Percezione del colore

Percezione del colore (2)
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
Dove siamo arrivati....
Livello
psicologico
Livello
neurofisiologico
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
• Assumendo di osservare una luce di radianza spettrale Le(!) i
valori di tristimolo in coordinate CIE X,Y, Z sono
• cosa sono queste curve?
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: l’osservatore standard CIE
• Abbiamo modellato il nostro osservatore monocromatico come
Fotorecettori
Irradianza E
dell’immagine
Strati interni
della retina
Segnale
neurale
Mapping Non-Lineare!
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: l’osservatore standard CIE
• V(!) è detta
• curva di risposta spettrale dell'occhio umano
• funzione di efficienza luminosa fotopica spettrale relativa
V(!)
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
y(!) =V(!) luminosità
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: l’osservatore standard CIE
• Modelliamo il nostro osservatore standard come
Fotorecettori
Irradianza E
proporzionale
alla radianza L
dell’immagine
Strati interni
della retina
Segnale
neurale
Mapping Non-Lineare!
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: l’osservatore standard CIE
• I valori di tristimolo
dell’osservatore
standard CIE sono
lontani dalla risposta
spettrale reale dei coni
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
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: diagramma di cromaticità
• 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: RGB
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
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: spazi di colore HSI (HSV)
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: spazi di colore HSI (HSV)
• Trasformazione non lineare
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
verde-rossastro.
• Perché?
Elaborazione del colore
//teoria dell’opponenza
• Teoria dell’opponenza cromatica: ha preso
vita dall’intuizione di Ewald Hering
(1834-1918) 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
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
Elaborazione del colore
//teoria dell’opponenza: il livello retinico
Dalla retina a NGL
• Vie parvo- e magno- cellulare
Elaborazione del colore
//teoria dell’opponenza: il livello NGL
Classe M (cellule A o P") 10%
Classe P (cellule B o P#) 90%
-non sono selettive per le lunghezze
d’onda
-sono selettive per le basse frequenze
spaziali
-hanno una risposta transiente (fasica)
-hanno una maggiore velocità di
conduzione
-campo dendritico largo
-sono selettive per le lunghezze d’onda
-sono selettive per le alte frequenze
spaziali (dettagli)
-hanno una risposta lenta e sostenuta
(tonica)
-campo dendritico più stretto
Alta convergenza
Strati magnocellulari del NGL
Analisi di movimento
Bassa convergenza
Strati parvocellulari del NGL
Analisi di forme e colore
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
• 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 provenienteda 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).
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
• -L+M
• -M + L
• C - (M + L)
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
Una cellula RG incrementa l’attività con
stimolazione rossa (R) decrementa l’attività in
risposta la luce verde (G).
Segnala +R-G
Segnalazione opposta: presenza di verde,
assenza di rosso (+G-R).
Elaborazione del colore
//teoria dell’opponenza: il livello NGL
S
M-L
M
L-M
L
S-(L+M)
1 stadio (retina)
(L+M)-S
2 stadio (NGL)
Elaborazione del colore
//teoria dell’opponenza: il livello NGL
1 stadio (retina)
2 stadio (retina+NGL)
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
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)
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
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
• Le costanze percettive come la costanza di luminosità e colore sono
caratteristiche fondamentali per il sistema visivo.
• Parametri quali luminosità, colore sarebbero inutili se variassero in differenti
condizioni di visibilità e di illuminazione
• Il sistema visivo ha quindi sviluppato meccanismi per garantire che le diverse
caratteristiche di un oggetto siano percepitecome costanti in differenti
condizioni
• (tuttavia bisogna essere abbastanza costanti, ma non troppo...)
La costanza del colore
• Una delle più importanti funzioni del sistema visivo è essere in grado di
riconoscere un oggetto in differenti condizioni di visibilità.
• 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.
La costanza del colore
E
R
L
x
R
=
N° fotoni emessi
x
% fotoni riflessi
=
Spettro di
irradiamento
x
Spettro di
riflettanza
=
E
La costanza del colore
L
N° fotoni riflessi
Spettro di
radianza
La costanza del colore
La costanza del colore
La costanza del colore
La costanza del colore
//Land, McCann, McKee, Taylor
La costanza del colore
//Land, McCann, McKee, Taylor
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
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
53
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
La costanza del colore
Le fragole sono ancora
rosse
La costanza del colore
//Bloj, Kersten, Hurlbert
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
Body Reflected
Light
(object colour)
Material surface
Surface Reflected
Light
(light source colour)
Absorption Scattering Colorant
• Esempio il colore della nostra pelle
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
?
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.
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.
Via magnocellulare:
localizzazione e
movimento
(dove)
Vie parvicellulare- blob:
percezione dei colori
e parvicellulare-interblob:
analisi delle forme
(cosa)
Vie binoculari
tridimensionalità
dell’oggetto
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.
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.
Via magnocellulare:
localizzazione e
movimento
(dove)
Vie parvicellulare- blob:
percezione dei colori
e parvicellulare-interblob:
analisi delle forme
(cosa)
Vie binoculari
tridimensionalità
dell’oggetto
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.
Elaborazione del colore
//teoria dell’opponenza: il livello V1
• Vantaggi Maggior selettività al colore
• Esempio: G = V + R
• L’opponente R risponde a G e R
• La doppia opponente solo a R
Elaborazione del colore
//teoria dell’opponenza: un modello al livello V1
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
?
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
Le basi biologiche della costanza del colore
Walsh V PNAS 1999;96:13594-13596
L’area V4 nell’uomo
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
?
L’evoluzione della visione dei colori nei primati
• Tutti i mammiferi non primati studiati finora sono dicromatici.
• Si pensa che il secondo sito genico sul cromosoma X derivi da una
duplicazione genica avvenuta 35-40 milioni di anni fa
• La tricromia e’ un vantaggio nella gran parte delle situazioni
(riconoscimento di frutta matura ecc)
L’evoluzione della visione dei colori nei primati
// a cosa serve il colore?
L’evoluzione della visione dei colori nei primati
// a cosa serve il colore?
• Gli esperimenti sugli animali aiutano a comprendere la visione dei colori negli
umani:
• I fiori mandano avvisi attraverso i colori per le api proponendo uno scambio di
cibo per sesso (per l’impollinazione)
• Alcuni pesci tropicali e i tucani hanno parte del loro corpo vivamente colorata
come segnale sessuale
Ma il colore non basta