Acuità visiva e
sensibilità al contrasto
L’acuità visiva
Differenze fra come misurano l’acuità
visiva gli ottici e gli scienziati della
visione
Snellen
C di Landoldt
Visual Acuity
• Herman Snellen inventò il metodo per
misurare l’acuità visiva nel 1862
(distanza critica del paziente)
(distanza critica del “normale”)
20/20 considerato “normale”
(10/10 in Italia)
In pratica l’acuità dei giovani
adulti e’ 12/10
Angolo visivo α
h
d
tan(α) = h/d
d = 57 cm, 1 cm = 1 grad
Gli scienziati della visione misurano invece
l’acuità visiva in termini del più piccolo angolo
visivo sotteso da un ciclo di un reticolo che è
ancora possibile percepire correttamente
Demo costruzione reticoli con
variazione di luminanza di profilo
sinusoidale
Reticoli sinusoidali in una finestra gaussiana:
Gabor Patch
Il limite dell’acuità visiva per la visione foveale
è circa 0.017° il che combacia quasi
perfettamente con la distanza centro a centro
dei coni a livello della fovea che ricordiamo è di
circa 0.008°. Infatti per poter discernere le
due fasi di un reticolo quello di cui abbiamo
bisogno sono almeno due coni
0.008°*2=0.016°
L’effetto Aliasing spiegato computazionalmente
La percezione del
contrasto
Tra le informazioni più importanti in una
scena visiva ci sono fattori come il colore,la
profondità e le variazioni di intensità
luminosa che definiscono i bordi ed i
contorni degli oggetti.
Il contrasto di luminanza è definito come la
differenza di luminanza di zone adiacenti
Le illusioni di brightness (qualità percettiva
della luminanza ovvero dell’intensità
luminosa di una superficie tradotta in
italiano con brillanza)
Le illusioni di luminanza sono dimostrazioni
del fatto che la percezione soggettiva della
luminanza non sempre corrisponde alla
distribuzione oggettiva della luminanza
stessa
Un noto esempio è il contrasto simultaneo
descritto da Herring alla finde
dell’Ottocento
Contrasto simultaneo
Cornsweet illusion
A
B
C
Questo ci insegna che la luminanza
percepita in una certa zona del campo
visivo dipende dalla luminanza delle regioni
adiacenti.
L’elemento rilevante non è quindi il valore
assoluto di luminanza di una superficie ma
il rapporto fra superfici,dunque il contrasto.
Queste osservazioni portarono Herring a
formulare l’ipotesi che nel sistema nervoso
vi siano dei meccanismi di opponenza
anche per il bianco e nero
Un meccanismo di opponenza bianco nero
implica l’idea che il nero di una immagine
sia registrato rispetto al contenuto di
bianco.
Se meccanismi di opponenza sono effettivamente stati
trovati a livello neurofisiologico (ricordate vero?) e
possono spiegare come si percepiscono i bordi di
contrasto, rimangono ancora da spiegare i meccanismi
responsabili di illusioni di brillanza su aree lontane dai
bordi.
In generale non si conoscono i meccanismi che
consentono di percepire superfici omogenee visto che i
neuroni sono poco sensibili a stimoli omogenei.Una
ipotesi è che la percezione della luminanza di una
superficie risulti da una computazione relativa al
contrasto presente ai contorni della superficie stessa.
Cioè un bordo dotato di un certo gradiente spaziale
(es. nero a destra e grigio a sinistra) produce nel
sistema percettivo un segnale che poi viene
assegnato alle porzioni di spazio contigue e si
arresta quando un altro segnale indica la presenza
di un bordo.
I neuroni codificano la direzione del gradiente di
contrasto di una figura a livello dei suoi contorni e
tale informazione verrebbe integrata fra un bordo e
l’altro. Sono questi fenomeni di filling-in e di edge
integration
La griglia di Hermann
Secondo Baumgarten (1960) la griglia di Hermann
fornisce una misura delle interazioni eccitatorie ed
inibitorie del campo percettivo!
Vediamo ora un’altra illusione: le bande di Mach!
Per vedere l’illusione il profilo di luminanza deve
essere particolare, nè troppo brusco nè troppo
graduale.
Mach propose una spiegazione per questa illusione
in termini di inibizione laterale e ad oggi tutti i modelli
computazionali proposti per spiegarla prendono in
considerazione il profilo di sensibilità del campo
percettivo e la distribuzione della luminanza fisica .
Studi sperimentali sulla percezione del contrasto.
Vedremo come i risultati degli studi sulla
percezione del contrasto siano perfettamente in
linea con i dati neurofisiologici.
Fra gli stimoli più utilizzati negli studi della
percezione del contrasto ci sono macchie (spot) di
luce su sfondo scuro oppure i reticoli.
Usualmente i reticoli si definiscono nel dominio
della frequenza misurata in numero di cicli per
grado di angolo visivo
La frequenza spaziale è determinata dalle
dimensioni del periodo (l’inverso della frequenza)
del reticolo e dalla distanza dall’osservatore.
Definizione del contrasto
Il contrasto di una immagine è dato dalla differenza di
luminanza fra zone chiare e zone scure.Più precisamente
nel caso di un pattern periodico come un reticolo si
definisce il contrasto:
Per gli spot di luce si considera:
I compiti utilizzati per lo studio della percezione
del contrasto
I tipi di compito maggiormente utilizzati sono quelli di
•Detezione
•Discriminazione (o identificazione)
La metodologia generalmente utilizzata è il calcolo
delle soglie
La percezione del contrasto: campi recettivi e
campi percettivi
Abbiamo visto come i campi recettivi sono organizzati in
aree adiacenti antagoniste cioè dotate di attività
rispettivamente eccitatoria ed inibitoria.
Come ricorderete se lo stimolo appropriato viene
presentato al centro del campo recettivo la risposta è
massima, se però lo si ingrandisce e questo copre anche
porzioni periferiche del campo la risposta
diminuisce.Ulteriori ingrandimenti poi non provocano
nessuna ulteriore variazione perché lo stimolo eccede il
campo recettivo del neurone.
La percezione del contrasto: campi recettivi e
campi percettivi
Una delle domande che i ricercatori intorno agli anni 50’60’ del secolo scorso si chiedevano è se fosse possibile
trovare un corrispettivo a livello percettivo delle funzioni
antagoniste dei campi recettivi
Un primo indizio fu ricavato dagli studi di
Westheimer sull’illusione di Hermann
La griglia di Hermann
La percezione del contrasto: campi recettivi e
campi percettivi
Westheimer scoprì che variando le dimensioni delle barre e
quindi le dimensioni sulla retina delle porzioni chiare e scure
dell’immagine, la forza dell’illusione cambiava e questo fu
messo in relazione con il variare dell’azione eccitatoria ed
inibitoria al variare della distanza
Misurazione dei campi percettivi:
Subthreshold summation
Una misura più precisa però dei campi percettivi si deve a
Fiorentini e collaboratori i quali utilizzarono il metodo della
sommazione sottosoglia (subthreshold summation) sia con
dischi luminosi che con linee.
In questo metodo si misurava la soglia per la detezione di
uno stimolo test (ottenendo così il valore per la soglia di
base) poi si studiava come questo valore fosse modificato
dalla presentazione di un altro stimolo vicino presentato
sottosoglia
Misurazione dei campi percettivi:
Matching
Nel 1975 Higgins e Rinalducci misurarono i campi recettivi
chiedendo ai soggetti di comparare la luminanza di uno spot
di luce (test) presentato tachistoscopicamente con uno altro
stimolo di dimensioni più grandi e costanti (reference)
Variando le dimensioni dello stimolo test da piccolissime a
relativamente grandi si osservavano variazioni nella quantità
di luminanza percepita in linea con la morfologia dei campi
percettivi
La percezione del contrasto in funzione della
frequenza spaziale
Come abbiamo precedentemente detto la soglia di contrasto
può essere definita come il valore di contrasto che produce
una determinata probabilità di detezione.
Un altro valore comunemente usato per lo studio della
percezione del contrasto è però la SENSIBILITA’ al contrasto
che altro non è che l’inverso della soglia
La curva di sensibilità al contrasto
L’acuità visiva
L’acuità visiva del soggetto ovvero il massimo della
risoluzione spaziale del sistema visivo può essere
ricavata dalla curva di sensibilità al contrasto
Questo limite sembra essere determinato dalla distanza
fra coni e fra cellule gangliari nella retina!
Contrast
o
Frequenza spaziale
I canali di frequenza spaziale
Gli studi neurofisiologici hanno mostrato sia nel gatto (Maffei e
Fiorentini 1973) che nella scimmia (De Valois,Alberecht e
Thorrel 1982) che molti neuroni si comportano come filtri nel
dominio della frequenza spaziale oltre che dell’orientamento
(Hubbel e Wiesel 1968)
Questi dati neurofisiologici insieme a quelli psicofisici sull’uomo
suggeriscono che la la curva di sensibilità misurata nell’uomo
risulti dall’integrazione di numerosi meccanismi detti canali di
frequenza spaziale specializzati per particolari dimensioni degli
stimoli
Sensibilità al contrasto e livelli di luminanza
Sensibilità al contrasto ed eccentricità
Sensibilità al contrasto e movimento
Esperimenti sulla discriminazione di patterns
Sino ad ora abbiamo preso in considerazione compiti di
detezione del contrasto.Ma altri tipi di misure prendeono
invece in considerazione la capacità di discriminare fra
due stimoli (soglie differenziali)
Si possono misurare soglie differenziali per stimoli che
differiscono in frequenza spaziale,orientamento,fase o
posizione spaziale.
Esperimenti sulla discriminazione di patterns
In generale si è visto che la capacità discriminativa è scarca
per stimoli poco contrastati e poi cresce fino a stabilizzarsi:il
ruolo del contrasto diviene infatti ininfluente per stimoli molto
ben visibili
La capacità di discriminare fra frequenze spaziali di due
stimoli dovrebbe essere intorno al 2-4% di differenza fra
stimolo test e reference.
Esperimenti sulla discriminazione di patterns
Le soglie per la discriminazione dell’orientamento verticale di
reticoli è di circa 10-20 minuti di arco (Westheimer 1981)
La discriminazione di fase invece si aggira intorno a 20-40°
per uno spettro di frequenze spaziali molto ampio (Burr
1980)
Giudicare la disposizione spaziale di uno stimolo rispetto ad
un altro (es giudicare se due linee sono allineate o no) è
massima per piccole separazioni 3-5 minuti di arco.I
condizioni ottimali l’acuità di allineamento (o di Vernier) arriva
a 5 secondi di arco ovvero 10 volte il valore dell’acuità visiva.
Si para allora di IPERACUITA’.
Fenomeni di interazione fra gli stimoli
L’interazione si studia per capire se due fenomeni sono
inputabili o meno allo stesso processo. Se il processo è lo
stesso ci si attende un’influenza (positiva o negativa) su una
qualità percettiva dello stimolo altrimenti non ci si attende
nessuna interazione.
Le tecniche applicate sono generalmente tre:
•Sommazione sottosoglia
•Mascheramento
•Adattamento
Fenomeni di interazione fra gli stimoli
Nello studio dei canali di frequenza spaziale sull’uomo la
tecnica della sommazione sottosoglia viene eseguita così.
Si misura la soglia di detezione di uno stimolo test in
assenza e poi in presenza di uno stimolo subliminare che
occupa la stessa posizione spaziale.
I risultati dicono che si ha interazione massima quando i
reticoli hanno la stessa frequenza poi una progressiva
diminuzione di interferenza per piccola differenze di
frequenza spaziale e l’assenza di interazioni per differenze
grandi
Questo ci dice che per ogni posizione dello spazio esistono
filtri spaziali diversi
Le dimensioni dei canali di frequenza misurati con la
tecnica del mascheramento.
I canali di frequenza spaziale hanno una funzione molto
importante in visione. Non solo sono fondamentali per la
percezione di stimoli periodici come i reticoli o più in
generale per la percezione della tessitura di una scena
visiva ma anche per la percezione di stimoli come la
struttura di un bosco, di un prato o di una folla per i quali
l’informazione sulle frequenze spaziali è molto importante
E’ comunque altamente probabile che i canali di frequenza
spaziale abbiano una funzione anche nella percezione di
oggetti non periodici e più complessi
Pelli e Solomon 1994
Le interazioni fra stimoli non simultanei
Si chiamano effetti consecutivi (after effects) le influenze
che un primo stimolo esercita su un secondo stiolo
presentato successivamente.
Vediamo delle applicazioni della tecnica
dell’adattamento. Prima vedremo l’effetto su uno
stimolo a basso contrasto e poi degli esempi di after
effects per stimoli ad alto contrasto.