Percepção Visual
•
Curso: Televisão Digital
•
Guido Stolfi – 4 / 2008
Guido Stolfi
1/89
Estrutura do Olho Humano
Guido Stolfi
2/89
Estrutura da Retina
Guido Stolfi
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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
Guido Stolfi
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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
Guido Stolfi
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Elementos de Neurologia
Guido Stolfi
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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
Guido Stolfi
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Propagação do Impulso Nervoso
Na+
Na+
K+
K+
K+
Na+
+
Na+ Na
K+ K+
K+
Na+
Na+ Na+
Na+
K+
Na+
+
Na+ Na
K+
Na+ K+
Na+
Fibra em repouso:
Potencial de –75 mV
K+
K+
K+
Início do impulso (Paredes da fibra
permitem ingresso de Sódio):
Potencial de Ação de + 55 mV
Na+ Na+
Guido Stolfi
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Propagação do Impulso Nervoso
K+
Na+
+
Na+ Na
Na+
Na+
K+
Na+ K+
Na+ Na+
K+
Na+
K+
Propagação (paredes da fibra
tornam-se permeáveis ao potássio):
Potencial retorna a –70 mV
K+
K+
Na+
K+ K+
Na+
Na+
Na+ K
Na+ Na+
K+
+
K+
Fim do impulso (paredes tornam-se
impermeáveis):
Potencial de polarização – 70 mV
Na+
Guido Stolfi
9/89
Propagação do Impulso Nervoso
Na+
K+
Na+
Na+ Na+
Na+ Na+ Na+
K+
K+
Na+
Na+
K+
K+
K+
Na+
K+
K+
Na+
Na+
Bomba Sódio-Potássio entra em
ação (período refratário):
Potencial de –70 mV
K+
+
Na+ Na
K+ K+
K+
Fibra em repouso:
Potencial de –75 mV
Na+ Na+
Guido Stolfi
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mV
mV
Interior
mV
55
69
75
E(Na)
E(Cl)
E(K)
C
m
I(K)
I(Na)
g(Na)
g(Cl)
g(K)
Exterior
Modelo de um Elemento de Fibra Nervosa
g(K) = 20 g(Na)0 = 4 g(Cl)
g(Na)P = 500 g(Na)0
Guido Stolfi
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Impulsos Nervosos em Células Sensoriais
E = 1000
E = 10
E=0
T
Guido Stolfi
12/89
Percepção de Diferenças de Intensidade
P
E = 1000
102
100
E=0
log T
Guido Stolfi
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Tipos de Fibras no Nervo Óptico
Estímulo Luminoso
Células “ON”
Células “OFF”
Células “ON-OFF”
Guido Stolfi
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Exemplo de Processamento Neuronal
Sinapse Ativa
Neurônio
1
Estímulo
t
Axônio
Sinapse Inibidora
Gânglio Bipolar
Guido Stolfi
15/89
Fisiologia do Olho Humano
Guido Stolfi
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Células por mm2
Distribuição das Células na Retina
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
x 1000
Bastonetes
Ponto Cego
-80
-60
-40
-20
Cones
0
20
40
60
80
Ângulo em relação à Fóvea
Guido Stolfi
17/89
Estrutura da Retina
Guido Stolfi
18/89
Retina Ocular
Guido Stolfi
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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)
Guido Stolfi
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Modelo de Oponentes para Percepção Visual
Cones
Azuis
Cones
Verdes
Oponente
Azul-Amarelo
R
G
B
Log
Cones
Vermelhos
Log
Brilho
Log
Oponente
Vermelho-Verde
Guido Stolfi
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Sensibilidade Espectral da Visão
R   P(  )  FR (  ) d
b
g
r
G   P(  )  FG (  ) d
B   P(  )  FB (  ) d
Guido Stolfi
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Distribuição de Cones e Bastonetes
Guido Stolfi
23/89
Distribuição de Cones e Bastonetes
Guido Stolfi
24/89
Faixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade
Guido Stolfi
25/89
Adaptação à Luminosidade
Guido Stolfi
26/89
Sensibilidade da Visão para Diferenças de
Cromaticidade
Guido Stolfi
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Mecanismo de Construção da Visão
Guido Stolfi
28/89
Musculatura do Globo Ocular
Guido Stolfi
29/89
Movimentos Sacádicos
Guido Stolfi
30/89
Movimentos Sacádicos
Guido Stolfi
31/89
Movimentos Sacádicos
Guido Stolfi
32/89
Mecanismo de Formação da Imagem
1
2
1
3
2
4
3
5
5
4
6
6
7
7
8
8
9
10
9
10
t  50 ms
Guido Stolfi
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Percepção de Intensidade
Guido Stolfi
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Lei de Weber para Percepção Sensorial
Y
Y+Y
Y

 0.02 ( Lei de Weber )
Y
Diferença Apenas
Perceptível de Brilho
Guido Stolfi
35/89
Fração de Weber
0,1
Fração de Weber
1
0,01
-20
-10
0
10
20
Ln da Luminância (cd/m2)
Guido Stolfi
36/89
Limiar de Percepção Sensorial
P
102
100
log T
Guido Stolfi
37/89
Faixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade
(Geral e Local)
Guido Stolfi
38/89
Sensação de Brilho em Torno de um Ponto de
Acomodação
Brilho Aparente
1

116(Y / Yn ) 3  16 se Y / Yn  0.008856

Brilho Aparente  
9033
. (Y / Yn )
caso contrario
L* = “Lightness” 

100
80
60
40
20
0
0
0.5
1
Luminância relativa (Y/Yn)
Guido Stolfi
39/89
Correção Gama
Brilho
Aparente
Câmera
YO
Corretor
Gama
V Y
0.45
Canal de
Transmissão
T.R.C
Y  V 2.2
Y  YO
(  = 2,2 )
Guido Stolfi
40/89
Saída Relativa
Efeito da Não-linearidade do TRC
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Brilho Aparente
Luminância do TRC
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Tensão na Grade do TRC
Guido Stolfi
41/89
Ruído Aditivo e Correção Gama
=0
Original
 = 2,2
Guido Stolfi
42/89
Exemplo: Sistema sem Correção Gama
Escala uniforme de intensidades aparentes (“Lightness”)
Guido Stolfi
43/89
Exemplo: Sistema sem Correção Gama
Luminância correspondente à escala uniforme
Guido Stolfi
44/89
Exemplo: Sistema sem Correção Gama
Sinal proporcional à Luminância sujeito a ruído aditivo
Guido Stolfi
45/89
Exemplo: Sistema sem Correção Gama
Percepção visual do sinal sujeito a ruído aditivo
Guido Stolfi
46/89
Exemplo: Sistema com Correção Gama
Escala uniforme de intensidades aparentes (“Lightness”)
Guido Stolfi
47/89
Exemplo: Sistema com Correção Gama
Sinal proporcional à Luminosidade aparente, com ruído aditivo
Guido Stolfi
48/89
Exemplo: Sistema com Correção Gama
Luminância reconstruída a partir do sinal com ruído
Guido Stolfi
49/89
Exemplo: Sistema com Correção Gama
Percepção visual final do sinal sujeito a ruído aditivo
Guido Stolfi
50/89
Resolução Espacial
Guido Stolfi
51/89
Resolução Espacial da Visão
Contraste
1000
Luminância
Vermelho-Verde
100
Azul-Amarelo
10
1
0,01
0,1
1
10
Freqüência Espacial (Ciclos/grau)
100
Guido Stolfi
52/89
Bandas de Mach
Guido Stolfi
53/89
Carta de Campbell
Guido Stolfi
54/89
Freqüências Relevantes na Visão
4,2 mm = 1,2 ciclos/grau
1,5 mm = 3,5 ciclos/grau
0,15 mm = 17 ciclos/grau
0,35 mm = 7,5 ciclos/grau
1,2 mm = 4,3 ciclos/grau
( d = 300 mm )
Guido Stolfi
55/89
Freqüências Relevantes na Visão
Contraste
1000
Caracteres
Luminância
100
Linhas
de Texto
Elementos
gráficos
10
1
0,1
1
10
Freqüência Espacial (Ciclos/grau)
100
Guido Stolfi
56/89
Resolução Temporal e Cintilação
Guido Stolfi
57/89
Percepção de Cintilação
80
20o (perif.)
70
Freqüência Crítica (Hz)
20o (central)
60
1o (central)
1o (perif.)
50
40
30
20
10
0
0,01
0,1
1
10
100
1000
Luminância (nits)
Guido Stolfi
58/89
Mecanismo de Formação da Imagem
1
2
1
3
2
3
4
5
6
6
5
4
7
7
8
8
9
10
9
10
Guido Stolfi
59/89
Sensibilidade à Cintilação de Detalhes
Guido Stolfi
60/89
Diâmetro da Pupila x Luminosidade Ambiente
8
7
6
Diâmetro 5
da Pupila 4
(mm) 3
2
1
0
0
0.01 0.1
1
10
100
1k
10k 100k
Luminância (nits)
Guido Stolfi
61/89
Luminância x Cintilação
Luminância da
Tela (Nits)
Área da
Pupila (mm2)
100
10.75 
19.63
9.08 
15.21
8.04  11.34
300
Iluminamento
Retinal
(Trolands)
Freqüência
Crítica p/ 10o
(Hz)
Freqüência
Crítica p/ 70o
(Hz)
215  392
48.4  54.4
60.6  66.9
544  912
57.6  62.8
70.2  75.5
1608  2268
68.9  71.9
81.8  84.9
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
10
30
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
Guido Stolfi
62/89
Questão Polêmica
• Cintilação de 60 Hz é responsável pelo sucesso
da Televisão?
Guido Stolfi
63/89
Percepção de Movimento
Guido Stolfi
64/89
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
Guido Stolfi
65/89
Movimento Retinal e Rastreamento Ocular
Guido Stolfi
66/89
Mecanismos de Compensação do Movimento
Ocular
Movimento ocular
Comando
motor
Comando
motor
Sensores
+
Informação
bruta
+
Informação
compensada
Guido Stolfi
67/89
Percepção de Distância
Guido Stolfi
68/89
Mecanismos de Percepção de Distância
•
•
•
•
•
Foco Ocular
Visão Binocular (Disparidade)
Paralaxe de Movimento
Fator de Escala
Texturas e Saturação
Guido Stolfi
69/89
Foco Ocular
• Informação intensa para curtas distâncias (< 1m)
Guido Stolfi
70/89
Visão Binocular
• Informação fortíssima para curtas distâncias (dentro do
alcance físico); decresce até distâncias médias (< 100 m)
Guido Stolfi
71/89
Paralaxe de Movimento
• Depende da amplitude do movimento; em condições de
visualização normal é intensa para distâncias curtas
(< 10 m)
Guido Stolfi
72/89
Fator de Escala
• Forte para qualquer distância (centímetros a
quilômetros); depende de aprendizado
1m
500m
Guido Stolfi
73/89
Texturas / Saturação
• Estimativa razoável para distâncias longas (até vários km)
Muito
longe
Longe
Perto
Guido Stolfi
74/89
Diferenças na Percepção de Distâncias
0,5 m
2,5 m
Guido Stolfi
75/89
Compensação da Distorção de Perspectiva
A
B
C
Guido Stolfi
76/89
Distorção de Perspectiva
A
B, C
Guido Stolfi
77/89
Questão Polêmica
• A Televisão do Futuro será em 3 dimensões?
Guido Stolfi
78/89
Ilusões Ópticas
Guido Stolfi
79/89
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
Guido Stolfi
80/89
Irregularidades do Campo Visual
Guido Stolfi
81/89
Ilusão de Muller-Lyers
Guido Stolfi
82/89
Ilusão de Muller-Lyers
Guido Stolfi
83/89
Mesas de Shepard
Guido Stolfi
84/89
Justificativa da Ilusão de Muller-Lyers
Guido Stolfi
85/89
Cultura “Circular”
Guido Stolfi
86/89
Guido Stolfi
87/89
Guido Stolfi
88/89
Verde
Vermelho
Preto
Branco
Marrom
Azul
Amarelo
Roxo
Guido Stolfi
89/89