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Guido Stolfi 1 / 89

Percepção Visual

• PTC2547 – Princípios de Televisão Digital

• Guido Stolfi – 8/2013

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Percepção Visual

Elementos de Neurologia: impulsos nervososFisiologia do Olho HumanoCaracterísticas da VisãoMecanismo da formação da imagemPercepção de Intensidade e Fator GamaResolução EspacialResolução Temporal e CintilaçãoPercepção de MovimentoPercepção de DistânciaIlusões Ópticas

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Estrutura do Olho Humano

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Estrutura da Retina

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Características da Retina

• 7.000.000 de Cones – células sensíveis à intensidade e à cor (visão Fotópica)

• 130.000.000 de Bastonetes – sensíveis apenas à intensidade (Visão Escotópica)

• 1.000.000 de fibras nervosas no Nervo Óptico

• Fisiologicamente, é uma extensão do córtex cerebral

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Características da Fóvea

• Área central da retina (~2 mm2), responsável pela Visão Central

• Abrange ângulo visual de ~2 graus

• Resolução Angular para Luminância: 1 a 2 minutos de grau (1 a 2 mm x 3 metros)

• Resolução Angular para Crominância: 5 a 10 minutos de grau

• Freqüência Crítica de Cintilação: 40 a 85 Hz

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Elementos de Neurologia

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Elementos de Neurologia

• Fibras nervosas transmitem impulsos químicos

• Potencial elétrico é conseqüência do impulso químico

• Impulsos têm sempre mesma amplitude

• Intensidade do estímulo afeta taxa de repetição dos impulsos

• Cada fibra nervosa transmite apenas uma qualidade de estímulo

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Propagação do Impulso Nervoso

Na+

K+

Na+

Na+

Na+Na+

Na+

Na+

Na+

K+

K+

K+K+K+

Fibra em repouso:Potencial de –75 mV

Na+

K+Na+

Na+

Na+Na+

Na+

Na+

Na+

K+

K+

K+K+K+

Início do impulso (Paredes da fibra permitem ingresso de Sódio):Potencial de Ação de + 55 mV

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Propagação do Impulso Nervoso

Propagação (paredes da fibra tornam-se permeáveis ao potássio):Potencial retorna a –70 mV

Fim do impulso (paredes tornam-seimpermeáveis): Potencial de polarização – 70 mV

Na+

K+

Na+Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

K+

K+

K+

K+

K+

Na+

K+

Na+Na+

Na+ Na+Na+

Na+

Na+K+

K+

K+

K+

K+

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Propagação do Impulso Nervoso

Bomba Sódio-Potássio entra em ação (período refratário): Potencial de –70 mV

Na+

K+

Na+Na+

Na+ Na+Na+

Na+

Na+K+

K+

K+

K+

K+

Na+

K+

Na+

Na+

Na+Na+

Na+

Na+

Na+

K+

K+

K+K+K+ Fibra em repouso:

Potencial de –75 mV

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Modelo de um Elemento de Fibra Nervosa

g(Na) g(Cl) g(K)

69 mVE(Cl)

75 mVE(K)

55 mVE(Na)

I(K) I(Na) Cm

Exterior

Interior

g(K) = 20 g(Na)0 = 4 g(Cl) g(Na)P = 500 g(Na)0

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Impulsos Nervosos em Células Sensoriais

E = 1000

E = 10

E = 0

T

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Percepção de Diferenças de Intensidade

log T

PE = 0E = 1000

100102

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Tipos de Fibras no Nervo Óptico

Estímulo Luminoso

Células “ON”

Células “OFF”

Células “ON-OFF”

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Exemplo de Processamento Neuronal

t

1

Gânglio Bipolar

Neurônio

Estímulo

Sinapse Ativa

Sinapse Inibidora

Axônio

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Fisiologia do Olho Humano

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Distribuição das Células na Retina

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80Ângulo em relação à Fóvea

Bastonetes

ConesPonto Cego

Cél

ula

s p

or

mm

2

x 1000

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Estrutura da Retina

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Retina Ocular

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Pré-processamento da Retina

• Agrupamento: várias células contribuem para uma unidade de percepção (ex.: bastonetes)

• Inibição Lateral: estímulos locais dessensibilizam células vizinhas (filtro passa-altas espacial)

• Inibição temporal: estímulos “ON”, “OFF” (filtro passa-altas temporal)

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Modelo de Oponentes para Percepção Visual

LogLogLog

ConesVermelhos

ConesConesVerdesAzuis

BrilhoOponente OponenteAzul-Amarelo Vermelho-Verde

RGB

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Sensibilidade Espectral da Visão

r

g

b R P F dR ( ) ( )

G P F dG ( ) ( )

B P F dB ( ) ( )

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Distribuição de Cones e Bastonetes

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Distribuição de Cones e Bastonetes

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Faixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade

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Adaptação à Luminosidade

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Sensibilidade da Visão para Diferenças de Cromaticidade

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Mecanismo de Construção da Visão

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Musculatura do Globo Ocular

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Movimentos Sacádicos

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Movimentos Sacádicos

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Movimentos Sacádicos

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Mecanismo de Formação da Imagem

A7

8

45

9

6

10

1

32

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t 50 ms

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Percepção de Intensidade

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Lei de Weber para Percepção Sensorial

Diferença ApenasPerceptível de

Brilho

Y

YLei de Weber0 02. ( )Y Y+Y

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Fração de Weber

0,01

0,1

1

-20 -10 0 10 20

Ln da Luminância (cd/m2)

Fra

ção

de

Web

er

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Limiar de Percepção Sensorial

log T

P

100102

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Faixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade (Geral e Local)

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Sensação de Brilho em Torno de um Ponto de Acomodação

Brilho Aparente

Y Y se Y Y

Y Y caso contrario

n n

n

116 16 0 008856

9033

1

3( / ) / .

. ( / )

0

20

40

60

80

100

0 0.5 1

Luminância relativa (Y/Yn)

Bri

lho

Ap

aren

teL* = “Lightness”

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Correção Gama

Câmera CorretorGama T.R.C

BrilhoAparente

Canal deTransmissão

OY 45.0YV Y V 2 2.OYY

( = 2,2 )

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Efeito da Não-linearidade do TRC

01020304050

60708090

100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Tensão na Grade do TRC

Saí

da

Rel

ativ

a

Brilho Aparente

Luminância do TRC

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Ruído Aditivo e Correção Gama

= 2,2

= 0

Original

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Exemplo: Sistema sem Correção Gama

Escala uniforme de intensidades aparentes (“Lightness”)

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Exemplo: Sistema sem Correção Gama

Luminância correspondente à escala uniforme

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Exemplo: Sistema sem Correção Gama

Sinal proporcional à Luminância sujeito a ruído aditivo

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Exemplo: Sistema sem Correção Gama

Percepção visual do sinal sujeito a ruído aditivo

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Exemplo: Sistema com Correção Gama

Escala uniforme de intensidades aparentes (“Lightness”)

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Exemplo: Sistema com Correção Gama

Sinal proporcional à Luminosidade aparente, com ruído aditivo

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Exemplo: Sistema com Correção Gama

Luminância reconstruída a partir do sinal com ruído

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Exemplo: Sistema com Correção Gama

Percepção visual final do sinal sujeito a ruído aditivo

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Resolução Espacial

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Resolução Espacial da Visão

1

10

100

1000

0,01 0,1 1 10 100Freqüência Espacial (Ciclos/grau)

Luminância

Vermelho-Verde

Azul-Amarelo

Contraste

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Bandas de Mach

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Carta de Campbell

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Freqüências Relevantes na Visão

4,2 mm = 1,2 ciclos/grau

1,2 mm = 4,3 ciclos/grau

0,35 mm = 7,5 ciclos/grau

0,15 mm = 17 ciclos/grau

1,5 mm = 3,5 ciclos/grau

( d = 300 mm )

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Freqüências Relevantes na Visão

1

10

100

1000

0,1 1 10 100Freqüência Espacial (Ciclos/grau)

Luminância

Contraste

Linhasde Texto

Caracteres

Elementosgráficos

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Resolução Temporal e Cintilação

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Percepção de Cintilação

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,01 0,1 1 10 100 1000

Luminância (nits)

Fre

qü

ênci

a C

ríti

ca (

Hz)

20o (perif.)

20o (central)

1o (central)

1o (perif.)

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Mecanismo de Formação da Imagem

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

7

8

45

9

6

10

1

32

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Sensibilidade à Cintilação de Detalhes

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Diâmetro da Pupila x Luminosidade Ambiente

01

23

45

67

8

0 0.01 0.1 1 10 100 1k 10k 100k

Luminância (nits)

Diâmetro da Pupila

(mm)

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Luminância x Cintilação

10 10.75 19.63

215 392 48.4 54.4 60.6 66.9

30 9.08 15.21

544 912 57.6 62.8 70.2 75.5

100 8.04 11.34

1608 2268

68.9 71.9 81.8 84.9

300 7.07 9.62

4242 5772

78.2 81.3 91.4 94.6

1000 6.16 12320 88.9 102.4

3000 4.52 27120 96.7 110.5

Luminância da Tela

(Nits)

Área da Pupila (mm2)

Iluminamento Retinal

(Trolands)

Freqüência Crítica p/ 10o (Hz)

Freqüência Crítica p/ 70o

(Hz)

10000 3.14 62800 105.1 119.2

Relação entre Luminância da Tela de Monitores de Vídeo e Freqüências Críticas de Cintilação, para 95% da População (ISO/TC159/1987) - Campos de Visão de 10 e 70 graus

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Questão Polêmica

• Cintilação de 60 Hz é responsável pelo sucesso da Televisão?

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Percepção de Movimento

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Percepção de Movimento

Movimento Retinal– Imagem do objeto se move em relação à retina– Sujeita às características temporais da visão– Baixa definição espacial, visão periférica

• Rastreamento Ocular– Olho acompanha a trajetória do objeto– Sujeita às características espaciais da visão – Alta definição espacial, visão central

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Movimento Retinal e Rastreamento Ocular

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Mecanismos de Compensação do Movimento Ocular

-+

- +Comando

motor

Comandomotor

Sensores Informaçãocompensada

Movimento ocular

Informaçãobruta

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Percepção de Distância

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Mecanismos de Percepção de Distância

• Foco Ocular

• Visão Binocular (Disparidade)

• Paralaxe de Movimento

• Fator de Escala

• Texturas e Saturação

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Foco Ocular

• Informação intensa para curtas distâncias (< 1m)

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Visão Binocular

• Informação fortíssima para curtas distâncias (dentro do alcance físico); decresce até distâncias médias (< 100 m)

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Paralaxe de Movimento

• Depende da amplitude do movimento; em condições de visualização normal é intensa para distâncias curtas (< 10 m)

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Fator de Escala

• Forte para qualquer distância (centímetros a quilômetros); depende de aprendizado

1m 500m

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Texturas / Saturação

• Estimativa razoável para distâncias longas (até vários km)

PertoLonge

Muitolonge

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Diferenças na Percepção de Distâncias

2,5 m

0,5 m

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Compensação da Distorção de Perspectiva

A B C

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Distorção de Perspectiva

A B, C

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Questão Polêmica

• A Televisão do Futuro será em 3 dimensões?

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Ilusões Ópticas

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Ilusões Ópticas (Visuais)

• Quando a percepção entra em contradição com a realidade física

• Estudo dos mecanismos da percepção visual

• Ilusões fisiológicas (intrínsecas) e cognitivas (culturais)

• Teste de hipóteses

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Irregularidades do Campo Visual

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Ilusão de Muller-Lyers

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Ilusão de Muller-Lyers

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Mesas de Shepard

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Justificativa da Ilusão de Muller-Lyers

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Cultura “Circular”

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VerdeVermelhoPretoBranco

MarromAzulAmareloRoxo