Percezione della profondità

Percezione della profondità Percezione Percezione della Profondità Due aspetti del problema 1. Localizzare gli oggetti nello spazio (percezione della distanza e dello spazio) 2. Percepire la corporeità e il rilievo di un oggetto (percezione del volume) Ricostruire la 3a dimensione Il mondo fisico è tridimensionale ma la luce che si riflette dagli oggetti nel mondo si proietta su un immagine bidimensionale sulla retina In qualche modo dobbiamo usare l informazione nell immagine bidimensionale per recuperare o ricostruire un percetto 3dimensionale. Perché la percezione della profondità è difficile? Indici extraretinici/oculomotori Funzionano solo per distanze corte: Fissando su qualcosa lontano più di 5 metri gli occhi guardano diritti con una lente piatta Vergenza ("convergenza") degli occhi varia (crociata o non crociata) a seconda che fissiate su oggetti vicini o lontani. Accomodazione. Il livello di accomodazione che l occhio (lente) attua per focalizzare su un oggetto varia con la profondità. 1

Vergenza Angolo formato dagli occhi relativo al centro della testa Convergiamo gli occhi quando guardiamo ad oggetti vicini Li divergiamo quando guardiamo oggetti lontani Vergenza L angolo tra le linee di mira dei due occhi dipende d dalla distanza dell oggetto Il sistema visivo utilizza il segnale afferente (feedback) originato dai tensorecettori dei muscoli oculari per stimare la distanza dell oggetto. Oltre i 6 metri gli occhi sono paralleli NB Osservate la punta del naso per rendervi conto del segnale di tensione originato dalla vergenza Accomodazione La lente si gonfia quando mettiamo a fuoco un oggetto vicino 2

Accomodazione I muscoli ciliari si contraggono per far rilassare il cristallino e permettergli di assumere una forma sferica. Quando i muscoli ciliari sono tesi sentiamo una sensazione si sforzo. Siamo in grado di utilizzare il segnale afferente sullo stato di tensione dei muscoli ciliari (feedback) come un indice grossolano di profondità. A partire da 6 metri i muscoli ciliari sono perfettamente rilassati (accomodazione all infinito del cristallino). Indici monoculari Nessuno degli indici fisiologici (monoculari o binoculari) è efficace quando guardiamo un dipinto Indici pittorici: devono essere appresi Prospettiva lineare Occlusione Sfuocamento atmosferico Ombre e contorni Altezza nel campo visivo Dimensione (relativa e familiare) Indici di movimento Parallasse del movimento Prospettiva lineare Linee parallele di fronte all osservatore convergono mano a mano che si allontanano verso l orizzonte orizzonte. Prospettiva lineare Linee parallele nel mondo reale convergono in un disegno. Più grande la distanza, più grande la convergenza. All infinito le linee si incontrano in un punto (vanishing point). 3

Prospettiva lineare e arte Prospettiva lineare e arte Prospettiva lineare e arte Prospettiva lineare e arte 4

Prospettiva lineare La rappresentazione prospettica è ottimale solo per un punto di vista anche se il sistema compensa eventuali spostamenti da questo punto di vista ottimale Possiamo renderci conto di questo fatto considerando un immagine nell immagine (pdv dell osservatore e pdv implicito nell immagine) immagine). Solo scostamenti dal pdv ottimale dell osservatore sono compensati. Occlusione Oggetti di fronte ad altri oggetti sono ritenuti più vicini dato il vincolo che gli oggetti non siano trasparenti Occlusione Oggetti vicini bloccano parzialmente la vista di oggetti più lontani. L occlusione porta a una percezione della profondità (vediamo gli oggetti occludenti come più vicini dell oggetto occluso). L occlusione ci permette di completare e riconoscere gli oggetti. L occlusione è strettamente tt t correlata ad altri fenomeni percettivi come la trasparenza e i contorni illusori. 5

Occlusione L occlusione aiuta la percezione Informazione monoculare identica Percezione binoculare diversa (Nakayama, Shimojo, e Silverman, 1989) L occlusione aiuta la percezione Occlusione e trasparenza L introduzione dell occlusione cambia la percezione dell oggetto 6

Occlusione e contorni illusori Sfuocamento atmosferico Si completano i contorni illusori più in fretta di quelli occlusi (Ringach and Shapley, 1996) Prospettiva aerea Prospettiva aerea Oggetti più lontani sono percepiti meno chiaramente che oggetti più vicini. La luce interagisce con l ambiente e più a lungo deve viaggiare più è probabile che interferisca in qualche modo con la materia. Cambiamento del colore in funzione della distanza (i colori diventano meno saturi e virano al blu per l umidità lumidità dell aria) 7

Gradiente di dimensione La dimensione di un immagine dipende sia dalla dimensione dell oggetto che dalla sua distanza dall osservatore. Questo è ovvio in particolar modo quando si guarda una distribuzione regolare e ripetitiva (gradiente di tessitura). Gradienti di tessitura La tessitura è più densa in un oggetto lontano che in un identico oggetto vicino. Se non c è variazione nella densità della tessitura, nessuna profondità viene percepita. Un cambio brusco nella tessitura implica una discontinuità di profondità (un angolo brusco). Gradienti di tessitura Gradienti di tessitura 8

Altezza nel campo visivo Oggetti a distanze diverse proiettano a diverse altezze sulla retina. Euclide: grandezza percepita dipende dall angolo ottico sotteso dall oggetto Vero solo per oggetti alla stessa distanza Indizi pittorici Grandezza familiare In assenza di altre informazioni la conoscenza delle dimensioni normali di un oggetto tende a influenzare la distanza a cui l oggetto appare (un elefante in miniatura è un elefante lontano) Camera di Ames. Conflitto tra grandezza familiare e prospettiva in visione monoculare Indizi pittorici: Grandezza Costanza di grandezza. La grandezza di un oggetto viene aggiustata t in base alla distanza a cui sembra trovarsi, in modo che gli oggetti ci appaiano sempre della stessa grandezza indipendentemente dalla loro distanza. E un fenomeno percettivo, non è dovuto al fatto che sappiamo che la grandezza degli oggetti rimane sempre la stessa Il meccanismo della costanza di grandezza non funziona a dovere se manca una stima accurata della distanza A grandi distanze o da punti di osservazione inusuali il meccanismo di compensazione non funziona più (sottocostanza: pedoni osservati da un grattacielo) 9

Indizi pittorici Grandezza relativa L immagine retinica dipende dalla distanza. Lo si può sperimentare con le immagini consecutive (che hanno per definizione una grandezza fissa sulla retina) La grandezza dell immagine consecutiva aumenta proporzionalmente alla distanza a cui l immagine consecutiva sembra trovarsi (il foglio sul tavolo o la parete della stanza) (Legge di Emmert): invarianza grandezza/distanza. L espansione dell immagine consecutiva che vediamo è legata alla compensazione per le distanze dovuta alla costanza di grandezza (stiamo vedendo questa compensazione?) Costanza di grandezza Questi tre dischi sembrano della stessa dimensione a tre profondità diverse. Ma variano molto per dimensione retinica Costanza di grandezza Il fatto che abbiamo costanza di grandezza significa che la dimensione percepita dipende da qualcosa di più che la semplice immagine retinica. Sembra che teniamo conto anche della distanza percepita Questa relazione tra dimensione percepita p e distanza percepita è conosciuto come sizedistance scaling. Legge di Emmert Possiamo formalizzare la nozione di size-distance scaling utilizzando la legge di Emmert: Gp = k * Gr * Dp (Sp -> grandezza percepita; Gr-> grandezza retinica; Dp -> distanza percepita; k -> costante) La legge di Emmert può spiegare sia la costanza di grandezza sia i casi in cui non funziona (illusioni di grandezza). 10

Costanza di grandezza Illusione di grandezza Senza buone informazioni sulla profondità non abbiamo costanza di grandezza Paragonate le grandezze percepita del disco centrale e quello di destra. Ci sembrano uguali. Sappiamo che differiscono molto per grandezza retinica. Sp = k * Sr * Dp Fino a che la grandezza retinica e la distanza percepita variano in modo inversamente proporzionale la grandezza percepita rimane costante! Illusione di grandezza: il cilindro a destra sembra più grande di quello di sinistra ma sono uguali Gp = k * Gr * Dp Gr è lo stesso per i due oggetti. Però Dp è diverso Illusione della luna Illusione della luna Near the horizon 11

Illusione della luna Illusione della luna Assumiamo che il cielo sia piatto e quindi la luna sopra di noi assumiamo che sia più vicina e quindi più piccola; vicino all orizzonte la luna si crede più lontana ma la luna copre la stesso angolo visivo, quindi sembra più grande Costanza di grandezza Quindi il sistema visivo compensa l informazione data dalla prospettiva e dalla distanza quando giudica la grandezza E le correzioni sono grandi! Illusione di Shepard Vincolo forma/inclinazione (vincolo proiettivo) Noi vediamo un mondo 3D. Quindi abbiamo la tendenza a strasformare immagini 2D in percetti 3D. 12

Illusione di Shepard Illusione di Shepard Noi vediamo un mondo 3D. Quindi abbiamo la tendenza a strasformare immagini 2D in percetti 3D. Conseguenze percettive Grandezza e forma dell oggetto sono relativa alla distanza e all inclinazione percepite Ombre e contorni Il nostro sistema visivo parte dall ipotesi che la luce venga dall alto. La forma di una superficie (convessa o concava) e quindi la distribuzione della profondità sulla superficie è influenzata dall ombreggiatura 13

Ombre e contorni Ombreggiatura Oggetti 3D proiettano ombre e in questo modo tendono ad avere gradienti di luminosità Ipotesi C è solo una fonte di luce La luce viene dall alto alto è definito in relazione alla retina. Ombreggiatura Forma da ombreggiatura Interazione tra una fonte di luce e le superfici Cast Shadow degli oggetti Luminanza media o Livello di chiarezza Direzione della luce Tipo di illuminazione 14

Direzione dell illuminante Sono concavi o convessi? Direzione dell illuminante Influenze simultanee della direzione dell illuminante Qual è concavo e quale convesso? Direzione dell illuminante Raggruppamento basato sull illuminazione 15

Consistenza con l illuminazione globale Direzione dell illuminante Forma influenza la percezione Uguale variazione di ombreggiatura: la direzione della luce varia Illusioni di bianchezza uguali IL raggruppamento influenza la bianchezza tra superfici diverse 16

Percezione della bianchezza Ombreggiatura, speculatità e tessitura Conoscenza di alto ordine sulle ombre influenza la percezione della bianchezza Sono uguali? Ombre proiettate Ombre proiettate Disambiguare il movimento Riducono l ambiguità delle forme guardate da punti di vista accidentali 17

Indizi cinetici Il movimento degli oggetti può essere determinante per percepire il rilievo e la corporeità 1. Parallasse di movimento 2. Effetto cinetico di profondità (Wallach) 3. Effetto stereocinetico (Musatti) Parallasse di movimento Muovendo gli occhi da un lato all altro altro oggetti più vicino di spostano di più che i lontani. Quelli lontani di muovono più lentamente Parallasse di movimento Posizione retiniche cambiano quando gli occhi si spostano. Differenze in posizione danno disparità nel tempo: parallasse di movimento. Parallasse di movimento Osservare il mondo dal finestrino del treno. La velocità degli oggetti è proporzionale alla distanza. Il mondo ruota attorno al punto di fissazione. Il nostro sistema visivo è molto efficace ad utilizzare la velocità come indice di profondità. Perché allora sviluppare la stereopsi? La parallasse di movimento per aver luogo necessita almeno del movimento della testa mentre un predatore in agguato deve rimanere assolutamente immobile. 18

KDE Effetto stereocinetico Indici monoculari Nessuno degli indici fisiologici (monoculari o Nessuno degli indici fisiologici (monoculari o binoculari) è efficace quando guardiamo un dipinto Indici pittorici: devono essere appresi Prospettiva lineare Occlusione Sfuocamento atmosferico Ombre e contorni Altezza nel campo visivo Dimensione (relativa e familiare) Indici di movimento Parallasse del movimento 19

Indizi binoculari Indizi monoculari e cinetici ci procurano solo informazioni i i sulla distanza relativa Indizi binoculari ci danno informazioni sulla distanza assoluta E necessaria la presenza di una regione di visibilità sovrapposta nei due occhi (campo visivo binoculare) Diversi animali hanno campi binoculari di ampiezze diverse (p.e predatori e prede) Disparita orizzontale Data la separazione in orizzontale dei nostri occhi (6/7 cm) le due immagini i i sono spostate t lateralmente una rispetto all altra (parallasse binoculare); Questa differenza e chiamata disparita orizzontale. Le due immagini vengono paragonate A livello del chiasma ottico le fibre ottiche delle emiretine nasali (la parte sinistra di ciascun occhio) sono accoppiate: lo stesso accade per le emiretine temporali Disparita orizzontale :a stessa immagine vista da due occhi. Notate le distanze diverse degli oggetti tra loro. La differenza nelle posizioni di un oggetto nelle due immagini definisce la sua disparita retinica Disparazione retinica Osservate un oggetto a 20 cm e chiudete alternativamente gli occhi. Allontanate ora gradualmente l oggetto e osservate quello che succede. Il dito impossibile Scindere il guardare (lo sfondo) dall osservare (focalizzare l attenzione, le dita). 20

Disparita orizzontale La disparita retinica e la differenza tra la posizione laterale di un oggetto nell occhio destro e sinistro. Dipende dalla distanze relativa dell oggetto dal punto di fissazione Ci procura due tipi di informazione Segno Piu lontano che il punto di fuoco -> disparita non crociata Più vicino che il punto di fuoco -> disparita crociata Ampiezza Grandi differenze in profondità -> disparita grandi Piccole differenze in profondità -> disparita piccole Disparità Può esistere la disparità zero? Sì Oroptero: piano immaginario i i dove ciascun oggetto sul piano fa cadere immagini su parti corrispondenti nei due occhi. Include naturalmente il punto di fissazione. Gli oggetti che hanno la stessa distanza dall osservatore del punto di fissazione hanno disparità zero Gli oggetti sull Oroptero proiettano immagini su punti corrispondenti dei due occhi Oroptero Mettendo a fuoco un oggetto ad una data profondità, posizionate i vostri occhi in modo che l immagine prodotto su entrambe le retine corrisponda (i.e., disparità zero). L Oroptero è la superficie 3D immaginaria che si estende da questo oggetto per includere tutti gli altri punti in cui le immagini cadono su posti corrispondenti in entrambi gli occhi. Punti corrispondenti Gli oggetti che cadono sullo stesso punto in ogni occhio cadono su punti corrispondenti Qualsiasi cosa che cade sull Oroptero cadrà su punti corrispondenti Area 17 nel lobo occipitale ospita detettori di punti corrispondenti Cellule singole che rispondono solo quanto corrispondono C è un unica immagine limpida di cui vi rendete conto consciamente 21

Oroptero Oroptero Disparità non crociata: un oggetto più lontano che quelli sull Oroptero ha disparità non crociata avete bisogno di disincrociare i vostri occhi per fissarlo. Disparità crociata: un oggetto più vicino che quelli sull Oroptero ha disparità crociata avete bisogno di incrociare i vostri occhi per fissarlo. Tutti gli oggetti che cadono sull Oroptero saranno percepiti alla stessa distanza dall osservatore Oroptero Oroptero 22

Disparità crociata Disparità non crociata Punti disparati Gli oggetti più vicini o più lontani di quelli sull Oroptero cadono su posizioni i i diverse nei due occhi Area 18 nel lobo occipitale detettori di disparità Cellule singole che rispondono a quantità specifiche di disparità Base della percezione della profondità Le immagini doppie non sono percepite consciamente Utilità della stereopsi E indispensabile per localizzare con estrema precisione i la posizione i degli oggetti a distanze ravvicinate (spazio manipolatorio). Infilare un ago chiudendo un occhio Far toccare le punte di due penne tendendo le braccia e chiudendo un occhio A parte questo fatto innegabile, la stereopsi riveste un ruolo abbastanza marginale nella percezione della profondità dove invece dominano gli indici pittorici 23

Stereogrammi etc. Stereoscpio di Wheatstone(1838) Le persone sono sempre rimaste affascinate con la creazione artificiale di percetti 3D. Lo stereoscpio di Wheatstone (1838) è stato il primo esempio. Presentava un immagine per ogni occhio. Le immagini differivano come differirebbero se noi stessimo guardando invece che una fotografia un oggetto 3D (stereogrammi). Aggiungendo artificialmente disparità alle due immagini, guardando attraverso lo stereoscopio si vedono oggetti in profondità. Tecnica alternativa: i filtri colorati e anaglifi rosso-verde Alcuni sono capaci di fondere gli stereogrammi senza ausili. Anaglifi rosso-verde Tecnica usata nei vecchi film 3D: Indossando occhiali con filtri rosso/verde, si possono sovrapporre una immagine rossa e una verde sullo schermo ma si presentano due diverse immagini a ciascun occhio. Se le due immagini differiscono in modo appropriato possono produrre la percezione di profondità. Problema: non si può utilizzare il colore con questa tecnologia. 24

Esempio Guardando quest immagine utilizzando occhiali con filtri rosso-verde (rosso sull occhio destro) vedrete un quadrato che galleggia di fronte allo sfondo. Stereo Vision and Depth Perception Anaglyph Method Invertendo gli occhiali in modo che ora il filtro verde sia sopra l occhio destro il quadrato apparirà dietro lo sfondo. Invertendo le lenti, avete invertito la disparità: nel primo caso il quadrato aveva disparità crociata nel secondo non crociata Stereo Vision and Depth Perception Anaglyph Method Stereo Vision and Depth Perception Anaglyph Method 25

Stereo Vision and Depth Perception Anaglyph Random Dot Stereogram Correlogrammi di Bela Julez (1928-2003) Si basano sulla stereopsi e sulle capacità del sistema visivo di estrarre una correlazione tra gli elementi dell immagine: una regolarità estratta dall immagine viene tradotta in una esperienza percettiva. Negli anni 60, Julesz sviluppo i random dot stereograms. Ciascun occhio vede solo un insieme di puntini distribuiti random nello spazio. Quando l informazione tra i due occhi viene combinata, l osservatore vede profondità e questa profondità definisce una forma In questo caso la percezione della profondità precede la percezione della forma. Random dot stereograms Per fondere gli stereogrammi è tenere il dito tra gli occhi e lo stereogramma. Fissando il sito si vedranno immagini multiple dello stereogramma. Poi dovrete muovere il dito finché le immagini fondono. Ci siete riusciti quando: Vedete un quadrato galleggiare sopra la superficie Avete un immagine i monoculare fantasma ad entrambi i lati dell immagine stereo. Se questa strategia non funziona provate ad utilizzare una pezzo di plastica tra voi e l immagine. 26

Autostereogrammi Combinano due immagini leggermente diverse nella stessa regione nascondendole in distribuzioni ripetitive. Se avete problemi a vedere queste immagini provate ad avvicinarvi all immagine così da non riuscire più a fondere (i.e., cioè a vedere doppio). Ora provate a fare in modo che le due immagini coincidano. Quindi spostatevi lentamente indietro cercando di tenerle insieme. Un paio di tentativi dovrebbero aiutarvi. 27

Autostereogrammi Autostereogrammi Conosciuti anche come "magic eye" 28

Autostereogrammi Stereogrammi aleatori: il problema della corrispondenza Negli stereogrammi non si percepisce mai una forma da sola. Il percetto della forma segue sempre il percetto della profondità. MA se non c è una forma percepita in visione monoculare come sa il nostro sistema visivo che cosa associare? La risposta è complessa, ma sappiamo che: La frequenza spaziale ha un forte ruolo nel risolvere questo problema Abbiamo bisogno di sovrapposizione di informazione contenuta a varie frequenze spaziali nei due occhi per vedere stereo Quando l informazione nei sue occhi è in conflitto, vediamo rivalità binoculare The Correspondence Problem (Part 2) Rivalità binoculare Un esempio di quando il sistema visivo non può risolvere il problema della corrispondenza. Nella rivalità, immagini molto diverse sono presentate a ciascun occhio. Invece di mescolare, l immagine di un occhio domina per un pò e poi l immagine dell altro occhio domina. Ci sono delle mescolanze durante i periodi di transizione. 29

Tong, Nakayama, Vaughan, Kanwisher (1998). Binocular Rivalry and Visual Awareness in Human Extrastriate Cortex. Neuron, 21, 753-59. Cos è la causa del movimento? Motion Perception Positions across retina Orientation Positions across retina Orientation 30

Possibili cause Quattro possibilità Movimento attraverso la retina Oggetto in movimento o occhi in movimento? Occhi in movimenti-> scarica corollaria Inseguimento di un oggetto o solo guardarsi in giro? Movimento della testa Movimento del corpo Occhi in movimento: No Sì Mondo in movimento: No Static Vision Eye/Body movement Sì Retinal Motion Tracking Che cos è il movimento? Movimento apparente Cambio di posizione nel tempo Si distinguono direzione i e velocità Il calcolo del movimento reale non e semplice Lo stesso evento fisico può essere interpretato come movimenti diversi 31

Che cos è il movimento? Cambio di posizione nel tempo Si distinguono direzione i e velocità Il calcolo del movimento reale non e semplice Lo stesso evento fisico può essere interpretato come movimenti diversi Due forme di indeterminazione cinematica Problema dell apertura Problema della corrispondenza Ambiguità Il nostro sistema visivo interpreta l informazione che riceve. L informazione non implica un movimento univoco, l immagine e gravata da indeterminazione cinematica L interpretazione può essere ambigua Movimento indotto Spiegato dal principio di organizzazione percettiva chiamato separazione di sistemi Secondo Wallach dipende dalla coesistenza di piu meccanismi per l analisi dei cambiamenti ottici: I movimenti relativi si distribuiscono in funzione di principi configurazionali 32

Organizzazione delle traiettorie Problema dell apertura Problema dell apertura Problema dell apertura 33

Problema dell apertura : soluzioni Combinare il movimento locale applicando vincoli: Usare punti terminali che non sono ambigui Usare l 'Intersezione dei vincoli' Problema della corrispondenza: soluzioni Combinare i movimenti locali applicando I vincoli: Somiglianza e percorso più breve Continuità e raggruppamento Vincoli più forti p.e. plausibilità Tipi di movimento Movimento apparente 1. Semplice traslazione: lancio di una palla. 2. Movimenti i complessi: strada affolata movimento locale e globale. 3. Movimento apparente:flash successivi, TV. 4. Effetti postumi del movimento: effetto cascata. 5. Struttura dal movimento: animali ben camuffati. 6. Movimento indotto: treno in movimento 7. Movimenti oculari:immagine cambia, il mondo è stazionario 34

Effetti postumi del movimento Movimento illusorio Filmato La forma non è influenzata Adattamento al movimento è indipendente dalla forma Sistemi separati per il movimento e per la forma! Movimento illusorio Utilizzo dell informazione di movimento Velocità relativa dell osservatore e dell ambiente Direzione del movimento, tempo per la collisione Segmentazione della figura dallo sfondo disruption of camouflage techniques Recupero dei parametri 3D Parallasse del movimetno (3D depth) Profondità cinetica (3D shape) Identificazione dell oggetto humans, friend/foe 35

Movimento dell osservatore L informazione derivata dalla visione è la guida principale delle nostre azioni; la percezione del movimento è centrale in modo particolare per i nostri movimenti attraverso il mondo. Il flusso ottico e la direzione del movimento dell osservatore: un idea originariamente descritta da JJ Gibson, il campo del flusso ottico è una rappresentazione della direzione e della velocità del movimento relativo all osservatore. Flusso ottico Centre of expansion ------> = direction of heading Flusso ottico Filmato Evitare collisioni Mantenere l equilibrio Ricostruire la forma 3- dimensionale Le retine raccolgono una proiezione bidimensionale del mondo La profondità è persa Usiamo il movimento per recuperare una parte di questa informazione Informazione diversa da punti di vista diversi combinati in un singolo modello 3D Due metodi: Parallasse del movimento Profondità cinetica 36