Percezione del colore

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1 Percezione del colore Corso di Principi e Modelli della Percezione Prof. Giuseppe Boccignone Dipartimento di Informatica Università di Milano boccignone@di.unimi.it

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3 Percezione del colore: cosa faremo osservatore standard CIE C = R(R) + G(G) + B(B) Young Hering Livello psicologico Helmholtz Spazi percettivi HSI Costanza colore Newton Livello neurofisiologico? La percezione del colore //Principio fondamentale Non è una proprietà fisica ma piuttosto una proprietà psicofisica La percezione del colore dipende inizialmente da 3 fattori: E(λ) 1.Lo spettro di energia che irradia la superficie dell oggetto R(λ) s(λ) 2.La riflettanza spettrale della superficie dell oggetto, che determina come la superficie trasformi lo spettro ricevuto nello spettro radiato L(λ) 3.La sensibilità spettrale del sensore irradiato dall energia luminosa proveniente dal superficie dell oggetto

4 La riflettanza spettrale E R L E x R = L N fotoni emessi % fotoni riflessi N fotoni riflessi Spettro di irradiamento x x Spettro di riflettanza = = Spettro di radianza Lo spettro di energia del visibile lunghezza d onda (metri) lunghezza d onda (nanometri)

5 Lo spettro di energia del visibile //Sorgenti di luce CCT = 5190K CCT = 2760K CCT = 6900K CCT = 3870K La riflettanza spettrale // inferenza: un problema mal posto E R L E x R = 100 x N fotoni emessi % fotoni riflessi N fotoni riflessi E=? R=? =

6 Sensibilità spettrale dei sensori (coni) Abbiamo modellato il nostro osservatore monocromatico come Fotorece;ori!! Irradianza!E! dell immagine!!strati!interni! della!retina!segnale!! neurale Mapping!Non5Lineare! Sensibilità spettrale dei sensori V(λ) è detta curva di risposta spettrale dell'occhio umano funzione di efficienza luminosa fotopica spettrale relativa V(λ) La curva modella un singolo fotorecettore

7 Sensibilità spettrale dei sensori //Il problema dell univarianza I colori non si vedono in una scena con una illuminazione molto debole Sensibilità spettrale dei sensori //Il problema dell univarianza Un infinito insieme di combinazioni di intensità e lunghezza d onda possono produrre una identica risposta da parte di un tipo di fotorecettore Disponendo solo di un fotorecettore non è possibile discriminare fra lunghezze d onda diverse, cioè discriminare fra colori diversi

8 Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: risoluzione ambiguità Ambiguità risolta!! Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: visione tricromatica La visione dei colori richiede la presenza di almeno due tipi di fotorecettori con sensibilità spettrale diversa (sistema divariante) I coni: fotorecettori che si distinguono i tre categorie: S M L S(hort) M(edium) L(ong)

9 Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: modello di visione tricromatica L(λ) x x x Dove siamo arrivati... Fisiologia del colore Livello psicologico Newton Livello neurofisiologico

10 Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare luci Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare luci Combinazioni colorimetriche col metodo ADDITIVO (miscuglio di luci) : Se una luce A e una B sono riflesse da una certa superficie verso l occhio, a livello percettivo l effetto di queste due radiazioni si sommano insieme

11 Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare luci Modello additivo: creazione degli altri colori mediante la combinazione additiva dei colori primari RGB. Es.: R + G = giallo se riduco l intensità del verde mantenendo quella del rosso allora ho un arancione Elaborazione del colore //visione tricromatica: RGB

12 Elaborazione del colore //visione tricromatica: applicazioni Schermo LCD (Liquid Crystal Display), ovvero schermi a cristalli liquidi: - tre colori primari che costituiscono ogni pixel I cristalli liquidi non emettono alcuna luce propria: - retroilluminazione: vengono utilizzate delle CCFLs, ossia delle lampade fluorescenti a catodo freddo (luce bianca non polarizzata) Elaborazione del colore //visione tricromatica: applicazioni Schermo LCD (Liquid Crystal Display), ovvero schermi a cristalli liquidi: - tre colori primari che costituiscono ogni pixel I cristalli liquidi non emettono alcuna luce propria: - retroilluminazione: vengono utilizzate delle CCFLs, ossia delle lampade fluorescenti a catodo freddo (luce bianca non polarizzata)

13 Elaborazione del colore //visione tricromatica: applicazioni Elaborazione del colore //visione tricromatica: applicazioni Schermo LCD a LED (Liquid Crystal Display), ovvero schermi a cristalli liquidi: - I LED emettono una luce colorata utilizzando minore energia e spazio rispetto alle lampadine tradizionali. Se utilizzati per la retroilluminazione di uno schermo LCD possono essere a luce bianca, ma anche rossa, verde e blu (LED RGB).

14 Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare pigmenti Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare pigmenti Combinazioni colorimetriche col metodo SOTTRATTIVO (dovute per esempio all uso di pigmenti) Se i pigmenti A e B si mischiano, una certa quantità della luce riflessa da una superficie sarà sottratta da A, un po da B e solo la quantità rimanente darà un contributo alla percezione dei colori

15 Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare luci ciano magenta Combinazione dei colori Addizione giallo Es.: R+G= giallo, R+B=magenta, B+G=ciano Sottrazione Ciano (C), magenta (M) e giallo (Y) sono colori secondari o complementari Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare pigmenti E(λ) x R(λ) x x x L(λ)

16 Dove siamo arrivati... Teoria tricromatica Young Livello psicologico Helmholtz Newton Livello neurofisiologico Elaborazione del colore: livello psicologico //visione tricromatica: esperimenti di Maxwell Gli esperimenti condotti con la color matching technique di Maxwell consistevano nel chiedere ad un osservatore di creare con un mix di colori una tinta identica ad una di riferimento I risultati mostrarono che con soli TRE primari era possibile ricostruire qualsiasi colore dato!!!

17 Elaborazione del colore //visione tricromatica: esperimenti di Guild Elaborazione del colore //visione tricromatica: esperimenti di Guild

18 Elaborazione del colore //visione tricromatica: esperimenti di Guild Dati tre colori primari ad esempio R, G, B, (700nm, nm, nm), formalmente il color matching puo essere descritto dalla seguente equazione: C = R(R) + G(G) + B(B) dove R,G,B sono le unità dei primari R, G, B, necessarie per eguagliare (matching) il colore C La tripletta RGB rappresenta i valori di tristimolo Elaborazione del colore //visione tricromatica: esperimenti di Guild Si ottengono i valori di tristimolo primari per ottenere un colore bastano tre primari Lo spazio dei colori è uno spazio lineare: un colore è combinazione lineare dei primari Alcuni colori si ottengono sottrattivamente Che cosa sono queste curve?

19 Elaborazione del colore //visione tricromatica: esperimenti di Guild Assumendo di osservare una luce di radianza spettrale Le(λ) i valori di tristimolo primari CIE RGB sono R G B Elaborazione del colore //visione tricromatica: l osservatore standard CIE Trasformazione lineare dei valori di tristimolo dell osservatore standard CIE

20 Dove siamo arrivati... Teoria tricromatica C = R(R) + G(G) + B(B) osservatore standard CIE Young Livello psicologico Helmholtz Esperimenti di Maxwell Newton Livello neurofisiologico Elaborazione del colore //visione tricromatica: l osservatore standard CIE Abbiamo modellato il nostro osservatore monocromatico come Fotorece;ori!! Irradianza!E! dell immagine!!strati!interni! della!retina!segnale!! neurale Mapping!Non5Lineare!

21 Elaborazione del colore //visione tricromatica: l osservatore standard CIE V(λ) è detta curva di risposta spettrale dell'occhio umano funzione di efficienza luminosa fotopica spettrale relativa V(λ) Elaborazione del colore //visione tricromatica: l osservatore standard CIE V(λ)

22 Elaborazione del colore //visione tricromatica: l osservatore standard CIE Assumendo di osservare una luce di radianza spettrale Le(λ) i valori di tristimolo in coordinate CIE X,Y, Z sono y(λ) =V(λ) luminosità Elaborazione del colore //visione tricromatica: l osservatore standard CIE Modelliamo il nostro osservatore standard come Fotorece;ori!! Irradianza!E! proporzionale! alla!radianza!!l! dell immagine!!strati!interni! della!retina!segnale!! neurale Mapping!Non5Lineare!

23 Elaborazione del colore //visione tricromatica: diagramma di cromaticità Nel 1931 la Commissione Internazionale per l Illuminazione (CIE) definì un diagramma di cromaticità standard che comprendeva tutte le tinte visibili dall occhio umano. Dal sistema a tre primari immaginari (colori ipersaturi non visibili) si può passare tramite una operazione di normalizzazione a una rappresentazione a due parametri dello spazio dei colori visualizzabile su un piano. Diagramma di cromaticità x, y Elaborazione del colore //visione tricromatica: diagramma di cromaticità Il gamut di un monitor Diagramma di cromaticità x, y

24 Elaborazione del colore //visione tricromatica: RGB Modelli tricromatici non percettivi: Tutti i colori si possono descrivere utilizzando tre dimensioni Esempio: RGB Elaborazione del colore //visione tricromatica: RGB

25 Elaborazione del colore //visione tricromatica: modelli percettivi Modelli percettivi: Tutti i colori esperiti da una persona con un sistema visivo normale si possono descrivere utilizzando tre dimensioni: Tinta Saturazione Luminosità Elaborazione del colore //visione tricromatica: spazi di colore HSI (HSV) Lo spazio dei colori percettivo: Tinta (Hue): L aspetto cromatico del colore Saturazione (Saturation): La purezza cromatica di una tinta. Una luce bianca ha saturazione zero Un rosso sangue è un rosso saturo. Luminosità (Brightness): La distanza dal colore nero nello spazio dei colori Ogni possibile esperienza cromatica può essere rappresentata come un punto in questo spazio tridimensionale

26 Elaborazione del colore //visione tricromatica: spazi di colore HSI (HSV) Elaborazione del colore //visione tricromatica: spazi di colore HSI (HSV) Trasformazione non lineare

27 Problemi per la teoria tricromatica //i colori impossibili Non esiste un verde rossastro o un rosso verdastro, né un blu giallastro o un giallo bluastro Il giallo viene percepito come un colore puro, diversamente da colori ibridi come l arancione o il viola: eppure il giallo è il risultato della combinazione additiva di verde e rosso rosso-verde è percepito come giallo ma non è possibile percepire un colore come verderossastro. Perché?

28 Elaborazione del colore //teoria dell opponenza Teoria dell opponenza cromatica: ha preso vita dall intuizione di Ewald Hering ( ) circa alcuni colori impossibili (e.g., un rosso verdognolo, o un blu ingiallito). I colori primitivi sono quattro invece di tre. La teoria dell opponenza cromatica suggerisce allora che la percezione dei colori sia basata su la risposta di tre meccanismi che operano sull opponenza di due colori: rosso-verde, blu-giallo (il terzo meccanismo bianco-nero è acromatico) Elaborazione del colore //teoria dell opponenza

29 Dove siamo arrivati... Teoria degli opponenti osservatore standard CIE C = R(R) + G(G) + B(B) Hering Young Livello psicologico Helmholtz Esperimenti di Maxwell Spazi percettivi HSI Newton Livello neurofisiologico Elaborazione del colore //teoria dell opponenza: il livello retinico?

30 Elaborazione del colore //teoria dell opponenza: il livello NGL Le cellule gangliari hanno una organizzazione centro periferia. Questa può essere la base per un meccanismo di opponenza cromatica. Nel Nucleo Genicolato Laterale, le cellule P (sistema parvocellulare) mostrano meccanismi di opponenza cromatica. Tre meccanismi: Opponenza Rosso-Verde Opponenza Blu-Giallo Opponenza Bianco-Nero Elaborazione del colore //teoria dell opponenza: il livello NGL Cellula ad opponenza cromatica: un neurone la cui attività è basata sulla differenza fra gruppi di coni L-M M - L C - (M + L) -L+M -M + L

31 Elaborazione del colore //teoria dell opponenza: il livello NGL S M L 1 stadio (retina) M-L L-M S-(L+M) (L+M)-S 2 stadio (NGL) Elaborazione del colore //teoria dell opponenza: il livello NGL 1 stadio (retina) 2 stadio (retina+ngl)

32 Elaborazione del colore //teoria dell opponenza: il livello NGL I coni M e L possiedono una sensibilità molto simile. In molti casi le loro risposte saranno quasi equivalenti. Un segnale M + L ci informa della luminosità totale della luce. I coni M e L differiscono però quanto basta a discriminare fra i colori. Un segnale L - M ci informa sulla discriminazione cromatica proveniente da due tipi di coni. La restante informazione necessaria proviene dalla differenza di risposta fra i coni M e L e quella dei coni C. Quindi: (M + L) - C e C - (M + L).

33 Processi opponenti //post-immagini Post-immagine: Una immagine visiva che è ancora visibile dopo che lo stimolo è scomparso Questo è un buon metodo per vedere l opponenza dei colori in azione Post-Immagine negativa: una post immagine la cui polarità è opposta a quella dell immagine di partenza. La luce produce post immagini nere. I colori post immagini complementari: rosso produce verde; giallo produce blu

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36 Processi opponenti //post-immagini Quando si guarda uno stimolo rosso, le cellule che segnalano la presenza di rosso si affaticano. Quando si guarda allo schermo vuoto hanno attività ridotta Normalmente codificano la presenza di rosso o l assenza di verde la riduzione di attività è interpretata dal cervello come presenza di verde (afterimage verde)

37 Processi opponenti //spazi di colore Y Cb Cr Processi opponenti //spazi di colore Y Cb Cr

38 Processi opponenti //spazi di colore CIE Lab Dove siamo arrivati... Teoria degli opponenti osservatore standard CIE C = R(R) + G(G) + B(B) Hering Young Livello psicologico Helmholtz Newton Livello neurofisiologico Esperimenti di Maxwell Spazi percettivi HSI

39 Dal laboratorio al mondo Alcuni problemi che emergono prepotentemente quando si studiano i colori fuori dal laboratorio: La costanza del colore La riflettanza La costanza del colore Durante il giorno il contenuto spettrale della luce varia notevolmente, modificando il contenuto spettrale della luce riflessa dall oggetto. Le superfici e gli oggetti, però, conservano la loro colorazione apparente.

40 La costanza del colore E R L E x R = L N fotoni emessi % fotoni riflessi N fotoni riflessi Spettro di irradiamento x x Spettro di riflettanza = = Spettro di radianza La costanza del colore

41 La costanza del colore La costanza del colore //Land, McCann, McKee, Taylor

42 La costanza del colore //Land, McCann, McKee, Taylor La costanza del colore Abbiamo visto che il colore dipende dalla sorgente di illuminazione Macbeth colour checker Luce del giorno Tungsteno Scrivi per inserire testo

43 La costanza del colore Se conosciamo le caratteristiche della sorgente, possiamo correggere Colore sorgente Tungsteno Colour Correction La costanza del colore Se non conosciamo le caratteristiche della sorgente, possiamo stimarle Illuminant Estimation? Colour Correction 86

44 La costanza del colore //perchè è possibile Vincoli fisici che permettono la costanza del colore: Una buona stima dell illuminanate Assunzioni circa le fonti di luce Assunzioni circa le superfici

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46 La costanza del colore //perchè è possibile Vincoli fisici che permettono la costanza del colore: Una buona stima dell illuminanate Assunzioni circa le fonti di luce Assunzioni circa le superfici Incident Light Material surface Body Reflected Light (object colour) Surface Reflected Light (light source colour) Absorption Scattering Colorant

47 La costanza del colore //Teoria retinex (E. Land) Secondo la teoria Retinex, il sistema visivo calcola la riflettanza delle varie superfici del campo visivo e percepisce il loro colore, confrontando il grado con cui superfici adiacenti riflettono tre lunghezze d onda separate (corta, media e lunga). Original image Retinex image Dove siamo arrivati... Costanza del colore osservatore standard CIE C = R(R) + G(G) + B(B) Hering Young Livello psicologico Helmholtz Spazi percettivi HSI Costanza colore Newton Livello neurofisiologico?

48 Elaborazione del colore //teoria dell opponenza: il livello V1 Le cellule sensibili ai colori sono organizzate in formazioni cilindriche chiamate BLOB che attraversano i diversi strati e sono localizzate secondo l a t o p o g r a fi a d e l l e c o l o n n e d i dominanza oculare. Via magnocellulare: localizzazione e movimento (dove) Vie parvicellulare- blob: percezione dei colori e parvicellulare-interblob: analisi delle forme (cosa) Vie binoculari tridimensionalità dell oggetto Nella corteccia le afferenze provenienti dalle cellule ad opponenza semplice si accoppiano in modo da dare origine a cellule ad opponenza doppia, le quali sono particolarmente numerose a livello dei blob. Elaborazione del colore //teoria dell opponenza: il livello V1 Le cellule sensibili ai colori sono organizzate in formazioni cilindriche chiamate BLOB che attraversano i diversi strati e sono localizzate secondo l a t o p o g r a fi a d e l l e c o l o n n e d i dominanza oculare. Via magnocellulare: localizzazione e movimento (dove) Vie parvicellulare- blob: percezione dei colori e parvicellulare-interblob: analisi delle forme (cosa) Vie binoculari tridimensionalità dell oggetto Nella corteccia le afferenze provenienti dalle cellule ad opponenza semplice si accoppiano in modo da dare origine a cellule ad opponenza doppia, le quali sono particolarmente numerose a livello dei blob.

49 Elaborazione del colore //teoria dell opponenza: il livello V1 Le cellule a opponenza doppia della corteccia visiva (di scimmia) rispondono al contrasto di colore tra aree adiacenti del campo visivo. Dove siamo arrivati... Costanza del colore osservatore standard CIE C = R(R) + G(G) + B(B) Young Hering Livello psicologico Helmholtz Spazi percettivi HSI Costanza colore Newton Livello neurofisiologico?

50 Le basi biologiche della costanza del colore Le cellule cromatiche di V1 hanno campi recettivi piccoli, e rispondano alla lunghezza d onda, non al colore. In V4 le risposte sono correlate con la percezione cromatica (umana). La lesione di V4 nelle scimmie non compromette la loro capacità di discriminare le lunghezze d'onda, ma danneggia la costanza dei colori L area V4 nell uomo Le basi biologiche della costanza del colore Le cellule cromatiche di V1 hanno campi recettivi piccoli, e rispondano alla lunghezza d onda, non al colore. In V4 le risposte sono correlate con la percezione cromatica (umana). La lesione di V4 nelle scimmie non compromette la loro capacità di discriminare le lunghezze d'onda, ma danneggia la costanza dei colori L area V4 nell uomo

51 Le basi biologiche della costanza del colore Walsh V PNAS 1999;96: L area V4 nell uomo Dove siamo arrivati... Costanza del colore osservatore standard CIE C = R(R) + G(G) + B(B) Young Hering Livello psicologico Helmholtz Spazi percettivi HSI Costanza colore Newton Livello neurofisiologico?