Fisica della Visione Introduzione

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3 Introduzione 2 Lezione 13 La percezione visiva: i colori Luce monocromatica. Percezione del colore. Il colore nella mente. Colori spettrali e sensazione di colore. Caratteristiche fisiche e percettive. Immagini multispettrali. Immagini RGB.

4 Luce monocromatica 3 S I coni sono convenzionalmente etichettati secondo l'ordine dei picchi delle lunghezze d'onda delle loro sensibilità spettrali: cono di tipo corto (S = Short), L cono di tipo medio (M = Medium), M cono di tipo lungo (L = Long).

5 Luce monocromatica 4 S I punti dello spazio SML sulla curva indicata corrispondono alla sensazione di colore prodotta da una luce monocromatica (colori spettrali). M L Ogni altro punto dello spazio SML corrisponde ad una sensazione di colore che non è ottenibile con una luce monocromatica (per esempio il bianco, il magenta, etc.).

6 Percezione del colore 5 La formazione della percezione del colore da parte dell'occhio avviene in tre distinte fasi. Nella prima fase un gruppo di fotoni (stimolo visivo) arriva all'occhio, attraversa cornea, umore acqueo, pupilla, cristallino, umore vitreo e raggiunge i fotorecettori della retina (bastoncelli e coni), dai quali viene assorbito. Come risultato dell'assorbimento, i fotorecettori generano (in un processo detto trasduzione) tre segnali nervosi, che sono segnali elettrici in modulazione di ampiezza. La seconda fase avviene ancora a livello retinico e consiste nella elaborazione e compressione dei tre segnali nervosi, e termina con la creazione dei segnali opponenti, segnali elettrici in modulazione di frequenza, e la loro trasmissione al cervello lungo il nervo ottico. La terza fase consiste nell'interpretazione dei segnali opponenti da parte del cervello e nella percezione del colore.

7 Percezione del colore 6 Ogni fotorecettore che assorbe fotoni genera un segnale elettrico in modulazione di ampiezza, proporzionale al numeri di fotoni assorbiti. Gli esperimenti mostrano che i segnali generati dai tre coni L, M e S sono direttamente collegati con la sensazione di colore, e sono detti segnali di tristimolo. Essi vengono elaborati e compressi con modalità non ancora del tutto note. Questa elaborazione avviene nelle cellule orizzontali, bipolari, e gangliari, e termina con la generazione di altri tre segnali elettrici, stavolta in modulazione di frequenza, chiamati segnali opponenti. Questi segnali raggiungono il cervello lungo i due nervi ottici (che sono costituiti dagli assoni delle cellule gangliari), e arrivano nei cosiddetti corpi genicolati laterali, che costituiscono una stazione intermedia per i segnali, che da qui vengono proiettati in apposite aree della corteccia visiva, dove nasce la percezione del colore.

8 Il colore nella mente 7 Percorsi visuali nel cervello umano. Flusso dorsale (colore verde). Flusso ventrale (colore viola). I flussi hanno origine da una sorgente comune nella corteccia visiva. Il flusso dorsale è importante nel riconoscimento del colore.

9 Percezione del colore 8 Il moderno modello della percezione umana del colore, come questa avviene nella retina, è pertinente sia alla teoria tricromatica che a quella del processo opponente entrambe introdotte nel XIX secolo. Esistono due teorie della visione a colori: la teoria tricromatica e la teoria del processo opponente. La teoria tricromatica o di Young Helmholtz, proposta nel XIX secolo da Thomas Young e Hermann von Helmholtz, sostiene che i tre tipi di coni che costituiscono la retina sono preferibilmente sensibili al blu, verde e rosso. La teoria del processo opponente proposta da Ewald Hering nel 1872 sostiene che il sistema visuale interpreta il colore in maniera antagonistica: rosso contro verde, blu contro giallo, nero contro bianco. Entrambe le teorie sono ora accettate come valide, descrivendo stadi differenti nella fisiologia della visione.

10 Percezione del colore 9 L'elaborazione dei colori nel sistema visivo inizia già nella retina. La teoria tricromatica si realizza a livello dei recettori, i coni, mentre i processi opponenti al livello delle cellule ganglio retinali e oltre. Nella teoria di Hering il meccanismo degli avversari si riferisce all'effetto avverso del colore del rosso verde, blu giallo, e luce buio. Nel sistema visuale, sono le attività dei diversi tipi di recettori che sono avversarie. Alcune cellule ganglioretinali sono antagoniste all'attività dei coni L e M, che corrispondono molto approssimativamente all'antagonismo al rosso verde. Altre cellule ganglio bistrato realizzano un antagonismo nei confronti dei segnali dei coni S e dei segnali dei coni L e M. Questo corrisponde, sempre molto grossolanamente, all'antagonismo blu giallo.

11 Colori spettrali e sensazione di colore 10 La lunghezza d'onda è una caratteristica fisica della radiazione elettromagnetica; è interpretata come un colore dal sistema percettivo di un osservatore (per questo parleremo di colori spettrali). Il colore non è una caratteristica fisica della radiazione elettromagnetica; è una caratteristica del sistema percettivo di un osservatore (per questo parleremo di sensazione di colore).

12 11 Colori: caratteristiche fisiche e percettive Caratteristica fisica Spettro della radiazione elettromagnetica. Rappresentabile in uno spazio a infinite dimensioni (H c, spazio di Hilbert). Esempio: immagini multispettrali. Caratteristica percettiva Colore. Rappresentabile in uno spazio vettoriale a tre dimensioni (R 3 ). Esempio: immagini RGB. Esempio: stimolazione dei tre tipi di coni. Nota: nessuna di queste è l'informazione che raggiunge il cervello.

13 Immagini multispettrali 12 Un immagine multispettrale è un immagine che cattura dati visivi nell ambito di specifiche bande di lunghezza d onda nello spettro elettromagnetico. Le lunghezze d onda possono essere separate con filtri o usando strumenti sensibili a particolari lunghezze d onda, incluso onde elettromagnetiche di frequenza non appartenente al visibile, come gli infrarossi e gli ultravioletti. Il ricorso a immagini spettrali e multispettrali può consentire l estrazione di informazioni aggiuntive che l occhio umano non riesce a catturare con I suoi recettori per il rosso, il verde, e il blu. All origine sono state sviluppate per l interpretazione di immagini prese dallo spazio, ma hanno trovato uso anche nell analisi di documenti e dipinti. Le riprese multispettrali misurano la luce in un certo numero di bande spettrali (di solito da 3 a 15). Le riprese iperspettrali sono un caso particolare di ripresa spettrale dove spesso sono presenti centinaia di bande spettrali adiacenti. Si adopera per usi militari, rivelazione di campi minati, rivelazione di missili balistici nascosti, analisi di immagini riprese dallo spazio, documenti, dipinti.

14 Immagini multispettrali 13 VIS Luce visibile. VISTR Luce visibile trasmessa. Si vedono strati e ritocchi. RAK Luce radente. Rende visibile l aspetto della superficie. UVF Fluorescenza dovuta a illuminazione con ultravioletti. Si vedono vernici e ritocchi. UVR Riflessione nell ultravioletto. IRR Riflessione nell infrarosso. Si vedono strati ed eventuali dipinti sottostanti. IRFC Infrarosso a falsi colori. Si distinguono materiali e ritocchi. IRF Fluorescenza dovuta a illuminazione con infrarossi. Si possono individuare i pigmenti usati. IRTR Infrarossi trasmessi. Si distinguono disegni sottostanti e alterazioni

15 Immagine RGB (in alto). Essa è formata dalla sovrapposizione di tre immagini monocromatiche che contengono rispettivamente: il rosso (in alto a destra), il verde (in mezzo a destra), il blu (in basso a destra). Immagini RGB Un immagine RGB contiene tre canali: rosso, verde, e blu. I canali RGB seguono approssimativamente il colore dei recettori nell occhio umano, e vengono usati nei monitor per computer e negli scanner. Se l immagine RGB è a 24 bit (lo standard industriale del 2005), ciascun canale ha 8 bit per il rosso, 8 bit per il verde, 8 bit per il blu. In altre parole l immagine è composta da tre immagini (una per ciascun canale). Ciascuna immagine può immagazzinare pixel distinti con luminosità convenzionali comprese fra 0 e 255. Se l immagine RGB è a 48 bit (altissima profondità di colore), ciascun canale è composto da immagini a 16 bit. 14

16 RGB 15 RGB è un modello di colori le cui specifiche sono state descritte nel 1936 dalla CIE. Esso è un modello di colori di tipo additivo: i colori sono definiti come somma dei tre colori Rosso (Red), Verde (Green) e Blu (Blue), da cui appunto l'acronimo RGB. Altri 5 colori notevoli di questo tipo di modello sono il Giallo (Rosso + Verde), il Magenta (Rosso + Blu) e il Ciano (Verde + Blu), inoltre la somma dei tre colori costituisce il Bianco, e la loro totale assenza il Nero, come rappresentato dall'immagine accanto.

17 RGB 16 Per le sue caratteristiche, RGB è un modello particolarmente adatto alla rappresentazione e visualizzazione di immagini in dispositivi elettronici. Infatti la maggior parte dei dispositivi usa di norma combinazioni di Rosso, Verde e Blu per visualizzare i pixel di un'immagine. Tuttavia ciò fa anche sì che la visualizzazione possa dipendere dal particolare dispositivo: la stessa immagine potrebbe essere visualizzata in maniera diversa, se visualizzata su due dispositivi differenti, in quanto i materiali usati per realizzare gli schermi variano in base al produttore. Inoltre si possono notare differenze nel corso del tempo anche nello stesso dispositivo, per via del naturale deterioramento dello stesso.

18 RGB 17 Un'immagine può infatti essere scomposta, attraverso filtri o altre tecniche, in questi colori base che miscelati tra loro danno quasi tutto lo spettro dei colori visibili, con l'eccezione delle porpore. Più specificamente i tre colori principali corrispondono a forme d'onda (radiazioni luminose) di periodo fissato, quali: Rosso, con una lunghezza d'onda di 700,47 nm Verde, con una lunghezza d'onda di 546,09 nm Blu, con una lunghezza d'onda di 435,79 nm

19 RGB 18 La scelta dei colori primari è correlata alla fisiologia dell'occhio umano; i colori primari sono stimoli che massimizzano la differenza tra le risposte delle cellule cono della retina alle differenze di lunghezza d'onda della luce, cioè hanno un triangolo di colore esteso. I tre tipi normali di cellule fotorecettive sensibili alla luce nell'occhio umano (le cellule cono) rispondono più alla luce rossa (lunghezza d'onda lunga), verde (media), e blu (corta), con picchi vicini ai 570 nm, 540 nm e 440 nm, rispettivamente. La differenza nei segnali ricevuti dai tre tipi permette al cervello di differenziare un ampia gamma di colori diversi, essendo più sensibile soprattutto alla luce verde giallognola e alle differenze di tonalità nella regione verde arancione. L'uso dei tre colori primari non è sufficiente a riprodurre tutti i colori; solo i colori entro il triangolo dei colori definito dalla cromaticità dei primari possono essere riprodotti tramite sintesi additiva di quantità non negative di tali colori.

20 19 Colori spettrali come sensazione di colore Lunghezze d onda base : b: 435.8nm g: 546.1nm r: 700.0nm C = (R,G,B) Qualunque sensazione di colore può essere riprodotta con una opportuna combinazione (positiva o negativa) di tre colori spettrali (coordinate cromatiche). Perché sono necessari tre colori spettrali?