza che le
linee parallele nel mondo 3D
sembrano convergere in una
immagine 2D
• Punto di fuga: Il punto
immaginario dello spazio in
cui linee parallele
convergono in profondità
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
• Indizio di profondità basato
sulla conoscenza a priori del
posizionamento delle luci e
delle forme degli oggetti nel
mondo 3D, e di come
queste si proiettano in una
immagine 2D
• Ancora una volta: problema
mal posto dovuto alla
proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
• Indizio di profondità basato
sulla conoscenza a priori del
posizionamento delle luci e
delle forme degli oggetti nel
mondo 3D, e di come
queste si proiettano in una
immagine 2D
• Ancora una volta: problema
mal posto dovuto alla
proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
• Indizio di profondità basato
sulla conoscenza a priori del
posizionamento delle luci e
delle forme degli oggetti nel
mondo 3D, e di come
queste si proiettano in una
immagine 2D
• Ancora una volta: problema
mal posto dovuto alla
proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
• Indizio di profondità basato
sulla conoscenza a priori del
posizionamento delle luci e
delle forme degli oggetti nel
mondo 3D, e di come
queste si proiettano in una
immagine 2D
• Ancora una volta: problema
mal posto dovuto alla
proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
• Indizio di profondità basato
sulla conoscenza a priori del
posizionamento delle luci e
delle forme degli oggetti nel
mondo 3D, e di come
queste si proiettano in una
immagine 2D
• Ancora una volta: problema
mal posto dovuto alla
proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
• Indizio di profondità basato
sulla conoscenza a priori del
posizionamento delle luci e
delle forme degli oggetti nel
mondo 3D, e di come
queste si proiettano in una
immagine 2D
• Ancora una volta: problema
mal posto dovuto alla
proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
[illusione di Todorovic, 2005]
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
! tre tubi
[illusione di Todorovic, 2005]
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
! due tubi e una superficie incavata
[illusione di Todorovic, 2005]
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
! tre ondulazioni
[illusione di Todorovic, 2005]
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: movimento
• Le trasformazioni dinamiche dell’informazione specificata dall’ambiente dovute
al movimento genera nuove fonti di informazione spaziale
• Superfici lontane diventano più vicine,
• Superfici o parti di superfici nascoste diventano visibili
• Parallasse di movimento:
• le immagini di oggetti posti a distanze differenti dall’osservatore si muovono a diverse
velocità sulla retina,
• al mutare della posizione dell’osservatore, confronta la differenza fra due immagini
retiniche sequenziali
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: movimento
• Parallasse di movimento:
• le immagini di oggetti posti a distanze differenti dall’osservatore si muovono a diverse
velocità sulla retina,
• al mutare della posizione dell’osservatore, confronta la differenza fra due immagini
retiniche sequenziali
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: movimento
• Parallasse di movimento:
• le immagini di oggetti posti a distanze differenti dall’osservatore si muovono a diverse
velocità sulla retina,
• al mutare della posizione dell’osservatore, confronta la differenza fra due immagini
retiniche sequenziali
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: movimento
• Il treno si sposta da sinistra verso destra e gli oggetti del mondo esterno si spostano
nella direzione opposta. Alcuni si muovono più di altri.
• Il punto di fissazione non si muove lungo la retina - fovea.
• Il resto del campo visivo si muove con una velocità e in una direzione che dipende
dallarelazione di profondità con il punto difissazione
La percezione dello spazio
//indizi monoculari:
movimento
e flusso ottico
Esempi
di Flusso
Ottico
• Quando l’osservatore si muove lungo una linea
retta, il suo movimento produce un
cambiamento nella direzione angolare di molti
punti percepiti.
• Questa complessa e continua trasformazione
degli stimoli distale e prossimale si chiama
Alcuni
tratti
dello schema ottico variano, altri no
flusso
ottico.
Cambiano le direzioni relative, superfici occluse, dimensioni relative, la
compressione prospettica.
Non cambiano il gradiente di tessitura, il contatto degli oggetti con il
suolo, il punto di fuga.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: movimento e flusso ottico
• Quando l’osservatore si muove
lungo una linea retta, il suo
movimento produce un
cambiamento nella direzione
angolare di molti punti percepiti.
• Questa complessa e continua
trasformazione degli stimoli distale
e prossimale si chiama flusso
ottico.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: Gunnar Johansonn
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: movimento
• Quando il filo è immobile viene
percepito come bidimensionale.
• Quando il filo ruota lungo il suo
asse verticale viene percepito
come tridimensionale.
• Il problema è geometricamente
indeterminato: potrebbe trattarsi
di deformazioni di una forma
2D.
• Il sistema visivo normalmente
percepisce questo movimento
come il movimento di un corpo
rigido 3D.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: Kinetic Depth Effect
• Quando il filo è immobile viene
percepito come bidimensionale.
• Quando il filo ruota lungo il suo
asse verticale viene percepito
come tridimensionale.
• Il problema è geometricamente
indeterminato: potrebbe trattarsi
di deformazioni di una forma
2D.
• Il sistema visivo normalmente
percepisce questo movimento
come il movimento di un corpo
rigido 3D.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: accomodazione
• L’accomodazione e la vergenza aiutano
l’occhio a percepire la profondità :
• Accomodazione (monoculare):
L’occhio cambia il suo fuoco
• Vergenza (binoculare):
• Convergenza: L’abilità dei due
occhi di ruotare verso l’interno (di
incrociarsi)
• Divergenza: L’abilità dei due occhi
di ruotare verso l’esterno (di
riallinearsi)
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: accomodazione
• Accomodazione (monoculare):
• l’occhio cambia il suo fuoco
• processo di variazione dello
spessore del cristallino in funzione
della distanza di un oggetto
• controllato dai muscoli ciliari
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: accomodazione
• Accomodazione (monoculare):
• l’occhio cambia il suo fuoco
• processo di variazione dello
spessore del cristallino in funzione
della distanza di un oggetto
• controllato dai muscoli ciliari
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: in sintesi
• La costruzione dell’immagine tridimensionale del mondo partendo da un
spazio bidimensionale non Euclideo (come quello in cui si formano le
immagini retiniche) è uno dei problemi più fondamentali che il sistema
percettivo visivo si trova a dover affrontare
• Come fa il sistema visivo a decidere che cosa si sta effettivamente vedendo?
Quale è l’interpretazione più plausibile?
• Tutti gli indizi di profondità monoculari (e anche binoculari) sono combinati
insieme (inconsciamente) in accordo con quelle che sono le nostre conoscenze
pregresse (conoscenza a priori).
• Questa è la base dell’approccio Bayesiano
• Da queste estrapoliamo anche la probabilità di occorrenza di un determinato
evento ma quando le nostre inferenze risultano errate ecco che si formano le
ILLUSIONI!
La percezione dello spazio
//illusioni ottiche: Ponzo
La percezione dello spazio
//illusioni ottiche: Ponzo
La percezione dello spazio
//illusioni ottiche: Ponzo
La percezione dello spazio
//illusioni ottiche: Ponzo
La percezione dello spazio
//illusioni ottiche: Muller-Lyer
La percezione dello spazio
//illusioni ottiche: Muller-Lyer
La percezione dello spazio
//illusioni ottiche: Muller-Lyer
La percezione dello spazio
//illusioni ottiche: la stanza di Ames
La percezione dello spazio
//illusioni ottiche: la stanza di Ames