Percezione del colore Corso di Principi e Modelli della Percezione Prof. Giuseppe Boccignone Dipartimento di Scienze dell Informazione Università di Milano boccignone@di.unimi.it http://homes.di.unimi.it/~boccignone/giuseppeboccignone_webpage/modelli_percezione.html La percezione del colore
La percezione del colore Livello psicologico 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: 1.Lo spettro di energia che irradia la superficie dell oggetto 2.La riflettanza spettrale della superficie dell oggetto, che determina come la superficie trasformi lo spettro ricevuto nello spettro radiato 3.La sensibilità spettrale del sensore irradiato dall energia luminosa proveniente dal superficie dell oggetto R(!) E(!) L(!) s(!)
Lo spettro di energia del visibile Experimentum crucis: Isaac Newton, 1672 Lo spettro di energia del visibile
Lo spettro di energia del visibile 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 10 2 10 4 lunghezza d onda (metri) lunghezza d onda (nanometri) Lo spettro di energia del visibile //Sorgenti di luce Corpo nero CCT = 2600K CCT = 6200K Luce Fluorescente La composizione spettrale delle sorgenti di luce può essere descritta dalla Correlated Colour Temperature (CCT), misurata in Kelvin (K).
Lo spettro di energia del visibile //Sorgenti di luce CCT = 5190K CCT = 2760K CCT = 6900K CCT = 3870K 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
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=? = Sensibilità spettrale dei sensori (coni) Abbiamo modellato il nostro osservatore monocromatico come 9484)#:#;4),! *))&+,&%-&!. +#''/,00&$,%#!!"8)&8,!,%8#)%,! +#''&!)#8,%&!"#$%&'#! %#()&'# 1&22,%$!34%56,%#&)#7
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 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
Sensibilità spettrale dei sensori //Il problema dell univarianza Questo è anche il motivo per cui i colori non si vedono in una scena con una illuminazione molto debole Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: fotorecettori
Sensibilità spettrale dei sensori //Fotorecettori in sintesi Bastoncelli Acromatici Sensibilità elevata Alta convergenza Bassa acuità Periferici (15 ) Coni Tri-cromatici Sensibilità bassa Bassa convergenza Alta acuità Centrali 100 milioni 6 milioni Risposta lenta Risposta rapida Non-selettivi alla direzione della luce Selettivi alla direzione della luce (Styles-Crawford) Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: densità dei fotorecettori
Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: visione scotopica Scotopico: Questo aggettivo si riferisce ai livelli di illuminazione deboli, come riferimento si prendano livelli più bassi di quelli un chiaro di luna I bastoncelli sono fotorecettori sensibili ai livelli di illuminazione scotopici Tutti i bastoncelli contengono lo stesso tipo di pigmento: la rodopsina Tutti i bastoncelli hanno la medesima sensibilità alle lunghezze d onda, perciò tramite essi la discriminazione dei colori risulta essere impossibile!!! 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)
Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: risoluzione ambiguità Ambiguità risolta!! Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: visione tricromatica I tre tipi di coni non sono presenti nella stessa proporzione: sia nell uomo, sia nella scimmia, i coni S sono una minoranza, e sono totalmente assenti dal centro della fovea, mentre i coni L ed M hanno in media la stessa frequenza Le loro frequenze relative possono variare notevolmente da un occhio ad un altro, nello stesso occhio, tra una porzione di retina e un altra. S (Freq = 5-10%) M (Freq. = 1/2 L) L (Freq. = 2 M)
Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: distribuzione dei coni L 50.6% M 44.2% S 5.2% L:M=1.15 L 75.8% M 20.0% S 4.2% L:M=3.79 Roorda e Williams Nature 397, 520 (1999) Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: visione tricromatica I tre tipi di coni non contribuiscono ugualmente alla sensazione di intensità luminosa: a questa contribuiscono prevalentemente i coni L ed M (in modo additivo), i coni S hanno una forte valenza cromatica. Può sorprendere il fatto che abbiamo due pigmenti con sensibilità spettrali così simili, mentre il terzo è molto differenziato rispetto a loro. tra i mammiferi, questa proprietà è presente nelle scimmie del vecchio mondo e nell uomo nella maggioranza degli altri mammiferi la retina contiene solo due tipi di coni: uno di tipo S, cioè con sensibilità massima nell ambito delle corte lunghezze d onda, e uno con sensibilità spettrale intermedia tra quelle dei coni M e L dell uomo
Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: modello di visione tricromatica coni meccanismo di gain control output dei coni Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: modello di visione tricromatica L(!) x x x!!!
Dove siamo arrivati... Fisiologia del colore Livello psicologico Newton Livello neurofisiologico Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: luce riflessa da oggetti reali Per la maggior parte del tempo noi non vediamo singole lunghezze d onda ma pattern più complessi che coinvolgono l intero spettro del visibile
Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: metamerismo Prendiamo una luce verde e una luce rossa ed illuminiamo con queste un pezzo di carta bianco in modo che un mix di luce verde e rossa (giallo) sia riflesso dalla carta indietro al nostro occhio. Ammettiamo anche che il cono M produca 80 unità di risposta per la luce verde e 40 per quella rossa il cono L produca 40 unità di risposta per la luce verde e 80 per quella rossa. N.B. In questo esempio non consideriamo i coni S. Se assumiamo che si possano sommare insieme le risposte di ogni cono, entrambi (L e M) coni producono 120 unità di risposta Sensibilità spettrale dei sensori // il livello retinico: metamerismo Metamerismo: Combinazioni di lunghezze d onda diverse che appaiono identiche. In generale il termine si riferisce a qualsiasi coppia di stimoli che sono percepiti essere identici nonostante le differenze a livello fisico
Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare luci Due importanti avvertimenti: Mischiare insieme le lunghezze d onda non muta le lunghezze d onda a livello fisico! Per ottenere da una luce rossa e una verde un giallo perfetto si deve semplicemente scegliere con accuratezza la giusta quantità di rosso e verde. 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
Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare luci Modello additivo: creazione degli altri colori mediante lacombinazione additiva dei colori primari RGB. Tipico nei monitori quali hanno tre tipi di fosfori per ogni pixel. Es.: R + G = giallo se riduco l intensità del verde mantenendo quella del rosso allora ho un arancione Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare luci La somma di due colori primari produce un colore Es.: R+G= giallo, R+B=magenta, B+G=ciano Ciano (C), magenta (M) e giallo (Y) sono colori secondari ocomplementari Miscelando i tre primari o un secondario con il suo primario opposto, nella giusta intensità, produce bianco.
Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare luci giallo magenta Combinazione dei colori Addizione ciano Sottrazione Elaborazione del colore //visione tricromatica: applicazioni L oscilloscopio (televisione)
Elaborazione del colore //visione tricromatica: applicazioni Georges Seurat: La Parade Visto da vicino il volto dell uomo è formato da tanti punti di colore innaturale per una faccia (tecnica additiva) 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
Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare pigmenti Le miscele sottrattive di colori coinvolgono l assorbimento selettivo di lunghezze d onda. Ciano, magenta e giallo sono primari sottrattivi. Se la luce bianca passa attraverso un filtro ciano sottrae o assorbe il rosso dalla luce bianca (B + G = Cy) Se la luce bianca passa attraverso un filtro magenta sottrae o assorbe il verde dalla luce bianca (B + R = M) Se la luce bianca passa attraverso un filtro giallo esso assorbe il blu e trasmette rosso e verde (R + G = Y). Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare colori giallo magenta Combinazione dei colori Addizione ciano Sottrazione
Elaborazione del colore //visione tricromatica: mischiare pigmenti E(!) x R(!) x x x L(!)!!! Dove siamo arrivati... Teoria tricromatica Young Livello psicologico Helmholtz Newton Livello neurofisiologico
Elaborazione del colore //visione tricromatica: il livello psicologico Lo spazio dei colori: E dato da uno spazio tridimensionale ed è stato definito in modo da rappresentare le risposte dei tre tipi di coni in modo da comprendere tutti i colori visibili Teoria Tricromatica: teoria che prevede che i colori siano percepiti dal sistema percettivo visivo come una tripletta di valori indicanti le risposte di tre tipi di recettori che adesso sappiamo essere i tre tipi di coni (Teoria di Young- Helmholtz) E degno di essere notato che la teoria tricromatica del colore di Young (1773-1829) e Helmholtz (1821-1894) è stata sviluppata PRIMA che si conoscesse la natura dei pigmenti dei coni nel sistema percettivo visivo attraverso brillanti esperimenti in psicofisica. Elaborazione del colore //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!!!
Elaborazione del colore //visione tricromatica: esperimenti di Guild Elaborazione del colore //visione tricromatica: esperimenti di Guild Dati tre colori primari ad esempio R, G, B, (700nm, 546.1 nm, 435.8 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? Elaborazione del colore //visione tricromatica: esperimenti di Guild Assumendo di osservare una luce di radianza spettrale Le(!) 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 Elaborazione del colore //visione tricromatica: l osservatore standard CIE Assumendo di osservare una luce di radianza spettrale Le(!) i valori di tristimolo in coordinate CIE X,Y, Z sono cosa sono queste curve?
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