LCS E P U S P. Percepção Visual. PTC2547 Princípios de Televisão Digital. Guido Stolfi 8/2017. Guido Stolfi 1 / 108

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1 Guido Stolfi 1 / 108 Percepção Visual PTC2547 Princípios de Televisão Digital Guido Stolfi 8/2017

2 Tópicos Abordados Guido Stolfi 2 / 108 Elementos de Neurologia: impulsos nervosos Fisiologia do Olho Humano Características da Visão Mecanismo da formação da imagem Percepção de Intensidade e Fator Gama Resolução Espacial Resolução Temporal e Cintilação Percepção de Movimento Percepção de Distância Ilusões Ópticas

3 Estrutura do Olho Humano Guido Stolfi 3 / 108

4 Estrutura da Retina Guido Stolfi 4 / 108

5 Características da Retina Guido Stolfi 5 / de Cones células sensíveis à intensidade e à cor (visão Fotópica) de Bastonetes sensíveis apenas à intensidade (Visão Escotópica) de fibras nervosas no Nervo Óptico Fisiologicamente, é uma extensão do córtex cerebral

6 Características da Fóvea Área central da retina (~2 mm 2 ), 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 Frequência Crítica de Cintilação: 40 a 85 Hz Guido Stolfi 6 / 108

7 Guido Stolfi 7 / 108 Elementos de Neurologia

8 Elementos de Neurologia Guido Stolfi 8 / 108 Fibras nervosas transmitem impulsos químicos Potencial elétrico é consequência 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

9 Propagação do Impulso Nervoso Guido Stolfi 9 / 108 Na + Na + K + K + Na + Na + Na + K + K + Fibra em repouso: K + K + Potencial de 75 mv Na + Na + Na + K + Na + Na + Na + Na + K + Na + K + K + Início do impulso (Paredes da fibra K + K + permitem ingresso de Sódio): Potencial de Ação de + 55 mv Na + Na + Na +

10 Propagação do Impulso Nervoso Guido Stolfi 10 / 108 K + Na + Na + Na + Na + K + Na + Na K + + K + K + K + K + Na + Na + Na + Na Na + + Na + K + K + K + Na + Na + Na + K + Na + K + Propagação (paredes da fibra tornam-se permeáveis ao potássio): Potencial retorna a 70 mv Fim do impulso (paredes tornam-se impermeáveis): Potencial de polarização 70 mv

11 Propagação do Impulso Nervoso Guido Stolfi 11 / 108 Na + K + K + K+ Na + Na + Na + Na + Na Na + + Na + K + K + K + Bomba Sódio-Potássio entra em ação (período refratário): Potencial de 70 mv K + Na + Na + Na + Na + K + K + K + K + Fibra em repouso: K + Potencial de 75 mv Na + Na + Na + Na +

12 Modelo de um Elemento de Fibra Nervosa Guido Stolfi 12 / 108 g(k) = 20 g(na) 0 = 4 g(cl) g(na) P = 500 g(na) 0

13 Impulsos Nervosos em Células Sensoriais Guido Stolfi 13 / 108 E = 1000 E = 10 T E = 0

14 Percepção de Diferenças de Intensidade Guido Stolfi 14 / 108 P E = E = 0 log T

15 Tipos de Fibras no Nervo Óptico Guido Stolfi 15 / 108 Estímulo Luminoso Células ON Células OFF Células ON-OFF

16 Guido Stolfi 16 / 108 Fisiologia do Olho Humano

17 Retina Ocular Guido Stolfi 17 / 108

18 Estrutura da Retina Guido Stolfi 18 / 108

19 Distribuição das Células na Retina Células por mm x 1000 Ponto Cego Cones Bastonetes Ângulo em relação à Fóvea Guido Stolfi 19 / 108

20 Pré-processamento da Retina Guido Stolfi 20 / 108 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)

21 Exemplo de Processamento Neuronal Estímulo t Gânglio Bipolar Sinapse Ativa Neurônio 1 Sinapse Inibidora Axônio Guido Stolfi 21 / 108

22 Modelo de Oponentes para Percepção Visual Guido Stolfi 22 / 108 Cones Azuis Cones Verdes Cones Vermelhos B G R Log Log Log Oponente Azul-Amarelo Brilho Oponente Vermelho-Verde

23 Sensibilidade Espectral da Visão Guido Stolfi 23 / 108 b R P ( ) F ( ) d g r R G P( ) FG ( ) d B P( ) FB ( ) d

24 Distribuição de Cones e Bastonetes Guido Stolfi 24 / 108

25 Distribuição de Cones e Bastonetes Guido Stolfi 25 / 108

26 Faixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade Guido Stolfi 26 / 108

27 Adaptação à Luminosidade Guido Stolfi 27 / 108

28 Sensibilidade da Visão para Diferenças de Cromaticidade Guido Stolfi 28 / 108

29 Guido Stolfi 29 / 108 Mecanismo de Construção da Visão

30 Musculatura do Globo Ocular Guido Stolfi 30 / 108

31 Movimentos Sacádicos Guido Stolfi 31 / 108

34 Mecanismo de Formação da Imagem t 50 ms Guido Stolfi 34 /

35 Guido Stolfi 35 / 108 Percepção de Intensidade

36 Lei de Weber para Percepção Sensorial Guido Stolfi 36 / 108 Y Y+ Y Y Y 002. ( Lei de Weber ) Diferença Apenas Perceptível de Brilho

37 Fração de Weber Fração de Weber Guido Stolfi 37 / , Ln da Luminância (cd/m2) 0,01

38 Limiar de Percepção Sensorial Guido Stolfi 38 / 108 P log T

39 Faixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade (Geral e Local) Guido Stolfi 39 / 108

40 Sensação de Brilho em Torno de um Ponto de Acomodação Brilho Aparente Guido Stolfi 40 / 108 Brilho Aparente L* = Lightness 116( Y / Y ) 3 16 se Y / Y n ( Y / Y ) n 1 n caso contrario Luminância relativa (Y/Yn)

41 Correção Gama Guido Stolfi 41 / 108 Câmera Corretor Gama Canal de Transmissão T.R.C Brilho Aparente Y O V Y Y V 22 Y Y. O ( = 2,2 )

42 Efeito da Não-linearidade do TRC Saída Relativa Brilho Aparente Luminância do TRC Tensão na Grade do TRC Guido Stolfi 42 / 108

43 Ruído Aditivo e Correção Gama Guido Stolfi 43 / 108 = 0 Original = 2,2

44 Exemplo: Sistema sem Correção Gama Escala uniforme de intensidades aparentes ( Lightness ) Guido Stolfi 44 / 108

45 Exemplo: Sistema sem Correção Gama Luminância correspondente à escala uniforme Guido Stolfi 45 / 108

46 Exemplo: Sistema sem Correção Gama Sinal proporcional à Luminância sujeito a ruído aditivo Guido Stolfi 46 / 108

47 Exemplo: Sistema sem Correção Gama Percepção visual do sinal sujeito a ruído aditivo Guido Stolfi 47 / 108

48 Exemplo: Sistema com Correção Gama Escala uniforme de intensidades aparentes ( Lightness ) Guido Stolfi 48 / 108

49 Exemplo: Sistema com Correção Gama Sinal proporcional à Luminosidade aparente, com ruído aditivo Guido Stolfi 49 / 108

50 Exemplo: Sistema com Correção Gama Luminância reconstruída a partir do sinal com ruído Guido Stolfi 50 / 108

51 Exemplo: Sistema com Correção Gama Percepção visual final do sinal sujeito a ruído aditivo Guido Stolfi 51 / 108

52 Guido Stolfi 52 / 108 Resolução Espacial

53 Resolução Espacial da Visão Guido Stolfi 53 / 108 Contraste 1000 Luminância 100 Vermelho-Verde Azul-Amarelo ,01 0, Freqüência Espacial (Ciclos/grau)

54 Bandas de Mach Guido Stolfi 54 / 108

55 Carta de Campbell Guido Stolfi 55 / 108

56 Frequências Relevantes na Visão Guido Stolfi 56 / 108 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 )

57 Frequências Relevantes na Visão 1000 Contraste Caracteres Linhas de Texto Elementos gráficos 1 0, Frequência Espacial (Ciclos/grau) Guido Stolfi 57 / 108

58 Guido Stolfi 58 / 108 Resolução Temporal e Cintilação

59 Percepção de Cintilação Frequência Crítica (Hz) Guido Stolfi 59 / o (perif.) 20o (central) 1o (central) 1o (perif.) ,01 0, Luminância (nits)

60 Mecanismo de Formação da Imagem Guido Stolfi 60 /

61 Sensibilidade à Cintilação de Detalhes Guido Stolfi 61 / 108

62 Diâmetro da Pupila x Luminosidade Ambiente Guido Stolfi 62 / 108 Diâmetro da Pupila (mm) k 10k 100k Luminância (nits)

63 Luminância x Cintilação Guido Stolfi 63 / 108 Luminância da Tela (Nits) Área da Pupila (mm 2 ) Iluminamento Retinal (Trolands) Frequência Crítica p/ 10 o (Hz) Frequência Crítica p/ 70 o (Hz) Relação entre Luminância da Tela de Monitores de Vídeo e Frequências Críticas de Cintilação, para 95% da População (ISO/TC159/1987) - Campos de Visão de 10 e 70 graus

64 Questão Polêmica Guido Stolfi 64 / 108 Cintilação de 60 Hz é responsável pelo sucesso da Televisão?

65 Guido Stolfi 65 / 108 Percepção de Movimento

66 Percepção de Movimento Guido Stolfi 66 / 108 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

67 Movimento Retinal e Rastreamento Ocular Guido Stolfi 67 / 108

68 Mecanismos de Compensação do Movimento Ocular Guido Stolfi 68 / 108 Movimento ocular Comando motor - + Informação bruta Comando motor Sensores - + Informação compensada

69 Guido Stolfi 69 / 108 Percepção de Distância

70 Mecanismos de Percepção de Distância Foco Ocular (Acomodação) Visão Binocular (Disparidade) Paralaxe de Movimento Fator de Escala Texturas Saturação Guido Stolfi 70 / 108

71 Foco Ocular (Acomodação) Guido Stolfi 71 / 108 Informação intensa para curtas distâncias (< 1m)

72 Visão Binocular (Disparidade) Guido Stolfi 72 / 108 Informação fortíssima para curtas distâncias (dentro do alcance físico); decresce até distâncias médias (< 100 m)

73 Paralaxe de Movimento Guido Stolfi 73 / 108 Depende da amplitude do movimento; em condições de visualização normal é intensa para distâncias curtas (< 10 m)

74 Fator de Escala Guido Stolfi 74 / 108 Forte para qualquer distância (centímetros a quilômetros); depende de aprendizado 1m 500m

75 Texturas / Saturação Guido Stolfi 75 / 108 Estimativa razoável para distâncias longas (até vários km) Muito longe Longe Perto

76 Diferenças na Percepção de Distâncias Guido Stolfi 76 / 108 0,5 m 2,5 m

77 Compensação da Distorção de Perspectiva Guido Stolfi 77 / 108 A B C

78 Distorção de Perspectiva Guido Stolfi 78 / 108 A B, C

79 Questão Polêmica Guido Stolfi 79 / 108 A Televisão do Futuro será em 3 dimensões?

80 Televisão 3D Hipótese: a disparidade (visão binocular) é o processo fundamental de determinação de distância. Método: cada olho recebe uma imagem diferente Tecnologias mais comuns: Óculos e tela com polarização Óculos com obturador sequencial sincronizado Auto-esteroscopia Guido Stolfi 80 / 108

81 Televisão 3D Guido Stolfi 81 / 108 D E d i p t x x t di p d x t i x di p

82 Televisão 3D p d i x x t p = paralaxe na tela da TV d i = distância interocular (~ 62 mm) x = distância do objeto ao observador t = distância da tela ao observador p = 0 objeto está na distância t (sobre a tela) p = d i objeto está no infinito p < 0 objeto entre a tela e o observador ( x < t ) Guido Stolfi 82 / 108

83 Televisão 3D Guido Stolfi 83 / , ,1 0, Paralaxe p na tela (cm) em função da distância x do objeto (t = 3 m) Distância percebida x (m) em função da distância x do objeto (t = 3 m)

84 Televisão 3D Guido Stolfi 84 / t = 3m 10 50" 1 t = 1,5m t = 6m 1 30" 80" 0,1 0, ,1 0, Efeito da variação da distância t do observador Efeito da variação do tamanho da tela (em referência a 50 )

85 Televisão 3D Guido Stolfi 85 / 108 Hipótese revisada: Paralaxe de Movimento é o mecanismo que calibra a percepção de distância Métodos que não iludem a Paralaxe de Movimento provocam conflitos perceptuais no cérebro 3D no Cinema é aceitável devido à distância entre a tela e o espectador

86 Televisão 3D Método que ilude a Paralaxe de Movimento: Multiprojeção em Tela com lentes cilíndricas horizontais (National Institute of Information and Communication Technology Kyoto, Jp.) Guido Stolfi 86 / 108

87 Televisão 3D Guido Stolfi 87 / 108

88 Televisão 3D Guido Stolfi 88 / 108 Realidade Virtual: - Pode iludir paralaxe de movimento (imagens artificiais) - Não ilude acomodação ocular - Não precisa iludir visão binocular - Pode gerar incompatibilidade com percepção física

89 Televisão 3D Guido Stolfi 89 / 108 Televisão e Cinema sempre foram 3D: Texturas e Saturação Fator de Escala Paralaxe de Movimento (!! )

90 Televisão 3D Guido Stolfi 90 / 108 Técnica primitiva para Cenários

91 E a Convergência? Guido Stolfi 91 / 108 Dentro de 3 anos não teremos mais aparelhos de TV, apenas computadores com telas de alta qualidade e programação digital, recebendo ABC, NBC, HBO, BBC e qualquer coisa que pudermos imaginar. (Andrew Lippman Diretor, MIT Media Lab )

92 PC x TV Digital: Elementos Comuns Guido Stolfi 92 / 108 Display (Cinescópio, LCD etc.) Processamento Digital Som Controle ( data entry )

93 PC x TV Digital: Elementos Divergentes Televisão: Janela para o mundo PC: Mesa de Trabalho Imagens reais Entretenimento Ilusão de realidade Receptividade Coletividade Escuro Imagens artificiais Leitura / escrita Criação / desenho Interação Interpretação Individualidade Claro Guido Stolfi 93 / 108

94 Interatividade Manipulação de Documentos e ideias Interatividade, análise e criação de informação textual e visual Distâncias e luminâncias uniformes Metáfora: Mesa de Trabalho Guido Stolfi 94 / 108

95 Entretenimento Audiovisual Percepção de realidade virtual obtida através da ilusão dos sentidos (visão e audição), por imagens em movimento Iluminação reduzida, ausência de referencias espaciais Metáfora: Janela para o Mundo Guido Stolfi 95 / 108

96 Guido Stolfi 96 / 108 Ilusões Ópticas

97 Ilusões Ópticas (Visuais) Guido Stolfi 97 / 108 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

98 Irregularidades do Campo Visual Guido Stolfi 98 / 108