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11
LUZ, COLOR, VISION Y PERCEPCIÓN
VISUAL
Constantino Pérez Vega
Dpto. de Ingeniería de Comunicaciones
2011
22
Espectro visible
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33
Luz blanca incidente
Los fotones de longitudes de onda diferentes a la del azul son absorbidas por el objeto
Luz azul reflejada
44
Efectos de la iluminación
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55
Distribución espectral de la luz solar en las longitudes de onda del espectro visible
66
Iluminantes estándard (CIE)
Espectro visible
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77
Respuesta espectral de diferentes tipos de lámparas.(Adaptada de Benson, K.B. Television Engineering Handbook,
McGraw-Hill Book Co. 1985)
88
i r
Ondaincidente
Ondareflejada
Medio 1
Medio 2 (reflector)
Normal
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99
1010
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La función del sistema óptico es capturar la luz emitida o reflejada por los objetos tridimensionales con la mayor fidelidad posible y conducirla a un detector o sensoren que la imagen, es almacenada, transmitida o reproducida en dos dimensiones.
SISTEMA OPTICO
SISTEMA ELECTRONICO
Almacenamiento
Transmisión
Visualización
Escena tridimensional
Sistema óptico
Un sistema óptico consiste de una sucesión de elementos que pueden incluir lentes, espejos, fuentes luminosas, prismas, dispersores, filtros, fibras ópticas y detectores, entre otros.
http://www.microscopyu.com/articles/optics/components.html
Sistema óptico: Función de Transferencia de Modulación (MTF)
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1313
Lentes
1414
Lentes: Biconvexa
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1515
Lentes: Bicóncava
16
1 2 1 2
11 1 1( 1)
n dn
f R R nR R
Donde:
f es la distancia focal,n es el índice de refracción del material de la lente,R1 es el radio de curvatura de la lente más cercano a la fuente luminosa, R2 es el radio de curvatura de la superficie de la lente más lejano a la fuente luminosa, yd es el espesor de la lente como se indica en la figura 7.
Potencia óptica (no confundir con potencia óptica de una señal)
También:
Potencia óptica, refractiva, de enfoque o de convergencia.
Es el recíproco de la distancia focal, f, y se mide en dioptrías (m-1)
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1717
Principales tipos de lentes
1818
Aberración esférica
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19
Aberración cromática
2020
Lente compuesta acromática
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2121
Lentes compuestas
2222
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2323
Sistema óptico de una cámara reflex
2424
Cámara Reflex
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25
Lentes zoomar para cámaras fotográficas
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28
Lentes zoomar TV – c.1950
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29
Lentes zoomar TV – c.1955
30
Lentes Zoomar
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31
COLOR
3232
Perceptual (subjetivo) Psicofísico (objetivo)
Matiz o tonalidad Longitud de onda dominante
Saturación o pureza Pureza de la excitación luminosa
Brillo Luminancia
Luminosidad Reflectancia o transmitancia luminosa
Características del color
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3333
Circulo de Matiz de Munsell Cilindro de Munsell
Amarillo
Neutro
Verde
Nar
anjaRo
jo
Rojo-PúrpuraPúrpura
Púrpura-Azul
Azul
Azu
l V
erd
os
o
Verde-Amarillo
1
Cilindro de MunsellCilindro de Munsell
2
34
56
78
9
10
G
B P
R
1 23 45678910
Val
or
Croma
Matiz
3434
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3535Mezclas aditiva y substractiva de colores
Fondo negro (monitor) Fondo blanco (papel)
3636
Azul
Rojo
VerdeNegro
Blanco
Cyan
Amarillo
Magenta
Espacio de color RGB y CYMK
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3737
BR
G
3838
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3939
EL OJO Y EL SISTEMA VISUAL HUMANO
40
Todos los mamíferos y la mayor parte de los animales perciben el mundo exterior mediante los ojos y los oídos
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41
Percepción visual humana Percepción auditiva humana
¿Como funciona el sistema visual humano?
¿Como funciona el sistema auditivo humano?
¿Qué ve el ojo? ¿Qué oye el oído?
Aspectos físicos
Aspectos fisiológicos
Aspectos psicofisiológicos
42
El ojo humano, en una primera aproximación, puede considerarse similar a una cámara obscura.
Cámara obscura
Ojo humano
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43
Cámara obscura
44
La luz reflejada por los objetos externos se enfoca sobre la retina por la acción refractiva de la córnea y del cristalino.
La córnea es responsable de aproximadamente el 60% del poder refractivo. La lente del cristalino, lo es del 40% restante.
El poder refractivo de una lente se expresa en dioptrías que son el recíproco de la distancia o longitud focal de la lente (m-1).
Distancia focal: Distancia del eje de la lente al punto de enfoque.
Los medios refractivos del ojo
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4545
Córnea
Índice de refracción nD=1.376
Diámetro de la lente d=0.5 mm
Radios de curvatura r1=7.7 mm r2=6.8 mm
Poder refractivo 45 dioptrías
Humor Acuoso
Índice de refracción nD=1.336
Diámetro de la lente d=3.1 mm
Cristalino
Índice de refracción Variable; nD=1.41 en el núcleo a nD=1.37 en la periferia
Diámetro de la lente en reposo d=3.6 mm
Radios de curvatura en reposo r1=10 mm r2=‐6 mm
Poder refractivo 18 dioptrías
Humor Vítreo
Índice de refracción nD=1.337
Medios refractivos del ojo
46
Miopía
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47
Esclerótica o esclera: Membrana exterior que recubre al ojo y actúa como protección
Coroides: Membrana intermedia entre la esclera y la retina, con numerosos vasos sanguíneos que proporcionan los nutrientes a los órganos del ojo.
Retina: Es la membrana más interior del ojo en la que se encuentran las células fotorreceptoras responsables de convertir la energía luminosa en señales eléctricas para su transporte y procesado en el cerebro.
Córnea
Pupila
Cristalino (lente)
Coroides
Nervio óptico
Retina
Esclera
4848
Esquema del ojo humano
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4949
Estructura del ojo
Punto ciego
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5151
Iris
Pupila
Lente
5252
Iris y Pupila
Pupila dilatada
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53Ref. Pender, H. & McIlwain, K. Electrical Engineers Handbook –Electric Communication and Electronics. 4th Edition. Wiley, 1957
Diámetro de la pupila en función de la luminosidad
Estructura de los medios refractivos del ojo
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5555
5656
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5757
58
Aco
mod
ació
n m
áxim
a en
dio
ptrí
as
Distancia al objeto m
ás cercano en cm
Edad en años
Acomodación
Ref. Pender, H. & McIlwain, K. Electrical Engineers Handbook –Electric Communication and Electronics. 4th Edition. Wiley, 1957
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5959
Cataratas
6060
Degeneración macular
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La Retina
Contiene dos clases de células fotorreceptoras:
Bastones:
• Todos del mismo tipo
• Distribuidos en toda la retina
• Son muy sensibles a la intensidad luminosa
• No son sensibles a la longitud de onda (color)
• Responsables de la visión nocturna o escotópica
Conos:
• Tres tipos, sensibles a diferentes longitudes de onda (SML)
• Menos sensibles que los bastones
• Concentrados en el fondo del ojo.
• Responsables de la visión cromática, fotópica o diurna.
6262
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6363
6464
Capa plexiformeexterna
Capa plexiformeinterna
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6565
Distribución de conos y bastones en la retina
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68
CELULAGANGIONAR
Nº 1
CELULAGANGLIONARNº 1,000,000
110 a 130 MILLONES
DE BASTONES
6 A 7MILLONESDE CONOS
CENTENARES DE CONEXIONES
DECENAS DE CONEXIONES
FIBRA NERVIOSA Nº 1
FIBRA NERVIOSA Nº 1,000,000
CEREBRO
NERVIO OPTICO
Esquema simplificado del mecanismo ojo-cerebro, en la región fuera de la fóvea
Adaptado de Digital TV Fundamentals, 2nd. EditionMichael Robin & Michel Poulin.McGraw-Hill, 2000.
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6969
7070
Sinapsis química Sinapsis eléctrica
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7171
Se abren loscanales de Na+ entra Na+
Se abren loscanales de K+ K+ comienza a entrar
Se cierran loscanales de Na+
K+ continua saliendoy el potencial vuelve a su estado de reposo
Canales de K+ y Na+ cerrados
K+ en excesose difunde en el exterior
Despolarización
Repolarización
Vol
taje
tran
smem
bran
a (m
V)
Fig. Potencial de acción
Células fotorreceptoras
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7373
7474
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7575
7676
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¿Qué vemos?
Aspectos perceptuales de la visión
Luminancia. Cantidad de energía luminosa (luz) emitida o reflejada por una superficie en el rango de longitudes de onda del espectro visual. También se designa como brillo fotométrico.
Brillo. Es la expresión subjetiva de la luminancia referida al ojo humano.
Contraste. Es la relación entre las luminancias de un objeto y su entorno.
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Los términos psicofísicos se relacionan de forma aproximada con los términos perceptuales en la forma siguiente:
Reflectancia o transmitancia luminosa
Luminosidad
LuminanciaBrillo
Pureza de la excitación luminosa
Saturación o pureza
Longitud de onda dominante
Matiz o tonalidad
Psicofísico (objetivo)Perceptual(subjetivo)
Look into Simultaneous Contrast Phenomenon
• Human perception more sensitive to luminance contrast than absolute luminance
• Weber’s Law: | Ls – L0 | / L0 = const
– Luminance of an object (L0) is set to be just noticeable from luminance of surround (Ls)
– For just-noticeable luminance difference L:
L / L d( log L ) 0.02 (const)
• equal increments in log luminance are perceived as equally different
• Empirical luminance-to-contrast models
– Assume L [1, 100], and c [0, 100]
– c = 50 log10 L (logarithmic law, widely used)
– c = 21.9 L1/3 (cubic root law)
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Mach Bands
• Visual system tends to undershoot or overshoot around the boundary of regions of different intensities
Demonstrates the perceived brightness is not a simple function of light intensity
Figure is from slides at Gonzalez/ Woods DIP book website (Chapter 2)
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González, R. C. and Woods, R.E. Digital Image Processing, 3rd Ed. Pearson Education Inc. 2008
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González, R. C. and Woods, R.E. Digital Image Processing, 3rd Ed. Pearson Education Inc. 2008
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González, R. C. and Woods, R.E. Digital Image Processing, 3rd Ed. Pearson Education Inc. 2008
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Efectos de la iluminación
8888
Contraste
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