Immagini e
percezione visiva
Onde elettromagnetiche
Tale
propagazione
avviene
con
trasporto di energia, ha carattere
ondulatorio e quindi è caratterizzata da
, , da un periodo e da una velocità di
propagazione, che nel vuoto è c.
Per radiazione
elettromagnetica si
intende la
propagazione nello
spazio di campi
elettrici e
magnetici, variabili
nel tempo,
generati da
cariche o correnti
oscillanti,
strettamente
intercorrelati fra
loro.
Spettro elettromagnetico
• Tensioni alternate (50 Hz)
• onde radio
• microonde (radar, telefonia
cellulare)
• infrarosso
• luce visibile
• ultravioletto
• raggi X ( radiografia e
tomografia)
• raggi gamma
Spettro elettromagnetico
Immagini digitali
La funzione
f(x,y) misura
l’intensità
luminosa nei
punti di
coordinate
(x,y)
dell’immagine
stessa.
Radiometria
• Una immagine rappresenta l’energia
luminosa proveniente dagli oggetti
presenti nella scena
• Radiometria: settore della fisica che si
occupa di misurare le grandezze legate
all’energia luminosa
• Energia luminosa (E): quantità di energia
trasportata dalla radiazione
• Potenza
energetica
(Q):
energia
trasmessa nell’unità di tempo
Sorgenti luminose
• Le sorgenti luminose emettono energia su
numerose lunghezze d’onda
• L’emissione di una sorgente non è quasi
mai confinata nella parte visibile dello
spettro
Spettro solare
Sorgenti luminose
• Con un prisma ottico è possibile separare
e osservare le diverse componenti della
luce visibile (rifrazione della luce)
Esperimento di Newton
Immagini
• I corpi non sorgenti di radiazione
assorbono, riflettono e trasmettono la
radiazione luminosa
• Questi fenomeni si manifestano in modo
diverso alle diverse lunghezze d’onda
• Il colore dei corpi dipende dall’insieme di
tali fenomeni.
Immagini
•Sulla
base
delle
precedenti
considerazioni, per ottenere immagini
digitali a colori, sembrerebbe necessario
misurare l’intensità luminosa su ciascuna
lunghezza d’onda dello spettro visibile.
• In realtà, grazie alle caratteristiche dei
fenomeni percettivi tipici del sistema
visivo umano, sono necessarie solo misure
in corrispondenza di tre particolari
lunghezze d’onda.
Imaging multispettrale
• È possibile ottenere diverse immagini
dello stesso oggetto, usando radiazione
con lunghezza d’onda diversa
• Le varie immagini metteranno in evidenza
particolari diversi
Imaging multispettrale
Fotometria
• Nel caso in cui si consideri radiazione
visibile si parla di fotometria, anziché di
radiometria
• L’unità di misura fondamentale è quella
dell’intensità luminosa (candela)
• Il lumen misura invece il flusso luminoso
(F) e rappresenta l’energia irradiata
nell’unità di tempo
Grandezze fotometriche
Riceve
Emette
Grandezza
Definizione
Unità di misura
Illuminamento
dF
dA
 lumen 
 m 2 
Emettenza
dF
dA
 lumen

 m 2  lux 
Intensità
dF
d
 lumen


candela
 sterad

Luminanza
dF
ddA
 lumen 
 sterad  m 2 
1 steradiante = angolo sotteso da una superficie di 1 m2 di una sfera
avente raggio di 1 m
Risposta dell’occhio umano
• Per sapere come le grandezze radiometriche e
fotometriche si legano alla sensazione prodotta
dal sistema visivo umano, occorre conoscere la
funzione di luminosità: risposta dell’occhio
umano per le singole lunghezze d’onda della
radiazione incidente
• Tale funzione ha due andamenti diversi, a
seconda delle condizioni di illuminazione:
visione diurna (fotopica) e notturna (scotopica)
Risposta dell’occhio umano
Intensità di una sorgente
• L’intensità luminosa L (o luminanza)
di una sorgente che ha una
distribuzione spettrale P() risulta:

L   P  V  d
0
dove V()
dell’occhio.
è
la
risposta
spettrale
COLORIMETRIA
L’esperimento di Newton mise in evidenza che l’energia
luminosa appare all’occhio umano con colori diversi a
seconda della sua lunghezza d’onda e diede la possibilità
di ottenere i colori spettrali. Poiché questi ultimi non
includevano tutta la gamma delle tonalità di colore
esistenti in natura, si presentò il problema di come
ottenere tutti gli altri colori. Indagini successive
portarono vari studiosi alla conclusione che tutti i colori
potevano essere ottenuti mediante sovrapposizione di tre
opportuni colori base.
•Modello di Young (1820): tutti i colori possono
essere ottenuti mediante la sovrapposizione di
tre colori primari: red, green, blue.
COLORIMETRIA
• Nel 1920 Guild e Wright realizzarono
indipendentemente l’uno dall’altro, degli
esperimenti che dimostrarono la validità
della teoria di Young.
• Bisognerà attendere la fine degli anni 60
per avere la prima evidenza fisiologica
dell’esistenza di tre distinti recettori
nell’occhio umano.
Sintesi additiva
• Oggi la teoria del tristimolo, che spiega la
percezione visiva dei colori, è ampiamente
accettata.
• Il
sistema
RGB
ne
costituisce
la
formalizzazione quantitativa
Sintesi additiva
L’intensità delle 3 sorgenti
veniva variata fino ad ottenere
un colore bianco esattamente
uguale,
in
termini
di
percezione visiva, a una luce
bianca di riferimento.
La luce bianca si realizzava per una miscela R:G:B nei
rapporti 1 : 4.6 : 0.06
Sintesi additiva
La CIE (Commission International de
l’Eclairage) decise quindi di adottare come
terna di colori primari di riferimento nella
sintesi additiva tre luci monocromatiche
corrispondenti a tre zone ben definite dello
spettro, nel rosso (700,0 nm), nel verde
(546,1 nm) e nel blu (435,8 nm), indicate con
le lettere R, G, B (red, gree e blue).
Teoria tricromatica
• Le 3 sorgenti luminose, definite come sopra, sono
comunemente utilizzate come unità di riferimento per
tutta la teoria tricromatica.
• La seconda parte dell’esperimento di Guild e Wright
consisteva nel fare variare i rapporti fra le 3 sorgenti,
in modo che i colori ottenuti fossero equivalenti,
sempre dal punto di vista percettivo, al colore in
esame, proiettato su una zona adiacente dello schermo.
• Un colore C viene riprodotto dalla combinazione dei 3
colori di base secondo lo schema:
C  aR C  R  aG C  G  aB C  B
dove aR(C), aG(C), aB(C) sono le frazioni delle unità T,
necessarie per ottenere il colore C.
Teoria tricromatica
• Proprietà additiva:
C3  C1  C2  aR C1   aR C2  R 
 aG C1   aG C2  G  aB C1   aB C2  B
Il colore C3, che può essere ottenuto
mescolando i colori C1 e C2, può egualmente
essere realizzato sommando la relative
frazioni di ciascun primario che servono per
ottenere C1 e C2.
Spazio RGB
• La rappresentazione grafica dei colori nello
spazio RGB è un cubo
• A ciascun colore corrisponde un punto
all’interno del cubo e le coordinate di tale
punto esprimono le frazioni dei tre colori
primari necessarie per ottenere il colore
stesso
• Le 3 coordinate RGB variano ciascuna da 0 a 1
• Il nero è rappresentato da (0, 0, 0) e il bianco
da (1, 1, 1)
Spazio RGB
I livelli di grigio stanno sulla diagonale che congiunge i vertici
corrispondenti al bianco e al nero.
Negli altri vertici ci sono i colori primari (rosso, verde e blu) e
complementari (giallo, ciano e magenta).
Nella sintesi additiva un colore si definisce complementare di un altro
quando sommato a questo forma il bianco.
Spazio CMY
• Il modello CMY è molto usato nelle stampanti a
colori
• I colori sono definiti per sottrazione, anziché
per addizione come nel modello RGB
• I primari sottrattivi sono Ciano, Magenta e
Giallo (CMY)
• I colori si ottengono filtrando la luce bianca: in
tal modo infatti si sottrae colore da essa
• I filtri ciano e magenta lasciano passare solo la
luce blu, magenta e giallo la luce rossa e i filtri
giallo e ciano la luce verde
Sintesi sottrattiva
Finora abbiamo parlato del colore ottenuto tramite mescolanze di
luci colorate; è possibile anche ottenere colori come mescolanza di
sostanze colorate (pigmenti, coloranti, ecc.). Per simulare il
comportamento di tali sostanze nel generare il colore, si possono
prendere in considerazione dei filtri colorati e in particolare i
colori che si ottengono quando i filtri sono accoppiati secondo le
combinazioni possibili. Un filtro ottico colorato è costituito da un
mezzo a facce piane e parallele, di solito solido, che attraversato
dalla luce bianca ne assorbe selettivamente una sua porzione: di
conseguenza il filtro assume il colore prodotto dalla radiazione
complementare di quella che viene assorbita.
Consideriamo ora tre filtri di colore giallo (Y), magenta (M) e
ciano (C), che costituiscono i colori primari della sintesi
sottrattiva
e poniamoli su un visore luminoso bianco,
sovrapponendoli parzialmente secondo tutte le combinazioni. Nel
caso di una sovrapposizione parziale di due filtri, il colore
risultante è quello formato dalla componente luminosa che non viene
assorbita da nessuno dei due filtri.
RGB vs CMY
Sintesi
additiva
Sintesi
sottrattiva
Occhio umano
sclera
L’occhio è paragonabile ad una
sfera di circa 12 mm di raggio,
costituita da tre strati. Lo strato
più esterno è una membrana
fibrosa, detta sclera, sulla quale si
innesta nella parte anteriore un
tessuto trasparente, la cornea.
All’interno della sclera si trova il
coroide,
strato
intermedio
assorbente
di
colore
nero,
contenente i capillari necessari per
irrorare l’occhio.
La prosecuzione naturale del
coroide è l’iride, che forma la
pupilla, di dimensioni variabili fra 2
e 8 mm.
I raggi luminosi vengono focalizzati dal cristallino sulla retina, la membrana più interna
che rappresenta la parte sensibile alla luce e sulla quale si formano le immagini degli
oggetti. Il cristallino è una vera e propria lente a fuoco variabile. Questa proprietà è
detta accomodazione (possibilità di variare la curvatura del cristallino).
Occhio umano
• Le immagini si
formano sulla retina
• La retina è formata
di cellule
fotosensibili
(trasformano la luce
in impulsi nervosi)
• Due di questi tipi di
cellule sono
chiamate coni e
bastoncelli
Occhio umano
Il compito dei coni e dei
bastoncelli
è
quello
di
trasformare in impulsi elettrici
le informazioni ricevute dalle
reazioni
fotochimiche
che
vengono
attivate
dalla
radiazione
luminosa
e
di
inviare
questi
segnali
ai
neuroni retinici, che sono
variamente connessi fra di loro
ed
effettuano
una
prima
elaborazione
del
segnale
visivo. Gli assoni delle cellule
gangliari si riuniscono in modo
da formare il nervo ottico, un
cavo
che
conduce
l'informazione visiva fuori dalla
retina fino ai centri superiori.
Occhio umano
Parte nasale
Parte temporale
I coni sono raggruppati nella fovea, mentre i bastoncelli
sono distribuiti lungo la retina. I coni sono preposti alla
visione diurna o fotopica, mentre i bastoncelli provvedono
a quella notturna o scotopica.
Visione fotopica e scotopica
caratteristica
VISIONE
FOTOPICA
VISIONE
SCOTOPICA
Sostanza
sensibile alla
luce
pigmenti dei
coni
rodopsina
Tipo di
cellule
sensoriali
Tempo di
adattamento
coni
bastoncelli
rapido
(meno di 8
min)
sì
lento (30 min)
7 milioni
120 milioni
550 nm
500 nm
Discriminazio
ne colori
Numero di
fotorecettori
Massima
sensibilità
spettrale
no
Bastoncelli
Coni
Alta
sensibilità
Bassa
sensibilità
Bassa
luminosità
Alta luminosità
(1 cd/m2)
La visione fornita dai coni
è più nitida di quella
fornita dai bastoncelli: ciò
dipende dal fatto che i
coni sono più sottili dei
bastoncelli
e
quindi
assicurano una migliore
risoluzione spaziale.
Coni e bastoncelli
• La sensibilità spettrale dei bastoncelli
è diversa da quella dei coni
• Esistono tre tipi di recettori (coni),
ognuno dei quali risponde a stimoli di
tre colori diversi
Curve di assorbimento
spettrale dei coni.
La percezione visiva
Ognuno di noi ha un “buco” nel proprio campo visivo, uno per
occhio, ma non lo percepisce (punto cieco). Tutto il fondo
dell’occhio è infatti coperto dai fotorecettori, tranne che in
un punto, un’area di 1.5 mm di diametro, dove convergono i
nervi e i vasi sanguigni della retina. Pertanto questo punto non
è sensibile alla luce, è una zona senza informazioni.
Però questo buco non viene notato consciamente, per due ragioni:
• l'altro occhio fornisce al cervello informazioni su cosa si trova
in quella parte di campo visivo, anche se non molto dettagliate
• se l'altro occhio viene chiuso, il cervello riempie comunque il
buco
usando
informazioni
provenienti
dalle
zone
immediatamente circostanti (“filling in”).
È importante sottolineare che, quando viene usato un solo
occhio, ciò che viene visto nell'area del punto cieco è solo una
supposizione da parte del cervello, e potrebbe essere
sbagliata.
Come scoprire il punto cieco
Coprite l'occhio sinistro, ed osservate l'immagine qui sotto con
l'occhio destro. Ponetevi ad una distanza di circa 30 cm dal
monitor, e fissate con l'occhio destro la croce. È importante
fissare la croce senza muovere gli occhi.
Muovendo avanti e indietro la testa, dovreste notare che il
pallino a destra scompare e riappare alternativamente. Questo
perché, quando il pallino passa attraverso il punto cieco
dell'occhio destro, il cervello usa l'area circostante
(completamente bianca) per riempire il pezzo mancante; funziona
anche coprendosi l'occhio destro e fissando il pallino.
Visione a colori
• La percezione dei colori è legata alla
presenza di tre tipi di coni, sensibili
ciascuno a tre colori diversi (rosso,
verde, blu)
• Un’onda monocromatica invierà al cervello
una tripletta di valori corrispondenti alla
risposta dei tre coni a quella lunghezza
d’onda
• Tale tripletta dà la sensazione del colore
corrispondente
Visione a colori
• Ad
esempio,
un’onda di 500 nm
(corrispondente al
colore verde scuro)
produrrà
una
tripletta di valori
come quelli visibili
in figura
• La
tonalità
di
colore
percepita
dal
cervello
è
quella relativa a
tale tripletta
Sistema visivo umano
• La gamma dei livelli di intensità ai quali l’occhio
può adattarsi è enorme (1010)
• Si passa dalla soglia scotopica al limite
dell’abbagliamento
• La luminosità soggettiva (percepita dall’occhio)
è una funzione logaritmica dell’intensità della
luce incidente
• L’occhio umano non funziona simultaneamente
sulla intera gamma dei livelli
• Piuttosto, passa attraverso una serie di livelli
di adattamento alla intensità della luce
Effetto Mach
•L’occhio umano tende a “confondersi” al confine fra zone di
differente intensità luminosa
L’effetto Mach è dovuto alla tendenza dell‘occhio umano di vedere
bande di rinforzo luminose o scure, nere, tra zone a differente
luminosità.
E’ ancora oggetto di discussione la base fisica del fenomeno.
Si noti la banda scura che
appare immediatamente a
destra
della
gradiente
chiaro-scuro e la banda
chiara
che
appare
immediatamente alla sua
sinistra.
Contrasto simultaneo
• Altro fenomeno tipico è quello del contrasto
simultaneo: il contesto contribuisce alla
determinazione della luminosità di una regione
• I quadrati hanno tutti la stessa intensità, ma
quello su sfondo scuro appare più chiaro di
quello su sfondo chiaro
• Essi appaiono uguali solo quando sono a
contatto
Contrasto simultaneo
• I quadrati neri
tutti dello stesso
livello
di
grigio
appaiono più o meni
scuri a seconda del
livello di grigio dello
sfondo.
• Il colore blu viene
esaltato molto di più
dall’accostamento
con il giallo, suo
complementare, che
da quello con altri
colori.
Daltonismo
• Le leggi della colorimetria valgono per tutta la
popolazione tranne che per i daltonici
• Questo difetto colpisce l’8% della popolazione
maschile e l’1% di quella femminile
• L’assenza totale dei coni o la presenza di solo un tipo
di essi provoca il daltonismo totale
• La presenza di due tipi di coni diversi permette la
visione di un certo tipo di colori e non quella di altri
Punti fantasma
You may see spots where
the white lines intersect,
but if you try looking
right at one, it will
disappear. The spots, of
course,
aren't
really
there. They're caused by
the
way
your
eyes
respond to light and dark
areas. When an area is
surround by light, your
eye
compensates
by
"turning
down"
the
brightness a bit, making
you see darkened blobs.
In this grid, the areas surrounded by the most white are at the intersections
of the white lines. Since this phenomenon works best in your peripheral vision,
the spots disappear when you look right at them.