Percezione del colore

Percezione del colore
Corso di Principi e Modelli della Percezione
Prof. Giuseppe Boccignone
Dipartimento di Scienze dell’Informazione
Università di Milano
[email protected]
http://homes.dsi.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
E(!)
• 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(!)
s(!)
L(!)
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
lunghezza d’onda
(metri)
10-10
10-8
10-6
10-4 10-2
1
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).
102
104
CCT = 6900K
CCT = 5190K
CCT = 3870K
CCT = 2760K
Lo spettro di energia del visibile
//Sorgenti di luce
La riflettanza spettrale
E
R
L
x
R
=
N° fotoni emessi
x
% fotoni riflessi
=
Spettro di
irradiamento
x
Spettro di
riflettanza
=
E
L
N° fotoni riflessi
Spettro di
radianza
La riflettanza spettrale
// inferenza: un problema mal posto
E
R
L
E
N° fotoni emessi
x
R
=
x
% fotoni riflessi
=
100
N° fotoni riflessi
R=?
E=?
Sensibilità spettrale dei sensori (coni)
• Abbiamo modellato il nostro osservatore monocromatico come
Fotorecettori
Irradianza E
dell’immagine
Strati interni
della retina
Segnale
neurale
Mapping Non-Lineare!
Sensibilità spettrale dei sensori
• V(!) è detta
• curva di risposta spettrale dell'occhio umano
• funzione di efficienza luminosa fotopica spettrale relativa
V(!)
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
Coni
Acromatici
Tri-cromatici
Sensibilità elevata
Sensibilità bassa
Alta convergenza
Bassa convergenza
Bassa acuità
Alta acuità
Periferici (15°)
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
• Coni S(hort): Coni che sono particolarmente sensibili a lunghezze d’onda corte.
Massimo assorbimento a 420 nm. Frequenza 5-10% (NO coni blu)
• Coni M(edium): Coni che sono particolarmente sensibili a lunghezze d’onda
medie. Massimo assorbimento a 530 nm. Frequenza ! dei coni rossi (NO coni
verdi)
• Coni L(ong): Coni che sono particolarmente sensibili a lunghezze d’onda lunghe.
Massimo assorbimento a 565 nm. Frequenza 2 volte i coni verdi (NO coni rossi)
Sensibilità spettrale dei sensori
// il livello retinico: visione tricromatica
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.
Sensibilità spettrale dei sensori
// il livello retinico: distribuzione dei coni
L 50.6% M 44.2% S 5.2%
L 75.8% M 20.0% S 4.2%
L:M=1.15
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
!
!
!
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 colori
• 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 colori
• 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 colori
• 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 colori
• 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 colori
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
• 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
giallo esso assorbe il blu e trasmette rosso e
verde (insieme fanno il giallo).
• Un filtro magenta sottrae o assorbe il verde
dalla luce bianca
• Il ciano sottrae o assorbe il rosso dalla luce
bianca
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(!)
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: spazi di colore
• 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 YoungHelmholtz)
• 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?