Perceptia vizuala - Ochiul uman, Perceptia luminantei, Acuitatea vizuala

Perceptia vizuala

Intelegerea principiilor de baza ale perceptiei vizuale este importanta pentru oricine este implicat in prelucrarea imaginilor din motive multiple. In analiza imaginilor, rezultatul  prelucrarii este o imagine in care utilizatorul trebuie sa "perceapa mai usor ceea ce il intereseaza. In compresie, rezultatul este o imagine reprezentata concis, in care utilizatorul trebuie sa nu perceapa, pe cat posibil, diferenta fata de imaginea originala. Pe de alta parte, progresele in intelegerea perceptiei vizuale ajuta la elaborarea metodelor de prelucrare.

1 Ochiul uman

Lumina  incidenta pe ochi strabate un sistem optic compus dintr-o lentila (cristalinul) si o diafragma (pupila), formind o imagine pe retina situata pe fundul ochiului. Retina contine doua categorii de elemente fotosensibile: conuri, in numar de aproximativ 6.000.000 si bastonase, in numar de aproximativ 120.000.000. Zona centrala, foveea, contine numai conuri, care au densitatea maxima in aceasta regiune. Pe masura ce ne indepartam de zona centrala, densitatea conurilor scade. Treptat, apar si bastonasele, a caror densitate este mai redusa. Conurile sunt raspunzatoare de acuitatea spatiala si de vederea colorata la niveluri de iluminare ridicate, corespunzatoare luminii zilei (vedere fotopica). Exista trei tipuri de conuri, cu sensibilitati maxime la rosu, verde-galbui si albastru. Primele doua tipuri de conuri sunt dispuse numai in zona foveala, in timp ce conurile albastre se gasesc si in afara ei. Bastonasele sunt mult mai sensibile la lumina decat conurile si sunt raspunzatoare de vederea la iluminare redusa (vederea scotopica). Deoarece bastonasele sunt toate de acelasi tip, la iluminare redusa perceptia culorilor nu este posibila. La niveluri de iluminare intermediare, ambele tipuri de vedere se imbina (vedere mesopica).

Lumina absorbita de receptori initiaza reactii chimice care disperseaza pigmentul fotosensibil, reducand sensibilitatea generala. Acest mecanism actioneaza ca un sistem de reglare automata a sensibilitatii. Mecanismul mentionat este lent, adaptarea la nivelul general de iluminare a scenei necesitand un timp de reactie de ordinul minutelor.

Celulele fotoreceptoare sunt interconectate lateral prin intermediul celulelor amacrine. Conexiunile produc o reducere a semnalului furnizat de o celula cand vecinii sunt iluminati (fenomenul de inhibitie laterala). In acest mod se explica procesul de accentuare a contururilor la nivelul sistemului vizual, ce poate fi pus in evidenta de exemplu prin fenomenul Mach, prezentat putin mai jos.

Conexiuni pe verticala se stabilesc prin celulele ganglionare la fasciculul nervului optic. Acesta contine numai aproximativ 800.000 de nervi, ceea ce demonstreaza ca informatia vizuala sufera o prelucrare la nivelul retinei. Informatia transportata de nervul optic se bazeaza pe impulsuri electrice. Se presupune ca informatia este codificata prin frecventa acestor impulsuri, cuprinsa intre 200 cicli pe secunda la intuneric si 300 cicli pe secunda la lumina, la saturatie. Informatiile preluate de cele doua fascicule de nervi optici (stang si drept) se incruciseaza si se despart in chiasma optica, combinandu-se in nucleii geniculati, pentru a se proiecta in final in zona cortexului vizual, situata in lobii occipitali. Se presupune ca, pana la proiectarea pe cortex, informatia mai este prelucrata intensiv.

2 Perceptia luminantei

Datorita mecanismelor de adaptare, gama dinamica a intensitatilor percepute de sistemul vizual uman (SVU) este uriasa, de ordinul 10¹⁰. Cu toate acestea, pentru un anumit nivel de adaptare (ce se poate schimba relativ incet datorita naturii chimice a proceselor responsabile) gama dinamica perceputa este mai mica decat 10². Perceptia luminantei este influentata de mai multi factori.

Pentru lumina acromatica, factorii principali sunt:

a) iluminarea fundalului

b) schimbarile de luminanta in zone apropiate stimulului

c) forma spatiala si variatia temporala a stimulului

Efectele de mai sus interactioneaza, dar pentru mai multa claritate, le vom analiza independent.

Iluminarea fundalului are efecte ce pot fi studiate folosind aranjamentul din Fig.1.4

Fig. 1.4. Schema experimentului pentru studiul perceptiei luminantei.

Subiectul trebuie sa stabileasca pragul L la care zona stimulului se distinge pe fundalul apropiat, la diferite iluminari ale fundalului apropiat si indepartat. Rezultatele acestor experimente sunt redate in Fig.1.5. Se observa ca raportul L/L, denumit fractie Weber, este aproximativ constant, ceea ce implica o perceptie logaritmica a luminantei, asemenea celorlalte simturi. La luminante reduse, fractia Weber creste usor. O valoare orientativa a fractiei Weber este 2%, ceea ce corespunde capacitatii de a se distinge aproximativ 50 de niveluride luminanta intr-o imagine cu contrast ridicat. Pe un ecran de calculator sau TV, numarul lor este usor redus fata de aceasta cifra.

Influenta fundalului indepartat este de fapt o manifestare a efectului mentionat la punctul b), denumit fenomen de mascare. Datorita conturului ce se formeaza intre fundalul apropiat si cel indepartat, se produce o crestere a pragului de sensibilitate. Rezultatul este util in compresia imaginilor pentru ca el releva faptul ca zonele cu texturi complicate pot fi redate cu un numar redus de niveluri de gri, fara ca acest lucru sa fie sesizat de observatorul uman. Prezenta fundalului afecteaza nu numai pragul de sensibilitate ci si nivelul de luminanta perceput.

Fig. 1.5. Rezultatele experimentelor privind perceptiei luminantei.

Un experiment interesant ce pune in evidenta relativitatea perceptiei luminantei este ilustrat in Fig. 1.6. Cele doua regiuni patrate cu luminante identice sunt percepute cu luminante diferite cand sunt separate si plasate pe fundal diferit.

Fig. 1.6. Relativitatea perceptiei luminantei.

Relativitatea perceptiei nu se limiteaza la luminanta. Dimensiunile percepute sunt supuse unei legi similare (Fig. 1.7). Cercurile interioare par de dimensiuni diferite. Linia superioara pare mai lunga.

Fig. 1.7. Iluzii optice ce ilustreza relativitatea perceptiei dimensiunilor

Trebuie evitata confuzia care se face uneori intre fenomenul de mascare si fenomenul Mach. Ultimul este o manifestare directa a inhibitiei laterale, care opereaza o filtrare de tip trece-sus, ce poate fi modelata prin convolutia cu un operator obtinut prin derivarea de ordinul doi a unei functii gaussiene. In Fig. 1.8 se ilustreaza fenomenul Mach cu ajutorul mirei cu trepte de gri. O banda uniforma este perceputa mai luminoasa in stanga ei si mai intunecata in partea dreapta prin efectul derivativ al inhibitiei laterale.

Fig. 1.8. Fenomenul benzilor Mach

Efectul de mascare se manifesta si in domeniul temporal. Perceptia obiectelor aflate in miscare este dependenta de faptul daca observatorul urmareste obiectul de-a lungul traiectoriei sau atentia nu este fixata pe un anumit obiect. Este util sa retinem orientativ ca, in cazul miscarilor violente, rezolutia obiectului aflat in miscare poate fi redusa de zece ori fara a fi perceputa, cu conditia de a fi restabilita la valoarea normala in mai putin de o jumatate de secunda de la incetarea miscarii.

O forma importanta de manifestare a pragului de vizibilitate temporala este frecventa critica de fuziune a imaginilor. Presupunand ca stimulul este descris de o lege de variatie de forma:

	S(t)=L+L cos(2pft (1.1)

Se poate determina vizibilitatea stimulului in functie de L, L si f. Pentru o curba L = ct., L are un maxim in jurul frecventei de 15 cicli pe secunda. La frecvente mari, raspunsul se anihileaza rapid in jurul valorii de 70 Hz. Marimea suprafetei stimulului de palpaire influenteaza, de asemenea, vizibilitatea lui. Este un aspect ce a fost deja exploatat in televiziune, prin alegerea modului de explorare intretesuta si reducerea frecventei cadrelor la numai 25 Hz.

3 Acuitatea vizuala

Acuitatea vizuala reprezinta capaciatea SVU de a detecta detalii in imagine. Efectul formei spatiale asupra vizibilitatii stimulului se poate determina considerand SVU un sistem liniar bidimensional (neliniaritatea poate fi neglijata la amplitudini mici ale stimulului). Pentru a-i determina functia de transfer, se genereaza un stimul de forma unei sinusoide spatiale:

S wxx)=L+L cos(wxx (1.2)

unde s-a notat:

	wx=2pfx (1.3)

O mira cu un semnal stimul modulat in amplitudine (L) pe verticala si in frecventa (w_x) pe orizontala este ilustrata in Fig. 1.9. Rezultatele experimentale se prezinta uzual sub forma caracteristicii senzitivitatii contrastului, reprezentand caracteristica perceputa,L / L functie de frecventa spatiala, w_x, masurata in cicli pe grad. Forma este de filtru trece-banda. Practic, acest lucru inseamna ca ochiul este mai putin sensibil la variatii spatiale foarte lente sau foarte rapide ale luminantei. Caderea raspunsului la frecvente joase se poate atribui fenomenului de inhibitie laterala, ce ridica frecventele inalte. Se obtine un efect de accentuare a contururilor ce au un rol central in interpretarea informatiei vizuale. La frecvente foarte inalte, caderea este datorata sistemului optic si rezolutiei finite a fotoreceptorilor. Raspunsul este mai slab la marginile campului vizual, pentru vederea periferica. Senzitivitatea contrastului prezinta maxime pe directiile orizontala si verticala, avand o cadere maxima (de 3dB) pe directiile diagonale. In optica, rezolutia este definita de inversul valorii unghiului de vedere maxim (aproximativ 2 minute) la care doua puncte alaturate nu pot fi distinse. Rezolutia este maxima la distanta de 250 mm si iluminarea de 500 lux (furnizabila de un bec de 60 W la distanta de 400 mm). In aceste conditii, distanta dintre doua puncte ce pot fi distinse este de aproximativ 0.16 mm.

Experimente mai generale fac apel la modulatia spatio-temporala. Stimulul generat este de forma:

L(x,y,t) = L+L cos[2pfv (xcosq y sinq)] cos(2pft t) (1.4)

Se confirma faptul ca SVU se comporta ca un filtru trece-banda si in domeniul temporal. Teste cu mixaje de semnale sinusoidale de frecvente diferite arata ca stimulii interactioneaza numai daca frecventele lor sunt separate cu mai putin de o octava. Aceste constatari pot fi sintetizate intr-un model al SVU de tipul unei banci de filtre trece banda. Pe aceasta baza sunt construite compresoarele de imagine de tip sub-banda.

Fig. 1.9. Semnal 2D pentru studiul dependentei acuitatii vizualede contrast

4 Perceptia culorilor

Culoarea este o proprietate foarte importanta a imaginilor, deoarece ochiul distinge intr-o imagine mult mai multe culori decat trepte de gri. Sistemul vizual uman percepe senzatia de culoare in functie de lungimile de unda ale radiatiilor electromagnetice vizibile (sau luminoase). Spectrul radiatiilor electromagnetice vizibile (Fig. 1.10) se intinde de la lungimea de unda de aproximativ 700 nm, corespunzatoare culorii rosii, la aproximativ 400 nm, corespunzatoare culorii violet.

Fig. 1.10. Spectrul radiatiilor vizibile

In natura, culorile reprezinta rezultatul amestecului unui numar mai mare sau mai mic de radiatii cu lungimi de unda diferite. Lumina alba contine toate lungimile de unda din domeniul mentionat in proportii egale, altfel spus, are o distributie spectrala uniforma. Obiectele absorb o parte din lumina ambianta, partea din spectru neabsorbita fiind transmisa de obiectele transparente sau translucide, respectiv reflectata de cele opace. Culoarea obiectului este determinata de lumina reflectata, mai precis de lungimile de unda ale radiatiilor reflectate si de proportiile dintre energiile acestor radiatii.

Orice culoare poate fi sintetizata prin amestecul in proportii adecvate a unui numar de culori de baza. Din colorimetrie se cunoaste faptul ca, folosind numai trei culori de baza, se poate obtine practic orice culoare. Suficienta unui numar de trei culori de baza este legata direct de existenta pe retina a trei tipuri de conuri, cu sensibilitate maxima la rosu, verde si albastru. In televiziune, au fost adoptate aceleasi culori de baza: rosu, verde si albastru (sistemul de coordonate color RGB). Este interesant ca decizia a fost luata inaite de a se fi demonstrat existenta celor trei tipuri de conuri.

Observatie: folosind un sistem unic de culori de  baza, de exemplu RGB, se poate reproduce un numar foarte mare de culori, dar nu orice culoare din spectrul natural.

Amestecul culorilor pe ecran unui tub cinescop are loc aditiv, adica prin insumarea radiatiilor emise de luminoforii rosu, verde si albastru activati de fasciculul de explorare. In tipografie, amestecul culorilor se produce substractiv. De exemplu, o cerneala rosie depusa pe hartie absoarbe din spectrul uniforma al unei surse de lumina alba ce se proiecteaza pe ea toate radiatiile cu exceptia celor situate intr-un interval de lungimi de unda corespunzator culorii rosii. Culorile primare folosite in televiziune si tipografie si modul lor de compunere sunt ilustrate in Fig. 1.11.

5 Atributele culorilor

Presupuand ca o culoare este reprezentata prin vectorul RGB, intensitatea ei poate fi calculata cu ajutorul relatiei:

Y=0,3R+0,59G+0,11B. (1.5)

Ecuatia de mai sus, reflecta faptul ca ochiul prezinta sensibilitati diferite pentru radiatiile luminoase cu lungimi de unda diferite. In cazul culorilor de baza, sensibilitatea este maxima pentru verde si minima pentru albastru.

Fig. 1.11. Culorile primare si compunerea lor in televiziune si tipografie

Un alt atribut al culorii este nuanta ei, semnificand lungimea de unda dominanta din componenta ei spectrala. Nuanta depinde exclusiv de proportiile in care sunt prezente culorile primare si nu de valorile absolute. Aceste proportii sunt exprimate de coeficientii tricromatici:

	(1.6)

De observat ca toti coeficintii sunt subunitari si suma lor este intotdeauna egala cu 1.

Saturatia defineste proportia de alb in componenta culorii. Folosind coeficientii tricromatici, saturatia se poate calcula simplu cu ajutorul ecuatiei:

S=1-3min. (1.7)

Culorile saturate (saturatie 100%) au unul din coeficientii tricromatici nul, semnificand absenta totala a uneia din culorile primare. Saturatia de 0% presupune egalitatea coeficientilor tricromatici, respectiv un obiect incolor (alb, negru sau gri, in functie de intensitate). Culorile  nesaturate pot fi considerate un amestec ponderat intre o culoare saturata si alb. Culorile saturate nu contin lumina alba. Rosul saturat este culoarea metalului incins. Rozul se obtine prin amestecul rosului cu alb, deci prin desaturare. Cerul intr-o zi fara nori are culoarea albastra nesaturata.

Principalii factori ce afecteaza perceptia unui stimul color sunt:

a)     densitatea spectrala de putere a sursei ce ilumineaza scena

b)     caracteristicile de reflectivitate ale obiectelor prezente in imagine

c)      aranjamentul spatial, forma si dimensiunile obiectelor

d)     raspunsul spectral al observatorului uman (dependent de continutul scenei si obiectul pe care se fixeaza atentia)

Intre acesti factori exista interactiuni de tipul celor mentionate la imagini acromatice, dar in general mai complexe. De exemplu, fenomenul de adaptare cromatica, nu pe deplin elucidat inca, modifica perceptia culorii intr-o regiune a imaginii in functie de continutul spectral al scenei observate anterior si de culorile zonelor aflate in proximitate. Adaptarea, la fel ca sensibilitatea logaritmica sau fenomenul de mascare, este o proprietate mai generala a organelor de simt.