Percepo Visual PTC 2547 Princpios de Televiso Digital

Percepção Visual PTC 2547 – Princípios de Televisão Digital Guido Stolfi – 8/2014 Guido Stolfi 1 / 105

Percepção Visual Elementos de Neurologia: impulsos nervosos Fisiologia do Olho Humano Características da Visão Mecanismo da formação da imagem Percepção de Intensidade e Fator Gama Resolução Espacial Resolução Temporal e Cintilação Percepção de Movimento Percepção de Distância Ilusões Ópticas Guido Stolfi 2 / 105

Estrutura do Olho Humano Guido Stolfi 3 / 105

Estrutura da Retina Guido Stolfi 4 / 105

Características da Retina • 7. 000 de Cones – células sensíveis à intensidade e à cor (visão Fotópica) • 130. 000 de Bastonetes – sensíveis apenas à intensidade (Visão Escotópica) • 1. 000 de fibras nervosas no Nervo Óptico • Fisiologicamente, é uma extensão do córtex cerebral Guido Stolfi 5 / 105

Características da Fóvea • Área central da retina (~2 mm 2), responsável pela Visão Central • Abrange ângulo visual de ~2 graus • Resolução Angular para Luminância: 1 a 2 minutos de grau (1 a 2 mm x 3 metros) • Resolução Angular para Crominância: 5 a 10 minutos de grau • Freqüência Crítica de Cintilação: 40 a 85 Hz Guido Stolfi 6 / 105

Elementos de Neurologia Guido Stolfi 7 / 105

Elementos de Neurologia • Fibras nervosas transmitem impulsos químicos • Potencial elétrico é consequência do impulso químico • Impulsos têm sempre mesma amplitude • Intensidade do estímulo afeta taxa de repetição dos impulsos • Cada fibra nervosa transmite apenas uma qualidade de estímulo Guido Stolfi 8 / 105

Propagação do Impulso Nervoso Na+ K+ K+ K+ Na+ Na K+ Na+ Fibra em repouso: Potencial de – 75 m. V Na+ Na+ K+ K+ K+ Na+ Início do impulso (Paredes da fibra permitem ingresso de Sódio): Potencial de Ação de + 55 m. V Guido Stolfi 9 / 105

Propagação do Impulso Nervoso K+ Na+ + Na Na+ K+ Na+ Na+ K+ K+ K+ Na+ Na+ K+ + K+ Propagação (paredes da fibra tornam-se permeáveis ao potássio): Potencial retorna a – 70 m. V Fim do impulso (paredes tornam-se impermeáveis): Potencial de polarização – 70 m. V Na+ Guido Stolfi 10 / 105

Propagação do Impulso Nervoso Na+ K+ Na+ Na+ Na+ K+ K+ K+ Na+ Na+ Bomba Sódio-Potássio entra em ação (período refratário): Potencial de – 70 m. V K+ + Na K+ K+ K+ Fibra em repouso: Potencial de – 75 m. V Na+ Guido Stolfi 11 / 105

Modelo de um Elemento de Fibra Nervosa g(K) = 20 g(Na)0 = 4 g(Cl) g(Na)P = 500 g(Na)0 Guido Stolfi 12 / 105

Impulsos Nervosos em Células Sensoriais E = 1000 E = 10 E = 0 T Guido Stolfi 13 / 105

Percepção de Diferenças de Intensidade P E = 1000 102 100 E = 0 log T Guido Stolfi 14 / 105

Tipos de Fibras no Nervo Óptico Estímulo Luminoso Células “ON” Células “OFF” Células “ON-OFF” Guido Stolfi 15 / 105

Exemplo de Processamento Neuronal Sinapse Ativa Neurônio 1 Estímulo t Axônio Sinapse Inibidora Gânglio Bipolar Guido Stolfi 16 / 105

Fisiologia do Olho Humano Guido Stolfi 17 / 105

Distribuição das Células na Retina Guido Stolfi 18 / 105

Estrutura da Retina Guido Stolfi 19 / 105

Retina Ocular Guido Stolfi 20 / 105

Pré-processamento da Retina • Agrupamento: várias células contribuem para uma unidade de percepção (ex. : bastonetes) • Inibição Lateral: estímulos locais dessensibilizam células vizinhas (filtro passa-altas espacial) • Inibição temporal: estímulos “ON”, “OFF” (filtro passa-altas temporal) Guido Stolfi 21 / 105

Modelo de Oponentes para Percepção Visual Guido Stolfi 22 / 105

Sensibilidade Espectral da Visão Guido Stolfi 23 / 105

Distribuição de Cones e Bastonetes Guido Stolfi 24 / 105

Distribuição de Cones e Bastonetes Guido Stolfi 25 / 105

Faixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade Guido Stolfi 26 / 105

Adaptação à Luminosidade Guido Stolfi 27 / 105

Sensibilidade da Visão para Diferenças de Cromaticidade Guido Stolfi 28 / 105

Mecanismo de Construção da Visão Guido Stolfi 29 / 105

Musculatura do Globo Ocular Guido Stolfi 30 / 105

Movimentos Sacádicos Guido Stolfi 31 / 105

Movimentos Sacádicos Guido Stolfi 32 / 105

Movimentos Sacádicos Guido Stolfi 33 / 105

Mecanismo de Formação da Imagem A 1 2 3 6 5 4 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t 50 ms Guido Stolfi 34 / 105

Percepção de Intensidade Guido Stolfi 35 / 105

Lei de Weber para Percepção Sensorial Y Y+ Y Diferença Apenas Perceptível de Brilho Guido Stolfi 36 / 105

Fração de Weber Guido Stolfi 37 / 105

Limiar de Percepção Sensorial P 102 100 log T Guido Stolfi 38 / 105

Faixa Dinâmica de Percepção de Luminosidade (Geral e Local) Guido Stolfi 39 / 105

Sensação de Brilho em Torno de um Ponto de Acomodação L* = “Lightness” Guido Stolfi 40 / 105

Correção Gama ( = 2, 2 ) Guido Stolfi 41 / 105

Efeito da Não-linearidade do TRC Guido Stolfi 42 / 105

Ruído Aditivo e Correção Gama = 0 Original = 2, 2 Guido Stolfi 43 / 105

Exemplo: Sistema sem Correção Gama Escala uniforme de intensidades aparentes (“Lightness”) Guido Stolfi 44 / 105

Exemplo: Sistema sem Correção Gama Luminância correspondente à escala uniforme Guido Stolfi 45 / 105

Exemplo: Sistema sem Correção Gama Sinal proporcional à Luminância sujeito a ruído aditivo Guido Stolfi 46 / 105

Exemplo: Sistema sem Correção Gama Percepção visual do sinal sujeito a ruído aditivo Guido Stolfi 47 / 105

Exemplo: Sistema com Correção Gama Escala uniforme de intensidades aparentes (“Lightness”) Guido Stolfi 48 / 105

Exemplo: Sistema com Correção Gama Sinal proporcional à Luminosidade aparente, com ruído aditivo Guido Stolfi 49 / 105

Exemplo: Sistema com Correção Gama Luminância reconstruída a partir do sinal com ruído Guido Stolfi 50 / 105

Exemplo: Sistema com Correção Gama Percepção visual final do sinal sujeito a ruído aditivo Guido Stolfi 51 / 105

Resolução Espacial Guido Stolfi 52 / 105

Resolução Espacial da Visão Guido Stolfi 53 / 105

Bandas de Mach Guido Stolfi 54 / 105

Carta de Campbell Guido Stolfi 55 / 105

Freqüências Relevantes na Visão 4, 2 mm = 1, 2 ciclos/grau 1, 5 mm = 3, 5 ciclos/grau 0, 15 mm = 17 ciclos/grau 0, 35 mm = 7, 5 ciclos/grau 1, 2 mm = 4, 3 ciclos/grau ( d = 300 mm ) Guido Stolfi 56 / 105

Freqüências Relevantes na Visão Caracteres Linhas de Texto Elementos gráficos Guido Stolfi 57 / 105

Resolução Temporal e Cintilação Guido Stolfi 58 / 105

Percepção de Cintilação Guido Stolfi 59 / 105

Mecanismo de Formação da Imagem 1 2 1 3 2 4 3 5 6 6 5 4 7 7 8 9 10 10 Guido Stolfi 60 / 105

Sensibilidade à Cintilação de Detalhes Guido Stolfi 61 / 105

Diâmetro da Pupila x Luminosidade Ambiente Guido Stolfi 62 / 105

Luminância x Cintilação Luminância da Tela (Nits) 10 Área da Pupila (mm 2) 300 10. 75 19. 63 9. 08 15. 21 8. 04 11. 34 7. 07 9. 62 1000 6. 16 3000 4. 52 30 10000 3. 14 Iluminamento Retinal (Trolands) Freqüência Crítica p/ 10 o (Hz) 215 392 48. 4 54. 4 60. 6 66. 9 544 912 57. 6 62. 8 70. 2 75. 5 1608 2268 68. 9 71. 9 81. 8 84. 9 4242 5772 78. 2 81. 3 91. 4 94. 6 12320 88. 9 102. 4 27120 96. 7 110. 5 62800 105. 1 Freqüência Crítica p/ 70 o (Hz) 119. 2 Relação entre Luminância da Tela de Monitores de Vídeo e Freqüências Críticas de Cintilação, para 95% da População (ISO/TC 159/1987) - Campos de Visão de 10 e 70 graus Guido Stolfi 63 / 105

Questão Polêmica • Cintilação de 60 Hz é responsável pelo sucesso da Televisão? Guido Stolfi 64 / 105

Percepção de Movimento Guido Stolfi 65 / 105

Percepção de Movimento Retinal – Imagem do objeto se move em relação à retina – Sujeita às características temporais da visão – Baixa definição espacial, visão periférica • Rastreamento Ocular – Olho acompanha a trajetória do objeto – Sujeita às características espaciais da visão – Alta definição espacial, visão central Guido Stolfi 66 / 105

Movimento Retinal e Rastreamento Ocular Guido Stolfi 67 / 105

Mecanismos de Compensação do Movimento Ocular Movimento ocular Comando motor Sensores + Informação bruta + Informação compensada Guido Stolfi 68 / 105

Percepção de Distância Guido Stolfi 69 / 105

Mecanismos de Percepção de Distância • • • Foco Ocular (Acomodação) Visão Binocular (Disparidade) Paralaxe de Movimento Fator de Escala Texturas e Saturação Guido Stolfi 70 / 105

Foco Ocular (Acomodação) • Informação intensa para curtas distâncias (< 1 m) Guido Stolfi 71 / 105

Visão Binocular (Disparidade) • Informação fortíssima para curtas distâncias (dentro do alcance físico); decresce até distâncias médias (< 100 m) Guido Stolfi 72 / 105

Paralaxe de Movimento • Depende da amplitude do movimento; em condições de visualização normal é intensa para distâncias curtas (< 10 m) Guido Stolfi 73 / 105

Fator de Escala • Forte para qualquer distância (centímetros a quilômetros); depende de aprendizado 1 m 500 m Guido Stolfi 74 / 105

Texturas / Saturação • Estimativa razoável para distâncias longas (até vários km) Muito longe Longe Perto Guido Stolfi 75 / 105

Diferenças na Percepção de Distâncias 0, 5 m 2, 5 m Guido Stolfi 76 / 105

Compensação da Distorção de Perspectiva A B C Guido Stolfi 77 / 105

Distorção de Perspectiva A B, C Guido Stolfi 78 / 105

Questão Polêmica • A Televisão do Futuro será em 3 dimensões? Guido Stolfi 79 / 105

Televisão 3 D • Hipótese: a disparidade (visão binocular) é o processo fundamental de determinação de distância. • Método: cada olho recebe uma imagem diferente • Tecnologias mais comuns: – Óculos e tela com polarização – Óculos com obturador sequencial sincronizado – Auto-esteroscopia Guido Stolfi 80 / 105

Televisão 3 D D E p di t x Guido Stolfi 81 / 105

Televisão 3 D • p = paralaxe na tela da TV • di = distância interocular (~ 62 mm) • x, t = distância do objeto e da tela ao observador • p = 0 objeto está na distância t (sobre a tela) • p = di objeto está no infinito • p < 0 objeto entre a tela e o observador ( x < t ) Guido Stolfi 82 / 105

Televisão 3 D 10 100 0 10 -20 1 -30 -40 0. 1 -50 0. 1 1 10 100 Paralaxe p na tela (mm) em função da distância x do objeto (t = 3 m) 0. 1 1 10 100 Distância percebida x’ (m) em função da distância x do objeto (t = 3 m) Guido Stolfi 83 / 105

Televisão 3 D 100 10 10 t = 3 m 50" t = 1, 5 m 30" t = 6 m 1 80" 1 0. 1 1 10 Efeito da variação da distância t do observador 100 0. 1 1 10 100 Efeito da variação do tamanho da tela (em referência a 50”) Guido Stolfi 84 / 105

Televisão 3 D • Hipótese revisada: Paralaxe de Movimento é o mecanismo que calibra a percepção de distância • Métodos que não iludem a Paralaxe de Movimento provocam conflitos perceptuais no cérebro • 3 D no Cinema é aceitável devido à distância entre a tela e o espectador Guido Stolfi 85 / 105

Televisão 3 D • Televisão e Cinema sempre foram 3 D: – Texturas e Saturação – Fator de Escala – Paralaxe de Movimento ( !! ) Guido Stolfi 86 / 105

E a Convergência? • “Dentro de 3 anos não teremos mais aparelhos de TV, apenas computadores com telas de alta qualidade e programação digital, recebendo ABC, NBC, HBO, BBC e qualquer coisa que pudermos imaginar. ” (Andrew Lippman – Diretor, MIT Media Lab - 1989) Guido Stolfi 87 / 105

PC x TV Digital: Elementos Comuns • • “Display” (Cinescópio, LCD etc. ) Processamento Digital Som Controle (“data entry”) Guido Stolfi 88 / 105

PC x TV Digital: Elementos Divergentes • Televisão: Janela para o mundo – – – Imagens reais Entretenimento Ilusão de realidade Receptividade Coletividade Escuro • PC: Mesa de Trabalho – – – – Imagens artificiais Leitura / escrita Criação / desenho Interação Interpretação Individualidade Claro Guido Stolfi 89 / 105

Interatividade • • Manipulação de Documentos e ideias Interatividade, análise e criação de informação textual e visual Distâncias e luminâncias uniformes Metáfora: Mesa de Trabalho Guido Stolfi 90 / 105

Entretenimento Audiovisual • Percepção de realidade virtual obtida através da ilusão dos sentidos (visão e audição), através de imagens em movimento • Iluminação reduzida, ausência de referencias espaciais • Metáfora: Janela para o Mundo Guido Stolfi 91 / 105

Ilusões Ópticas Guido Stolfi 92 / 105

Ilusões Ópticas (Visuais) • Quando a percepção entra em contradição com a realidade física • Estudo dos mecanismos da percepção visual • Ilusões fisiológicas (intrínsecas) e cognitivas (culturais) • Teste de hipóteses Guido Stolfi 93 / 105

Irregularidades do Campo Visual Guido Stolfi 94 / 105

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Ilusão de Muller-Lyers Guido Stolfi 96 / 105

Ilusão de Muller-Lyers Guido Stolfi 97 / 105

Mesas de Shepard Guido Stolfi 98 / 105

Justificativa da Ilusão de Muller-Lyers Guido Stolfi 99 / 105

Cultura “Circular” Guido Stolfi 100 / 105

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Verde Vermelho Preto Branco Marrom Azul Amarelo Roxo Guido Stolfi 103 / 105

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