Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Optyka widzenia

Transkrypt

1 Metody Optyczne w Technice Wykład 5 Optyka widzenia

2 Anatomia ludzkiego oka Rogówka R = 8mm Twardówka R = 12mm Odległość środków krzywizny 5 mm

3 Anatomia ludzkiego oka Naczyniówka Ciało rzęskowe Tęczówka Siatkówka Komora przednia Komora tylnia Komora szklista (ciało szkliste)

4 Ruchy oka

5 Co widzimy? Świat takim jakim jest? Nasze wyobrażenie świata? Światło docierające do naszych oczu? Reprezentację, odbicie rzeczywistości?

6 Co otrzymują oczy - bodziec? Natężenie światła w poszczególnych punktach przestrzeni Widmo spektralne tego światła 2 płaskie obrazy Wszystko się rusza Obraz odwrócony

7 Co widzimy - wrażenie? Trójwymiarowy, spójny i ciągły nieodwrócony obraz Twarze, zwierzęta, przedmioty, litery Kolory, perspektywa, ruch, głębia, jasność

8 Pytanie Czy właściwości jakościowe (np. kolory) których doświadczamy bezpośrednio i natychmiastowo to właściwości świata czy wytwory naszego postrzegania, tj. mózgu? jeżeli wrażenie które nazywamy kolorem ma jakiekolwiek prawa, musi być coś w naszej naturze, co determinuje formę tych praw James Clerk Maxwell

9 Iluzje oceny koloru

10 Cienie

11 Cienie

12 Promienie widzenia Euklides: oczy wysyłają promienie, które dotykają obiektów i wracają do oczu z informacją o nich widzenie czynne Aparat fotograficzny: oczy odbierają światło które stanowi kompletną informację o widzianej scenie widzenie bierne Platon wszystkie nasze wrażenia świata to iluzja. Jesteśmy mieszkańcami jaskini i nie możemy doświadczać świata na zewnątrz bezpośrednio a jedynie próbować nadać mu kształt i sens dzięki cieniom które pojawiają się na ścianach jaskini Widziana scena jest jedynie hipotezą obrazu odbieranego przez oczy? Kolor, głębia, ruch

13 Bodźce a qualia (wrażenia, odczucia) Światło o długości fali nie jest ani koniecznym ani wystarczającym warunkiem odczucia czerwieni Wrażenia są niedostępne bezpośrednio i czysto subiektywne Potencjały elektryczne -> wrażenie jak?? Wrażenia są przypisywane przedmiotom na zewnątrz

14 Proces psychofizyczny widzenia Obrazowanie układ optyczny oka Detekcja i rozpoznanie fotoreceptory Kodowanie nerwowe i transmisja sygnału 100 mln 2 mln Adaptacja Zróżnicowanie i struktura 40 różnych obszarów widzenia w mózgu Identyfikacja, rozpoznanie i interpretacja inne zmysły i wyższa aktywność myślowa, taka jak pamięć, kontekst, wola itp

15 Ścieżka nerwowa widzenia 100 mln czopków + 6 mln pręcików 2 mln komórek nerwowych w siatkówce i podobna ilość włókien nerowych w nerwie wzrokowym 500 mln komórek nerwowych w ośrodku widzenia mózgu

16 Kontrast Najważniejszą cechą środowiska wzrokowego są różnice w jasności i kolorze - które zwykle nazywamy kontrastem. Kontrast w odniesieniu do tła jest warunkiem zasadniczym dla widzenia w ogóle. Bez kontrastu, ani kształt obiektu ani jego ruch nie zostałby wykryty (identyfikacja obiektu wymaga zwykle nawet większych kontrastów niż detekcja)

17 Analiza sygnału światło -cień - jasność - ciemność - jaskrawość - kontrast - kolor -tekstura - linie, kontury - forma -orientacja - głębia - odległość - wielkość - pozycja przestrzenna - pierwszy plan -tło - ruch - kierunek - prędkość - zmiany czasowe itp. Linie tło vs obiekt litera słowo - zdanie

18 Szkoła psychologii Gestalt Zasady grupowania Prawo bliskości Prawo podobieństwa Wspólna forma Kontynuacja krawędzi Wspólny wzorzec ruchu

19 Hipoteza 1 Wszystkie użyteczne atrybuty sceny trójwymiarowej, takie jak znaczenie poszczególnych powierzchni, kontury obiektów i cienie, można odczytać z podstawowego sygnału wejścia na siatkówce, lokalizując i opisując miejsca, w których dochodzi do względnie gwałtownej zmiany natężenia obrazów

20 Hipoteza 2 Materia jest spójna symbole znajdujące się blisko siebie na obrazie z reguły należą do tego samego obrazi Symbole posiadające wspólny atrybut deskryptywny (np. wspólną orientację) najprawdopodobniej będą miały wspólną fizyczną przyczynę można je pogrupować razem w celu utworzenia symboli dużej skali z nowymi atrybutami deskryptywnymi (kształt, tekstura), następnie proces ten można powtarzać

21 Obliczeniowy schemat Marra rozpoznawania obiektów Obraz Szkic pierwotny Szkic 2½D Modelowa reprezentacja 3D

22 Kierunek percepcji Z dołu do góry (bottom-up) percepcja powstaje na podstawie prostego obrazu i jest kodowana w użyteczny opis świata Z góry do dołu (top-down) wiedza na temat obiektu determinuje jego postrzeganie, zakodowany obraz jest przekształcany w widziany obraz Teorie obliczeniowe skupiają się głównie na pierwszej z tych koncepcji ze względu na to że łatwiej jest opisywać wczesne etapy percepcji.

23 7. Percepcja 8. Rozpoznanie 9. Akcja 6. Przetwarzanie Sygnał elektryczny Doświadczenie i akcja Wiedza percepcyjny Proces 5. Transmisja Bodziec 4. Przekształcenie 3. Bodziec w receptorze 2. Bodziec odbierany 1. Bodziec środowiskowy

24 Światło widzialne

25 Temperatura barwowa

26 Pomiar światła - fotometria

27 Pomiar światła - fotometria

28 Jasność Jasność to cecha wrażenia wzrokowego w odniesieniu do której obszar zdaje się emitować więcej lub mniej światła (CIE 1987) Nie ma problemu w widzeniu nocnym, ale w widzeniu dziennym przy porównywaniu światła o różnych barwach jest problem (jasność heterochromiczna) W dodatku obszary otoczone ciemnym tłem odbierane są jako świecące własnym światłem i dają zupełnie inne wrażenie niż identyczne obszary, lecz otoczone jaśniejszym tłem, które odbierane są jako odbijające światło.

29 Jasność

30

31

32 Opis fizyczny Długość fali (nm) Natężenie promieniowania I e (W/sr) Radiant intensity Strumień promieniowania e (W) Radiant flux Irradiancja (Natężenie promieniowania) E e (W/m 2 ) Irradiance Radiancja (luminancja energetyczna) L e (W/sr m 2 ) Radiance

33 Opis fotometryczny Długość fali (nm) Światłość I v (kandela, cd = lm/sr) Luminous intensity Strumień świetlny v (lumen, lm) Luminous flux Natężenie oświetlenia E v = v /A (luks, lx = lm/m 2 ) Illiuminance Luminancja L v = I v /A (cd/m 2 ) Luminance

34 Spektralne funkcje wagowe v =683 e ( )V( )d Równanie to jest używane we wszystkich miernikach światła Jest ono liniowe w przeciwieństwie do naszych statycznych wrażeń jasności czy koloru! Funkcja spektralna V( ) została wyznaczana psychofizyczną metodą heterochromatycznej fotometrii migotania (Heterochromatic flicker photometry) wrażenia liniowe!

35 Kolor Nie jest możliwe opisanie wrażenia tych kolorów jako kombinację wrażenia innych z nich, ale wrażenie każdego innego koloru może zostać opisane jako kombinacja wrażenia tych sześciu np. NCS2060-R50B

36 HSL/HSV (Odcień Nasycenie Jasność/Wartość)

37 Fizyka koloru Kolor powierzchni zależy od: Struktury powierzchni (matowa, błyszcząca itp.) Reflektancji spektralnej Geometrii i rozkładu spektralnego oświetlenia Fizjologicznej adaptacji oka do kontrastu i parametrów otoczenia (tła) Większość naturalnych barw można przedstawić jako sumę ważoną trzech podstawowych krzywych reflektancji spektralnej Oko nie jest analizatorem spektralnym!!!

38 Kolory metametryczne Istnieje nieskończona ilość krzywych spektralnych, dających wrażenie tego samego koloru Bodźce, które sprawiają wrażenie identycznych barw pomimo różnic spektralnych nazywamy kolorami metametrycznymi. Metametryczne kolory powierzchni są zwykle równe jedynie przy jednym typie oświetlenia. Dlatego oglądając np. koszulę lub samochód w sztucznym świetle sklepu, domu lub garażu jawi nam się on w innych barwach niż w świetle dziennym.

39 Kolory substraktywne Kolory substraktywne nie są mieszaninami kolorów źródłowych, a raczej wynikami iloczynu transmitancji spektralnej filtrów.

40 Kolory addytywne Rezultat nie zależy od widma spektralnego światła a jedynie od barwy światła (wrażenia) Jedynie trzy kolory bazowe (podstawowe) wystarczą do stworzenia każdego odcieniu barw Wybór kolorów podstawowych jest w zasadzie dowolny przy czym żaden nie może być sumą dwóch pozostałych

41

42

43 Przestrzeń barw CIE XYZ (1931)

44 Przestrzeń barw CIE XYZ (1931) 2 stopnie pola widzenia w innej wersji 10 stopni 3 teoretyczne detektory o określonej charakterystyce spektralnej Detektor (współrzędna) Y odpowiada funkcji V(λ) Czułości czopków są liniowymi funkcjami wartości trójchromatycznych X, Y i Z

45 Przestrzeń barw CIE XYZ (1931) Zakładając X+Y+Z=const i normalizując współrzędne można zdefiniować płaszczyznę zwaną diagramem chromatyczności (x,y) Monochromatyczne kolory tworzą krzywą ograniczającą przestrzeń barwną Punkty odpowiadające skrajnym długościom fali są połączone tzw. linią purpury. Kolory z tej nie mają odpowiedników w tzw. newtonowskiej przestrzeni barw (tj. tęczy), ale są mieszanką czerwieni i fioletu

46 Przestrzeń barw CIE XYZ (1931) Czystość barwy zależy od odległości od punktu bieli E=(1/3, 1/3), tj. biel ma p=0, a kolory monochromatyczne p=1 Przecięcie linii łączącej dany kolor z punktem bieli E wyznacza tzw. dominującą długość fali. Barwy z linii purpury nie mają dominującej długości fali, lecz mają komplementarną długość fali (na drugim przecięciu prostej)

47 Punkt A Żarówka wolframowa x=0,4476 y=04075 T=2856 K Punkt B Światło słoneczne w południe x=0,3485 y=0,3517 T=4874 K Punkt C Uśrednione światło dzienne x=0,3101 y=0,3163 T=6774 K Punkt D Światło dzienne y = 2.870x 3.000x Dla D65 Światło dzienne w Europie x=0,3127 y=0,3291 T=6500K Punkt E Punkt równej energii x=0,3333 y=0,3333 T~5455K

48 Gamut

49 Inne pojęcia stosowane w Wzorce barw RAL Pantone kolorymetrii Przestrzenie barw: - RGBY - CMYKOG

50 Światło białe Temperatura barwna Wierność odwzorowania kolorów Jasność (natężenie oświetlenia) Pobór mocy

51 Widzenie głębi Jak możemy widzieć obraz trójwymiarowy bazując na płaskim obrazie na siatkówce? Dlaczego widzimy głębię lepiej dwojgiem oczy niż jednym? Dlaczego ludzie nie wydają się zmniejszać jak oddalają się od nas?

52 Wskazówki związane z ruchem gałek ocznych Oparte na tym, że czujemy napięcie mięśni oka Zbieżność Akomodacja Zbieżność, czujemy lepiej, więc jest silniejszą wskazówką głębi

53 Wskazówki jednooczne Działające w każdym oku oddzielnie Adkomodacja Wskazówki obrazowe Wskazówki głębi, które mogą zostać wywnioskowane z interpretacji widzianej sceny Ruch obiektów w polu widzenia Wskazówki głębi, które mogą zostać wywnioskowane z ruchu obiektów w polu widzenia

54 Wskazówki obrazowe Przykrywanie Przedmioty będące bliżej zazwyczaj częściowo zasłaniają te, będące dalej Dają informację jedynie o odległościach względnych wiemy że jednej obiekt jest za drugim, ale nie wiemy jak daleko

55 Wskazówki obrazowe Względna wysokość Poniżej horyzontu obiekty bardziej odległe znajdują się wyżej w polu widzenia Powyżej horyzontu (np. chmury) sytuacja się odwraca i obiekty dalekie znajdują się niżej Ma to związek także z kierunkiem spojrzenia jeśli patrzymy prosto przed siebie widzimy obiekty dalekie, jeśli spoglądamy w dół patrzymy na obiekty bliskie

56 Wskazówki obrazowe Względna wielkość Jeśli obiekty są tej samej wielkości to im dalej się znajdują tym mniejszy obszar pola widzenia będą zajmować Wskazówka ta wymaga wcześniejszej wiedzy o rzeczywistej wielkości obiektów Zbieżność perspektywy Widząc dwie równoległe linie rozciągające się w dal odbieramy je jako zbiegające się (będące coraz bliżej siebie) wraz z rosnącą odległością

57 Wskazówki obrazowe Znana wielkość Jeśli wiemy jakiej wielkością są obiekty, możemy wnioskować o ich odległości z ich rozmiarów kątowych w polu widzenia Wskazówka dosyć słaba używana przy braku innych

58 Wskazówki obrazowe Perspektywa atmosferyczna Bardziej odległe obiekty stają się mniej wyraźne i doświadczają przesunięcia barwy ku niebieskiemu Związane jest to niepełną przezroczystością atmosfery (kurz, kropelki wody, zanieczyszczenia) W różnych częściach świata (i różnych przejrzystościach atmosfery) wskazówka ta może być różnie wykalibrowana w naszym móxgu

59 Wskazówki obrazowe Gradient tekstury Przedmioty (elementy przedmiotów) które są równomiernie rozłożone w przestrzeni wydają się być gęściej upakowane w miarę wzrostu ich odległości Cienie Cienie obiektów mogą zawierać informację o ich lokalizacji Cienie także zwiększają trójwymiarowość obiektów

60

61

62

63

64 Wskazówki związane z ruchem przedmiotów w polu widzenia Paralaksa ruchu Jeśli się poruszamy obiekty bliższe wydają nam się poruszać szybciej niż odległe Wskazówka ta wynika z optyki i tworzenia obrazów na siatkówce (tj. z paralaksy) Wskazówka paralaksy ruchu jest bardzo ważna w widzeniu niektórych zwierząt i kontekście systemów wizyjnych robotów, jest także podstawowym sposobem prezentacji głębi w kreskówkach

65 Wskazówki związane z ruchem przedmiotów w polu widzenia Znikanie i pojawianie się Jeśli przesuwamy dwie powierzchnie względem siebie (np. dłonie), różne części znikają się (poprzez przysłonięcie) a potem pojawiają dając wnioskować o względnej odległości powierzchni

66 Wielkość obiektów a ich odległość Najlepszym parametrem do określenia bezwzględnej wielkości widzianych obiektów jest ich wielkość kątowa Księżyc i Słońce mają wielkość kątową 0,5 Szerokość kciuka na wyciągniętej ręce ma wielkość kątową 2 Percepcyjna wielkość liniowa jest zależna od kontekstu!

67 Percepcja wielkości Jeśli układ wzrokowy ma dobre informacje o głębi percepcja wielkości jest bliska rozmiarom liniowym stałość wielkości Jeśli brakuje informacji o głębi percepcja wielkości bazuje na rozmiarach kątowych

68 Kontekst

69 Kontekst

70 Kontekst

71 Kontekst