Sistema Visual Humano - PDF

Sistema visual humano Máster de formación permanente en ingeniería de producción y explotación de contenidos José Manuel Menéndez Catedrático de la ETSIT-UPM Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones E.T.S. Ingenieros de Tele...

Sistema visual humano Máster de formación permanente en ingeniería de producción y explotación de contenidos José Manuel Menéndez Catedrático de la ETSIT-UPM Departamento de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones E.T.S. Ingenieros de Telecomunicación Universidad Politécnica de Madrid Contenido Profundidad de campo 1. Introducción 4. Respuestas neurológicas 2. Anatomía del ojo Resolución espacial 3. Funcionamiento del ojo Resolución de contraste Mecanismo de la visión Adaptación Visión estéreo Resolución temporal Aberraciones ópticas y defectos oculares Brillo Campo visual Percepción del color 2 / 69  Introducción Contenido Profundidad de campo 1. Introducción 4. Respuestas neurológicas 2. Anatomía del ojo Resolución espacial 3. Funcionamiento del ojo Resolución de contraste Mecanismo de la visión Adaptación Visión estéreo Resolución temporal Aberraciones ópticas y defectos oculares Brillo Campo visual Percepción del color 3 / 69  Introducción Introducción ▶ Cualquier operación que se realice sobre una señal de vídeo estará siempre encaminada a que el resultado sea contemplado por un observador ▶ Por ello, es interesante analizar las características y el comportamiento del sistema visual humano ▶ En este capítulo se describen brevemente algunos aspectos psicofísicos que rigen el fenómeno de la visión humana ▶ Se pretende comprender el funcionamiento del ojo y caracterizar, en la medida de lo posible, su respuesta 4 / 69  Anatomía del ojo Contenido Profundidad de campo 1. Introducción 4. Respuestas neurológicas 2. Anatomía del ojo Resolución espacial 3. Funcionamiento del ojo Resolución de contraste Mecanismo de la visión Adaptación Visión estéreo Resolución temporal Aberraciones ópticas y defectos oculares Brillo Campo visual Percepción del color 5 / 69  Anatomía del ojo Regiones del espectro electromagnético ▶ El ojo es un órgano del cuerpo sensible a radiaciones electromagnéticas de ciertas longitudes de onda: ▶ El rango de sensibilidad del ojo, en frecuencia, apenas alcanza una octava: desde (aproximadamente) los 400 a los 780 nm (o su equivalente en frecuencia, entre 3, 8 · 1014 y 7, 5 · 1014 Hz) ▶ La frecuencia de la radiación está asociada al color ▶ La amplitud de la radiación se relaciona con el nivel de brillo percibido 6 / 69  Anatomía del ojo Regiones del espectro electromagnético 7 / 69  Anatomía del ojo Sección vertical del ojo Sección vertical del ojo: 8 / 69  Anatomía del ojo Sección vertical del ojo ▶ Su forma es casi esférica, con un diámetro aproximado de 20 mm ▶ La superficie anterior del ojo está recubierta por un tejido transparente y duro, denominado córnea ▶ Unido a la córnea se encuentra la esclerótica, que es la membrana opaca que cierra el resto del globo ocular 9 / 69  Anatomía del ojo Sección vertical del ojo ▶ Pegado a la esclerótica, en la parte interna del ojo, se encuentra la coroides ▶ Esta membrana está muy irrigada de pequeños vasos sanguíneos, encargados de nutrir al resto de los elementos oculares ▶ Además, presenta una alta concentración de pigmentos, lo cual reduce la cantidad de luz extraña que penetra por la esclerótica e impide reflexiones en las paredes internas del ojo que podrían enmascarar la señal real 10 / 69  Anatomía del ojo Sección vertical del ojo ▶ En el extremo anterior, la coroides se divide en el cuerpo ciliar y el iris ▶ El iris actúa a modo de diafragma, contrayéndose o expandiéndose para controlar la cantidad de Luz que penetra en el ojo ▶ La apertura central del iris se denomina pupila, y oscila entre 2 y 8 mm de diámetro ▶ La parte anterior del iris contiene el pigmento visible que caracteriza el color de ojos, a diferencia del pigmento de la parte posterior que es negro 11 / 69  Anatomía del ojo Sección vertical del ojo ▶ Tras el iris se encuentra el cristalino, que se compone de una serie de capas concéntricas, con índices de refracción diferentes en cada capa ▶ Presenta una cierta pigmentación amarilla, que crece con la edad, pudiendo formar las denominadas cataratas, que pueden requerir intervención quirúrgica cuando perjudican la visión normal: ▶ Absorbe cerca del 8% de la luz visible del espectro, incrementándose esta absorción en las zonas del infrarrojo y del ultravioleta (con un exceso de radiación a estas frecuencias se puede dañar el ojo) 12 / 69  Anatomía del ojo Sección vertical del ojo ▶ El cristalino está sujeto al cuerpo ciliar mediante el músculo ciliar, que es el encargado de tensar y destensar el cristalino (tiene cierta flexibilidad) ▶ El espacio entre la córnea y el cristalino está relleno de una sustancia líquida incolora y transparente, denominada humor acuoso 13 / 69  Anatomía del ojo Sección vertical del ojo ▶ La membrana más interna del ojo es la retina, que recubre su parte interior ▶ El espacio que queda entre el cristalino y la retina está rellena de una sustancia gelatinosa e incolora, llamada humor vítreo 14 / 69  Anatomía del ojo Sección vertical del ojo ▶ Cuando todos los elementos que componen el ojo se disponen de manera adecuada para permitir un enfoque correcto, la luz procedente del exterior se proyecta precisamente en la retina, donde se encuentran una serie de elementos foto-sensibles encargados de convertir las ondas electromagnéticas en impulsos nerviosos ▶ Estos elementos foto-sensibles pueden ser de dos tipos: conos y bastones 15 / 69  Anatomía del ojo Sección vertical del ojo ▶ Cada ojo posee entre 6 y 7 millones de conos ▶ Se distribuyen fundamentalmente en la zona central de la retina, denominada fóvea, y son altamente sensibles al color ▶ Además, son los responsables de la visión más aguda y detallada, gracias a que cada cono presenta su propia terminación nerviosa ▶ Este tipo de visión se denomina visión fotópica ▶ El umbral de sensibilidad de los conos se sitúa alrededor de 1 µL 16 / 69  Anatomía del ojo Sección vertical del ojo ▶ Número de bastones muy superior al de conos: de 75 a 150 millones ▶ Son insensibles al color, y no dan información de detalle de la escena, ya que existe una sola terminación nerviosa para varios bastones ▶ Proporcionan la información necesaria para obtener una imagen general del campo de vista (visión periférica) ▶ Son sensibles a valores muy bajos de iluminación (su umbral se sitúa en torno a 1 nL), de tal manera que posibilitan la visión nocturna y en bajas condiciones de iluminación, pero sin información de color ▶ Este tipo de visión se denomina escotópica 17 / 69  Anatomía del ojo Conos y bastones en la retina 18 / 69  Anatomía del ojo Tabla resumen de caractarísticas de conos y bastones Entre la visión escotópica y la fotópica hay un modo intermedio de respuesta del sistema visual, con visión cromática y nitidez media, denominado visión mesotópica. 19 / 69  Anatomía del ojo Distribución de conos y bastones en la retina ▶ Distribución de conos y bastones en el ojo derecho, según una sección vertical que pasa por la zona de emergencia del nervio óptico (esta zona se caracteriza por no presentar receptores de ningún tipo, siendo por tanto un punto ciego) 180.000 2 Número de bastones y conos por mm 160.000 Punto ciego Conos Bastones 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 o o o o o o o o o o o o o o o o o 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Grados desde la fóvea 20 / 69  Anatomía del ojo Distribución de conos y bastones en la retina ▶ A excepción del punto ciego, la distribución de receptores es simétrica con respecto a la fóvea ▶ La fóvea es una zona de unos 1.5 mm de diámetro, en cuyo centro intersecta el eje visual que pasa por el centro del cristalino ▶ La densidad de receptores está medida, pues, en grados entre el haz de luz que penetra al ojo pasando por el centro del cristalino, y el eje visual que intersecta en la fóvea 180.000 2 Número de bastones y conos por mm Punto ciego 160.000 Conos Bastones 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 o o o o o o o o o o o o o o o o o 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Grados desde la fóvea 21 / 69  Funcionamiento del ojo Contenido Profundidad de campo 1. Introducción 4. Respuestas neurológicas 2. Anatomía del ojo Resolución espacial 3. Funcionamiento del ojo Resolución de contraste Mecanismo de la visión Adaptación Visión estéreo Resolución temporal Aberraciones ópticas y defectos oculares Brillo Campo visual Percepción del color 22 / 69  Funcionamiento del ojo Mecanismo de la visión Mecanismo de la visión del ojo humano ▶ El cristalino es flexible (aunque la flexibilidad se va perdiendo con la edad por engrosamiento y rigidez progesiva), y se controla mediante el músculo ciliar ▶ Para enfoque lejano se tensa el músculo ciliar ▶ Para enfoque cercano se contrae el músculo ciliar ▶ El proceso anterior se denomina acomodación 23 / 69  Funcionamiento del ojo Mecanismo de la visión Mecanismo de la visión del ojo humano ▶ La distancia entre el centro óptico del cristalino y la retina oscila entre 14 → 17 mm ▶ En Óptica se define la potencia óptica como la inversa de la distancia focal de la lente: 1 D= F Si la distancia focal F se mide en metros, la potencia óptica D se mide en dioptrías. ▶ La máxima potencia óptica de un ojo sano: 48 dioptrías ▶ Se define la amplitud de acomodación como la capacidad que tiene el ojo para variar la potencia óptica ▶ La amplitud de acomodación va disminuyendo con la edad de 12 a 1 dioptrías (por la pérdida de flexibilidad del cristalino para contraerse), fenómeno que se conoce como presbicia 24 / 69  Funcionamiento del ojo Mecanismo de la visión Mecanismo de la visión del ojo humano 15 m C 100 m 17 mm ▶ Representación simplificada del mecanismo de visión del ojo humano ▶ El punto C representa el centro óptico del cristalino ▶ La percepción siempre es invertida (arriba se percibe abajo, como ya apuntó Descartes en 1637 en La Dioptrique), pero el cerebro se encarga de generar la imagen subjetiva correcta 25 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Visión estéreo ▶ Pero no tenemos un único ojo: tenemos dos, y cada uno percibe una escena diferente ▶ Cada ojo enfoca la escenca desde su punto de vista, variando con ello el paralaje entre la direcciones de las visuales de cada ojo: 26 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Visión estéreo. Ángulo de paralaje ▶ Es importante conocer cómo percibimos visualmente el espacio, los objetos en el espacio, sus dimensiones visuales y la distancia Parallax al observador angle DL ▶ Esto viene determinado por el sistema visual DR humano y su compleja fisiología binocular, que cuenta con dos sensores (los ojos) separados por una media de 6,35mm (2 21 ”) Left eye ▶ Esta medida se denomina distancia interocular, y define el ángulo de paralaje (desviación Right eye angular de la posición de un objeto observado desde dos puntos de vista diferentes), también conocido como paralaje horizontal, 27 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Visión estéreo. Disparidad interocular ▶ La distancia interocular existente Parallax entre los ojos provoca una pequeña angle diferencia de percepción en cada ojo DL ▶ La posición relativa de un objeto DR observado por cada ojo está ligeramente desplazada en las imágenes retinianas captadas Left eye ▶ Esta diferencia (DL − DR en la figura) se denomina disparidad Right eye retinal o disparidad interocular 28 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Visión estéreo Ejemplo de par estéreo con su correspondiente disparidad interocular: 29 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Visión estéreo ▶ La fusión de las dos imágenes en el cerebro se denomina estereopsis ▶ Permite la percepción 3D de la escena, y calcular tamaños y distancias ▶ Por tanto, la percepción 3D es una sensación, que se puede intentar recrear a partir de mostrar dos imágenes diferentes a cada ojo, y forzarle a realizar la estereopsis 30 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Visión estéreo Este esquema de funcionamiento del sistema visual permite la captación y presentación (simulada) de señal estéreo: 31 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Visión estéreo ▶ Con esta geometría, se puede estimar, aproximadamente, la distancia aparente a la que un observador percibe un objeto, en un sistema de proyección simulada 3D (con anaglifo ), como: d r= 1− p s ▶ Siendo: p : Disparidad observada sobre la pantalla d : Distancia entre el observador y la pantalla de proyección r : Distancia aparente a los objetos 3D observados s : Distancia inter-ocular del observador 32 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Parámetros de control del sistema de proyección 3D Si el observador se aleja de la imagen, (aumenta d), la profundidad percibida aumenta, y a la inversa d r= 1− p s 33 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Parámetros de control del sistema de proyección 3D ▶ Si las imágenes proyectadas L y R se separan (aumenta p), la distancia percibida se hace mayor ▶ Si p = s, la distancia percibida se hace infinita d r= 1− p s 34 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Parámetros de control del sistema de proyección 3D ▶ Si la disparidad es negativa (valor negativo de p), es decir, representación derecha a la izquierda y viceversa, el objeto se percibirá más cercano que el plano de la imagen ▶ Hay, por tanto, disparidad positiva o no cruzada, y disparidad negativa o cruzada d r= 1− p s 35 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Parámetros de control del sistema de proyección 3D ▶ La disparidad negativa o cruzada implica un mayor bizqueo de los ojos, es decir, un mayor ángulo de paralaje ▶ Suele fatigar más al sistema visual 36 / 69  Funcionamiento del ojo Visión estéreo Parámetros de control del sistema de proyección 3D ▶ Un paralaje mayor que la distancia inter-ocular (p > s) no es posible, ya que el cerebro no es capaz de resolver la estereopsis ▶ Provoca, además, una sensación muy molesta ▶ En esta ecuación no se tiene en cuenta la profundidad de campo, aspecto contemplado con la aproximación de Bercovitz d r= 1− p s 37 / 69  Funcionamiento del ojo Aberraciones ópticas y defectos oculares Aberraciones ópticas El ojo también puede presentar ciertas aberraciones, entendidas como perturbaciones que impiden la correcta captación de la señal. Se distinguen tres grandes tipos: Aberración esférica: Mayor refracción de los rayos periféricos en relación al rayo central =⇒ efectos barril y cojín Aberración cromática: Refracción diferente en función de la λ Aberración de enfoque: Refracción excesiva (miopía) o insuficiente (hipermetropía) 38 / 69  Funcionamiento del ojo Aberraciones ópticas y defectos oculares Aberraciones ópticas Aberración esférica: Mayor refracción de los rayos periféricos en relación al rayo central, produciendo distorsiones de barril y cojín 39 / 69  Funcionamiento del ojo Aberraciones ópticas y defectos oculares Aberraciones ópticas Aberración cromática: Refracción diferente en función de la longitud de onda (λ) 40 / 69  Funcionamiento del ojo Aberraciones ópticas y defectos oculares Aberraciones de enfoque Ojo normal Miopía Defectos visuales producidos por problemas de acomodación del ojo, provocando índices de Miopía corregida refracción globales inadecuados Hipermetropía Hipermetropía corregida 41 / 69  Funcionamiento del ojo Aberraciones ópticas y defectos oculares Aberraciones de enfoque ▶ Defectos visuales producidos por problemas de acomodación del ojo ▶ Provocan índices de refracción globales inadecuados: ▶ Refracción excesiva (miopía) ▶ Refracción insuficiente (hipermetropía) 42 / 69  Funcionamiento del ojo Aberraciones ópticas y defectos oculares Aberraciones de enfoque Miopía corregida: 43 / 69  Funcionamiento del ojo Aberraciones ópticas y defectos oculares Aberraciones de enfoque La hipermetropía no responde igual ante objetos cercanos, que en objetos lejanos: 44 / 69  Funcionamiento del ojo Campo visual Campo visual ▶ El campo visual humano está limitado, tanto en vertical como en horizontal ▶ Cada ojo ve aproximadamente 120◦ sobre el plano horizontal, y con la superposición de ambos se abarcan los 180◦ ▶ Sobre el plano vertical también sólo son unos 120◦ , 50◦ por encima de la horizontal y 70◦ por debajo 45 / 69  Funcionamiento del ojo Campo visual Campo visual y estereopsis ▶ El campo periférico en horizontal alcanza los 180o , con visión confortable en unos 120o , y con percepción 3D nítida reducida a unos 28o ∼ 30o ▶ En vertical, el campo visual alcanza los 120o , con una zona de comfort de unos 55o (unos 25o hacia arriba y unos 30o hacia abajo) ▶ Una equivalencia sería la imagen proporcionada por una lente de 45-50 mm en un cuadro de película de 35 mm (estándar para cine desde 1909). Esa distancia focal se conoce como focal normal 46 / 69  Funcionamiento del ojo Profundidad de campo Relación profundidad de campo – acomodación del ojo Acomodación del ojo a la distancia [m] 100 Profundidad de campo ▶ La profundidad de campo es el rango de distancias del campo visual enfocado 10 nítidamente 5.74 ▶ Depende del diámetro de la pupila (que 3 controla la cantidad de luz que entra) y de la acomodación (distancia focal) 1 ▶ Estadísticamente, con una pupila normal y una acomodación correcta para enfocar un objeto situado a una distancia de 5.74 m, la profundidad de campo oscila entre 3 m e ∞ 0.04 0.04 0.1 1 5.74 10 Distancia al objeto observado [m] 47 / 69  Respuestas neurológicas Contenido Profundidad de campo 1. Introducción 4. Respuestas neurológicas 2. Anatomía del ojo Resolución espacial 3. Funcionamiento del ojo Resolución de contraste Mecanismo de la visión Adaptación Visión estéreo Resolución temporal Aberraciones ópticas y defectos oculares Brillo Campo visual Percepción del color 48 / 69  Respuestas neurológicas Respuestas neurológicas ▶ La retina contiene los elementos fotosensibles encargados de efectuar la transducción de la señal luminosa en impulsos eléctricos que llegan al cerebro para su posterior interpretación. Parte de este proceso de interpretación se efectúa en la propia retina, a modo de preprocesamiento ▶ El sistema visual humano queda entonces caracterizado por la acción conjunta de la actividad retinal y de los procesos cognitivos del cerebro 49 / 69  Respuestas neurológicas Respuestas neurológicas Acciones combinadas del ojo y del cerebro: ▶ Resolución espacial ▶ Resolución de contraste ▶ Adaptación ▶ Resolución temporal ▶ Brillo ▶ Percepción del color 50 / 69  Respuestas neurológicas Resolución espacial Resolución espacial ▶ Dos puntos solo se reconocen como elementos separados cuando las imágenes que se forman de los mismos en la retina están lo suficientemente separadas como para que exista un fotorreceptor no estimulado entre dichas imágenes ▶ Cuanto mayor sean las imágenes retinales de los objetos, mayor debe ser la zona no estimulada para poder discernir los dos objetos independientemente, con lo que la resolución espacial del ojo será peor ▶ En términos médicos, este fenómeno se conoce como agudeza visual, y está relacionado con el ángulo que deben formar los dos rayos de luz correspondientes a objetos diferentes para poder ser identificados como elementos separados ▶ Esta característica la utilizan los optometristas para medir la agudeza visual mediante los llamados optotipos Optotipo 51 / 69  Respuestas neurológicas Resolución espacial Agudeza visual ▶ Dado que el mayor nivel de detalle de la señal visual la proporciona los conos, y la mayor densidad de conos se sitúa en la fóvea, es en esta zona donde se alcanza la mayor agudeza visual, que se estima en un ángulo de un minuto de arco 0°1’0” ▶ Esta agudeza se reduce a medida que la imagen se aleja de la fóvea (o se agranda saliéndose de ella), ya que la densidad de conos se reduce rápidamente 52 / 69  Respuestas neurológicas Resolución espacial Agudeza Vernier ▶ Si en lugar de puntos se observan líneas paralelas, la agudeza visual se incrementa ▶ Este fenómeno se debe a que las terminaciones nerviosas de los fotorreceptores de la retina están intercomunicadas entre sí, permitiendo con ello la realización de evaluaciones estadísticas del número promedio de fotorreceptores estimulados antes de la línea, durante la línea, y después de la misma ▶ Con este procedimiento, el sistema nervioso es capaz de distinguir distancias entre líneas incluso inferiores a la agudeza visual, fenómeno conocido como agudeza Vernier 53 / 69  Respuestas neurológicas Resolución de contraste Resolución de contraste ▶ Como cabría esperar, la magnitud del estímulo percibido por el cerebro es mayor cuanto mayor es la intensidad luminosa de la señal proyectada en la retina ▶ Para un mismo valor de incremento de intensidad luminosa, la magnitud del incremento del estímulo percibido depende del valor de partida del nivel de la señal ▶ Para unas condiciones concretas del nivel de iluminación, la variación del estímulo percibido △E sigue, aproximadamente, una ley logarítmica, conocida como la ley Weber–Fechner, de la forma: △I I1 △E = k ⇒ △E = k ln I I0 siendo k una constante (que varía ligeramente para cada individuo), I0 el valor original de la intensidad luminosa, e I1 el valor ya incrementado 54 / 69  Respuestas neurológicas Resolución de contraste Ley Weber-Fechner Ley de Weber-Fechner 1 ▶ La curva representa la variación 0.95 del estímulo percibido 0.9 subjetivamente en función de la 0.85 Intensidad percibida intensidad luminosa recibida 0.8 0.75 ▶ La sensibilidad del ojo es alta 0.7 en la zona de escasa 0.65 iluminación, disminuyendo en la 0.6 zona de máxima iluminación 0.55 por el efecto denominado 0.5 deslumbramiento 0 2 4 6 8 10 Intensidad de iluminación [Lx] 108 55 / 69  Respuestas neurológicas Resolución de contraste Función de sensibilidad al contraste del sistema visual humano ▶ La Ley de Weber-Fechner está relacionada con la función de sensibilidad al contraste (contrast sensitivity function - CSF), que describe la habilidad del sistema visual para detectar discontinuidades en los tonos visualizados: △I CSF ⇔ = cte I donde I es la intensidad de iluminación, y △I es la mínima diferencia en intensidad luminosa detectable ▶ Según esta ley, el mínimo contraste detectable (función inversa de la CSF) es constante, independientemente de la luminancia. ▶ Se cree que, estadísticamente, la fracción anterior tiene un valor entre 1 50 y 1 100 (incrementándose por encima y por debajo de determinados niveles de luminosidad) 56 / 69  Respuestas neurológicas Resolución de contraste Función de sensibilidad al contraste del sistema visual humano ▶ El valor real de la función CSF varía según determinados parámetros en los que se realiza la visualización de los contenidos, tales como la luminancia de la pantalla, el campo visual contemplado, la frecuencia espacial de la imagen, el número de bits/píxel, etc. ▶ Barten recoge dichos parámetros en un modelo propuesto por él, y estudiado para señal de Ultra Alta Definición (UHD). La curva propuesta por Barten ha quedado recogida en la recomendación ITU-R BT.2246-6 ▶ Dicho modelo ha sido tenido en cuenta para la codificación de contenidos en Alto Rango Dinámico (High Dynamic Range - HDR) en la recomendación ITU-R BT.2100-0 Image parameter values for high dynamic range television for use in production and international programme exchange 57 / 69  Respuestas neurológicas Resolución de contraste Resolución de contraste ▶ El fenómeno del deslumbramiento es un proceso por el cual algunos fotorreceptores de la retina inhiben a otros fotorreceptores vecinos (menos estimulados) por sobre-exposición local de iluminación de los primeros ▶ Cuantos más fotoreceptores estén sobre-expuestos, mayor será la zona de ceguera del ojo ▶ Este fenómeno de acoplamiento entre fotorreceptores vecinos no sólo se produce en condiciones de sobre-exposición ▶ Con condiciones de iluminación normal también se observa una cierta tendencia a incrementar o reducir la percepción subjetiva del nivel de gris en las proximidades de los contornos de regiones de diferente nivel de intensidad, fenómeno conocido con el nombre de Bandas de Mach 58 / 69  Respuestas neurológicas Resolución de contraste Bandas de Mach 59 / 69  Respuestas neurológicas Resolución de contraste Bandas de Mach Aunque cada columna de la imagen presenta un nivel de gris constante, se aprecian diferencias subjetivas que aclaran u oscurecen las zonas próximas a los bordes de separación entre columnas 59 / 69  Respuestas neurológicas Resolución de contraste Fenómeno conocido como contraste simultáneo 60 / 69  Respuestas neurológicas Resolución de contraste Fenómeno conocido como contraste simultáneo ▶ En ambas imágenes, el cuadro interior presenta el mismo nivel de gris ▶ Sin embargo, subjetivamente se aprecia más claro cuando está rodeado de un fondo oscuro (o más oscuro cuando está rodeado de un fondo claro) 60 / 69  Respuestas neurológicas Adaptación Adaptación ▶ El ojo humano puede distinguir, aproximadamente, en torno a 14 órdenes de magnitud de luminosidad (entre 10−6 y 108 [Nits] (= cd/m2 )), pero... ▶... pero ¡¡NO simultáneamente!! ▶ El ojo se adecua al nivel medio de luz con un doble proceso: ▶ Varía la composición química de los fotorreceptores ▶ Abre o cierra el iris ▶ Este doble proceso se conoce como adaptación 61 / 69  Respuestas neurológicas Adaptación Adaptación 62 / 69  Respuestas neurológicas Adaptación Unidad de medida de la luminosidad en el proceso de adaptación Luminancia L [nits]: También conocida como brillo fotométrico, es la relación entre la intensidad luminosa I que emerge de una superficie, y la superficie aparente Saparente vista por el ojo en una dirección determinada. Tiene en cuenta la reflectividad de los objetos contemplados. Su unidad es el Nit: α I L= [cd/m2 = Nit] Saparente ▶ La superficie aparente Saparente se puede calcular como la proyección de la superficie real S en la dirección de observación: Saparente = S · cos α siendo α el ángulo formado por la dirección de la mirada con la perpendicular a dicha superficie I I ▶ Con ello: L= = [Nit] Saparente S · cos α 63 / 69  Respuestas neurológicas Resolución temporal Resolución temporal ▶ La respuesta temporal del ojo ante un estímulo luminoso responde exponencialmente S ▶ Con el estímulo activo, la sensación visual S crece con el tiempo de S0 manera exponencial: S = 1 − e −t/T ▶ Tras alcanzar el valor S0 , si se apaga el estímulo, la sensación visual ′ decrece también exponencialmente: S = S0 e −t/T ▶ En las respuestas exponenciales, T , T ′ son constantes de tiempo del Estmulo activo Estmulo inactivo t mismo orden de magnitud ▶ Para t = 3T habitualmente se alcanza el 95% del estímulo 64 / 69  Respuestas neurológicas Resolución temporal Resolución temporal ▶ El tiempo de integración τ = 3T y τ ′ = 3T ′ depende de varios factores: estado de adaptación del ojo, intensidad luminosa, etc ▶ En visión escotópica τ ∼ = 100 −→ 300 mseg ▶ En visión fotópica τ ∼ = 15 −→ 100 mseg ▶ La NO desaparición de la sensación visual se nenomina persistencia visual ▶ El estímulo no debe disminuir en más de un 10% ▶ Es la base del cine y de la TV (con un mínimo de 10 → 12 imágenes/segundo para tener sensación de movimiento continuo) ▶ Si el movimiento presente en la escena es muy rápido (por ejemplo, observando pantallas de UHD muy de cerca, con contenidos de deportes), se recomienda subir la frecuencia de refresco de cuadro de imagen a valores cercanos o superiores a 100 imágenes/segundo 65 / 69  Respuestas neurológicas Brillo Curva de luminosidad V (λ) ▶ El ojo humano percibe la intensidad o nivel de energía de la luz como una sensación visual V( λ ) denominada brillo 1.0 ▶ El brillo percibido, para un valor de intensidad (Respuesta relativa) constante, varía en función del color (frecuencia) de la luz (radiación luminosa) ▶ La figura muestra la curva de sensación de brillo V (λ) para cada longitud de onda, denominada curva de luminosidad 0 400 440 480 520 560 600 640 680 [nm] ▶ Esta curva es la que se utiliza para efectuar Longitud de onda mediciones subjetivas, es decir, ponderadas por la respuesta del ojo humano 66 / 69  Respuestas neurológicas Percepción del color Percepción del color ▶ Existen tres tipos de conos, con tamaños diferentes (Short - S para el azul, Medium - M para el verde y Long - L para el rojo), con sensibilidades espectrales diferentes ▶ Se estima una gama de colores distinguibles en torno a 10 millones ▶ Si las intensidades percibidas por los tres son máximas =⇒ color blanco ▶ Es un sistema tricromático ▶ Pueden usarse mezclas sustractivas (impresoras) o aditivas (TRC, LCD, Plasma) ▶ El gamut de mezclas posibles depende de los primarios de color elegidos ▶ A fecha de hoy, la capacidad de percepción de color por el ojo humano es superior a las posibilidades de representación de las pantallas actuales y de los cañones de vídeo 67 / 69  Respuestas neurológicas Percepción del color Curvas de sensibilidades relativas de los tres tipos de conos ▶ Como puede observarse, la superposición de respuestas de los conos M y L es muy grande, a pesar de lo cual, la capacidad de percepción de color por el sistema ojos-cerebro es muy alta ▶ La amplitud de la respuesta de cada tipo de cono no es igual, aunque en el gráfico se han normalizado al mismo valor máximo ▶ Cuando se vea la señal de vídeo en detalle se comentará cómo se representa la información de color capturada por los sensores de imagen actuales 68 / 69 ¿Preguntas?