Guido Stolfi 1 / 108 Percepção Visual PTC2547 Princípios de Televisão Digital Guido Stolfi 8/2017
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
Estrutura do Olho Humano Guido Stolfi 3 / 108
Estrutura da Retina Guido Stolfi 4 / 108
Características da Retina Guido Stolfi 5 / 108 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
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
Guido Stolfi 7 / 108 Elementos de Neurologia
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
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 +
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
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 +
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
Impulsos Nervosos em Células Sensoriais Guido Stolfi 13 / 108 E = 1000 E = 10 T E = 0
Percepção de Diferenças de Intensidade Guido Stolfi 14 / 108 P E = 1000 102 100 E = 0 log T
Tipos de Fibras no Nervo Óptico Guido Stolfi 15 / 108 Estímulo Luminoso Células ON Células OFF Células ON-OFF
Guido Stolfi 16 / 108 Fisiologia do Olho Humano
Retina Ocular Guido Stolfi 17 / 108
Estrutura da Retina Guido Stolfi 18 / 108
Distribuição das Células na Retina Células por mm2 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 x 1000 Ponto Cego Cones Bastonetes -80-60 -40-20 0 20 40 60 80 Ângulo em relação à Fóvea Guido Stolfi 19 / 108
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)
Exemplo de Processamento Neuronal Estímulo t Gânglio Bipolar Sinapse Ativa Neurônio 1 Sinapse Inibidora Axônio Guido Stolfi 21 / 108
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
Sensibilidade Espectral da Visão Guido Stolfi 23 / 108 b R P ( ) F ( ) d g r R G P( ) FG ( ) d B P( ) FB ( ) d
Distribuição de Cones e Bastonetes Guido Stolfi 24 / 108
Distribuição de Cones e Bastonetes Guido Stolfi 25 / 108
Faixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade Guido Stolfi 26 / 108
Adaptação à Luminosidade Guido Stolfi 27 / 108
Sensibilidade da Visão para Diferenças de Cromaticidade Guido Stolfi 28 / 108
Guido Stolfi 29 / 108 Mecanismo de Construção da Visão
Musculatura do Globo Ocular Guido Stolfi 30 / 108
Movimentos Sacádicos Guido Stolfi 31 / 108
Movimentos Sacádicos Guido Stolfi 32 / 108
Movimentos Sacádicos Guido Stolfi 33 / 108
Mecanismo de Formação da Imagem t 50 ms Guido Stolfi 34 / 108 1 2 1 3 2 3 4 5 4 5 6 7 6 7 8 9 10 8 9 10
Guido Stolfi 35 / 108 Percepção de Intensidade
Lei de Weber para Percepção Sensorial Guido Stolfi 36 / 108 Y Y+ Y Y Y 002. ( Lei de Weber ) Diferença Apenas Perceptível de Brilho
Fração de Weber Fração de Weber Guido Stolfi 37 / 108 1 0,1-20 -10 0 10 20 Ln da Luminância (cd/m2) 0,01
Limiar de Percepção Sensorial Guido Stolfi 38 / 108 P 102 100 log T
Faixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade (Geral e Local) Guido Stolfi 39 / 108
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 0. 008856 n 9033. ( Y / Y ) n 1 n caso contrario 100 80 60 40 20 0 0 0.5 1 Luminância relativa (Y/Yn)
Correção Gama Guido Stolfi 41 / 108 Câmera Corretor Gama Canal de Transmissão T.R.C Brilho Aparente Y 0. 45 O V Y Y V 22 Y Y. O ( = 2,2 )
Efeito da Não-linearidade do TRC Saída Relativa 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 42 / 108
Ruído Aditivo e Correção Gama Guido Stolfi 43 / 108 = 0 Original = 2,2
Exemplo: Sistema sem Correção Gama Escala uniforme de intensidades aparentes ( Lightness ) Guido Stolfi 44 / 108
Exemplo: Sistema sem Correção Gama Luminância correspondente à escala uniforme Guido Stolfi 45 / 108
Exemplo: Sistema sem Correção Gama Sinal proporcional à Luminância sujeito a ruído aditivo Guido Stolfi 46 / 108
Exemplo: Sistema sem Correção Gama Percepção visual do sinal sujeito a ruído aditivo Guido Stolfi 47 / 108
Exemplo: Sistema com Correção Gama Escala uniforme de intensidades aparentes ( Lightness ) Guido Stolfi 48 / 108
Exemplo: Sistema com Correção Gama Sinal proporcional à Luminosidade aparente, com ruído aditivo Guido Stolfi 49 / 108
Exemplo: Sistema com Correção Gama Luminância reconstruída a partir do sinal com ruído Guido Stolfi 50 / 108
Exemplo: Sistema com Correção Gama Percepção visual final do sinal sujeito a ruído aditivo Guido Stolfi 51 / 108
Guido Stolfi 52 / 108 Resolução Espacial
Resolução Espacial da Visão Guido Stolfi 53 / 108 Contraste 1000 Luminância 100 Vermelho-Verde Azul-Amarelo 10 1 0,01 0,1 1 10 100 Freqüência Espacial (Ciclos/grau)
Bandas de Mach Guido Stolfi 54 / 108
Carta de Campbell Guido Stolfi 55 / 108
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 )
Frequências Relevantes na Visão 1000 Contraste Caracteres 100 10 Linhas de Texto Elementos gráficos 1 0,1 1 10 100 Frequência Espacial (Ciclos/grau) Guido Stolfi 57 / 108
Guido Stolfi 58 / 108 Resolução Temporal e Cintilação
Percepção de Cintilação Frequência Crítica (Hz) Guido Stolfi 59 / 108 80 70 60 50 20o (perif.) 20o (central) 1o (central) 1o (perif.) 40 30 20 10 0 0,01 0,1 1 10 100 Luminância (nits)
Mecanismo de Formação da Imagem Guido Stolfi 60 / 108 1 2 3 4 2 1 3 5 6 7 4 5 6 7 8 9 8 9 10 10
Sensibilidade à Cintilação de Detalhes Guido Stolfi 61 / 108
Diâmetro da Pupila x Luminosidade Ambiente Guido Stolfi 62 / 108 Diâmetro da Pupila (mm) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0.01 0.1 1 10 100 1k 10k 100k Luminância (nits)
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) 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 10000 3.14 62800 105.1 119.2 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
Questão Polêmica Guido Stolfi 64 / 108 Cintilação de 60 Hz é responsável pelo sucesso da Televisão?
Guido Stolfi 65 / 108 Percepção de Movimento
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
Movimento Retinal e Rastreamento Ocular Guido Stolfi 67 / 108
Mecanismos de Compensação do Movimento Ocular Guido Stolfi 68 / 108 Movimento ocular Comando motor - + Informação bruta Comando motor Sensores - + Informação compensada
Guido Stolfi 69 / 108 Percepção de Distância
Mecanismos de Percepção de Distância Foco Ocular (Acomodação) Visão Binocular (Disparidade) Paralaxe de Movimento Fator de Escala Texturas Saturação Guido Stolfi 70 / 108
Foco Ocular (Acomodação) Guido Stolfi 71 / 108 Informação intensa para curtas distâncias (< 1m)
Visão Binocular (Disparidade) Guido Stolfi 72 / 108 Informação fortíssima para curtas distâncias (dentro do alcance físico); decresce até distâncias médias (< 100 m)
Paralaxe de Movimento Guido Stolfi 73 / 108 Depende da amplitude do movimento; em condições de visualização normal é intensa para distâncias curtas (< 10 m)
Fator de Escala Guido Stolfi 74 / 108 Forte para qualquer distância (centímetros a quilômetros); depende de aprendizado 1m 500m
Texturas / Saturação Guido Stolfi 75 / 108 Estimativa razoável para distâncias longas (até vários km) Muito longe Longe Perto
Diferenças na Percepção de Distâncias Guido Stolfi 76 / 108 0,5 m 2,5 m
Compensação da Distorção de Perspectiva Guido Stolfi 77 / 108 A B C
Distorção de Perspectiva Guido Stolfi 78 / 108 A B, C
Questão Polêmica Guido Stolfi 79 / 108 A Televisão do Futuro será em 3 dimensões?
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
Televisão 3D Guido Stolfi 81 / 108 D E d i p t x x t di p d x t i x di p
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
Televisão 3D Guido Stolfi 83 / 108 10 0-10 -20-30 -40 100 10 1-50 0,1 1 10 100 0,1 0,1 1 10 100 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)
Televisão 3D Guido Stolfi 84 / 108 100 100 10 t = 3m 10 50" 1 t = 1,5m t = 6m 1 30" 80" 0,1 0,1 1 10 100 0,1 0,1 1 10 100 Efeito da variação da distância t do observador Efeito da variação do tamanho da tela (em referência a 50 )
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
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
Televisão 3D Guido Stolfi 87 / 108
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
Televisão 3D Guido Stolfi 89 / 108 Televisão e Cinema sempre foram 3D: Texturas e Saturação Fator de Escala Paralaxe de Movimento (!! )
Televisão 3D Guido Stolfi 90 / 108 Técnica primitiva para Cenários
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 - 1989)
PC x TV Digital: Elementos Comuns Guido Stolfi 92 / 108 Display (Cinescópio, LCD etc.) Processamento Digital Som Controle ( data entry )
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
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
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
Guido Stolfi 96 / 108 Ilusões Ópticas
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
Irregularidades do Campo Visual Guido Stolfi 98 / 108
Guido Stolfi 99 / 108
Ilusão de Muller-Lyers Guido Stolfi 100 / 108
Ilusão de Muller-Lyers Guido Stolfi 101 / 108
Mesas de Shepard Guido Stolfi 102 / 108
Justificativa da Ilusão de Muller-Lyers Guido Stolfi 103 / 108
Cultura Circular Guido Stolfi 104 / 108
Guido Stolfi 105 / 108
Guido Stolfi 106 / 108
Guido Stolfi 107 / 108 Verde Marrom Vermelho Preto Branco Azul Amarelo Roxo
Guido Stolfi 108 / 108
Guido Stolfi 109 / 108