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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
Guido Stolfi 84 / 89
Ilusão de Muller-Lyers
Guido Stolfi 85 / 89
Mesas de Shepard
Guido Stolfi 86 / 89
Justificativa da Ilusão de Muller-Lyers
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Cultura “Circular”
Guido Stolfi 88 / 89
Guido Stolfi 89 / 89
Guido Stolfi 90 / 89
VerdeVermelhoPretoBranco
MarromAzulAmareloRoxo
