11

LUZ, COLOR, VISION Y PERCEPCIÓN

VISUAL

Constantino Pérez Vega

Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones

2011

22

Espectro visible

33

Luz blanca incidente

Los fotones de longitudes de onda diferentes a la del azul son absorbidas por el objeto

Luz azul reflejada

44

Efectos de la iluminación

55

Distribución espectral de la luz solar en las longitudes de onda del espectro visible

66

Iluminantes estándard (CIE)

Espectro visible

77

Respuesta espectral de diferentes tipos de lámparas.(Adaptada de Benson, K.B. Television Engineering Handbook,

McGraw-Hill Book Co. 1985)

88

i r

Ondaincidente

Ondareflejada

Medio 1

Medio 2 (reflector)

Normal

99

1010

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 sensoren que la imagen, es almacenada, transmitida o reproducida en dos dimensiones.

SISTEMA OPTICO

SISTEMA ELECTRONICO

Almacenamiento

Transmisión

Visualización

Escena tridimensional

Sistema óptico

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.

http://www.microscopyu.com/articles/optics/components.html

Sistema óptico: Función de Transferencia de Modulación (MTF)

1313

Lentes

1414

Lentes: Biconvexa

1515

Lentes: Bicóncava

16

1 2 1 2

11 1 1( 1)

n dn

f R R nR R

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, yd es el espesor de la lente como se indica en la figura 7.

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)

1717

Principales tipos de lentes

1818

Aberración esférica

19

Aberración cromática

2020

Lente compuesta acromática

2121

Lentes compuestas

2222

2323

Sistema óptico de una cámara reflex

2424

Cámara Reflex

25

Lentes zoomar para cámaras fotográficas

28

Lentes zoomar TV – c.1950

29

Lentes zoomar TV – c.1955

30

Lentes Zoomar

31

COLOR

3232

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

Características del color

3333

Circulo de Matiz de Munsell Cilindro de Munsell

Amarillo

Neutro

Verde

Nar

anjaRo

jo

Rojo-PúrpuraPúrpura

Púrpura-Azul

Azul

Azu

l V

erd

os

o

Verde-Amarillo

1

Cilindro de MunsellCilindro de Munsell

2

34

56

78

9

10

G

B P

R

1 23 45678910

Val

or

Croma

Matiz

3434

3535Mezclas aditiva y substractiva de colores

Fondo negro (monitor) Fondo blanco (papel)

3636

Azul

Rojo

VerdeNegro

Blanco

Cyan

Amarillo

Magenta

Espacio de color RGB y CYMK

3737

BR

G

3838

3939

EL OJO Y EL SISTEMA VISUAL HUMANO

40

Todos los mamíferos y la mayor parte de los animales perciben el mundo exterior mediante los ojos y los oídos

41

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

42

El ojo humano, en una primera aproximación, puede considerarse similar a una cámara obscura.

Cámara obscura

Ojo humano

43

Cámara obscura

44

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.

Los medios refractivos del ojo

4545

Córnea

Índice de refracción nD=1.376

Diámetro de la lente d=0.5 mm

Radios de curvatura r1=7.7 mm r2=6.8 mm

Poder refractivo 45 dioptrías

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 r2=‐6 mm

Poder refractivo 18 dioptrías

Humor Vítreo

Índice de refracción nD=1.337

Medios refractivos del ojo

46

Miopía

47

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.

Córnea

Pupila

Cristalino (lente)

Coroides

Nervio óptico

Retina

Esclera

4848

Esquema del ojo humano

4949

Estructura del ojo

Punto ciego

5151

Iris

Pupila

Lente

5252

Iris y Pupila

Pupila dilatada

53Ref. Pender, H. & McIlwain, K. Electrical Engineers Handbook –Electric Communication and Electronics. 4th Edition. Wiley, 1957

Diámetro de la pupila en función de la luminosidad

Estructura de los medios refractivos del ojo

5555

5656

5757

58

Aco

mod

ació

n m

áxim

a en

dio

ptrí

as

Distancia al objeto m

ás cercano en cm

Edad en años

Acomodación

Ref. Pender, H. & McIlwain, K. Electrical Engineers Handbook –Electric Communication and Electronics. 4th Edition. Wiley, 1957

5959

Cataratas

6060

Degeneración macular

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.

6262

6363

6464

Capa plexiformeexterna

Capa plexiformeinterna

6565

Distribución de conos y bastones en la retina

68

CELULAGANGIONAR

Nº 1

CELULAGANGLIONARNº 1,000,000

110 a 130 MILLONES

DE BASTONES

6 A 7MILLONESDE CONOS

CENTENARES DE CONEXIONES

DECENAS DE CONEXIONES

FIBRA NERVIOSA Nº 1

FIBRA NERVIOSA Nº 1,000,000

CEREBRO

NERVIO OPTICO

Esquema simplificado del mecanismo ojo-cerebro, en la región fuera de la fóvea

Adaptado de Digital TV Fundamentals, 2nd. EditionMichael Robin & Michel Poulin.McGraw-Hill, 2000.

6969

7070

Sinapsis química Sinapsis eléctrica

7171

Se abren loscanales de Na+ entra Na+

Se abren loscanales de K+ K+ comienza a entrar

Se cierran loscanales de Na+

K+ continua saliendoy el potencial vuelve a su estado de reposo

Canales de K+ y Na+ cerrados

K+ en excesose difunde en el exterior

Despolarización

Repolarización

Vol

taje

tran

smem

bran

a (m

V)

Fig. Potencial de acción

Células fotorreceptoras

7373

7474

7575

7676

¿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:

Reflectancia o transmitancia luminosa

Luminosidad

LuminanciaBrillo

Pureza de la excitación luminosa

Saturación o pureza

Longitud de onda dominante

Matiz o tonalidad

Psicofísico (objetivo)Perceptual(subjetivo)

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)

UM

CP

EN

EE

631

Slid

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cre

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d b

y M

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©20

01/2

004

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www.ajconline.umd.edu (select ENEE631 S’04)minwu@eng.umd.edu

Mach Bands

• 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

Figure is from slides at Gonzalez/ Woods DIP book website (Chapter 2)

UM

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Slid

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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

8888

Contraste

9595

9696

9797

9898