Percezione del colore

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Percezione del colore
Corso di Principi e Modelli della Percezione
Prof. Giuseppe Boccignone
Dipartimento di Informatica
Università di Milano
[email protected]
http://boccignone.di.unimi.it/PMP_2015.html
Percezione del colore: cosa faremo
osservatore
standard CIE
C = R(R) + G(G) + B(B)
Hering
Young
Livello
psicologico
Helmholtz
Spazi percettivi
HSI
Costanza
colore
Newton
Livello
neurofisiologico
?
La percezione del colore
//Principio fondamentale
• Non è una proprietà fisica ma piuttosto
una proprietà psicofisica
E(λ)
• La percezione del colore dipende
inizialmente da 3 fattori:
R(λ)
1.Lo spettro di energia che irradia la
superficie dell’oggetto
s(λ)
L(λ)
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
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
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
102
lunghezza d’onda (nanometri)
CCT = 2760K
CCT = 3870K
CCT = 5190K
CCT = 6900K
Lo spettro di energia del visibile
//Sorgenti di luce
104
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
Fotorece;ori
!!
Irradianza!E!
dell’immagine
!!Strati!interni!
della!retina
!Segnale!!
neurale
Mapping!Non5Lineare!
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
//Il problema dell’univarianza
• I colori non si vedono in una scena con una illuminazione molto debole
//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
// il livello retinico: visione tricromatica
S(hort)
• 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
M(edium) L(ong)
// il livello retinico: risoluzione ambiguità
Ambiguità risolta!!
// 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)
// il livello retinico: modello di visione tricromatica
meccanismo di
gain control
coni
output
dei coni
// il livello retinico: modello di visione tricromatica
L(λ)
x
x
x
∫
∫
∫
Dove siamo arrivati.... Fisiologia del colore
Livello
psicologico
Newton
Livello
neurofisiologico
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
• 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.
• Modello additivo: creazione degli altri colori mediante la combinazione
additiva dei colori primari RGB.
• Es.: R + G = giallo
• se riduco l’intensità del verde mantenendo quella del rosso allora ho un
arancione
//visione tricromatica: RGB
//visione tricromatica: applicazioni
Schermo LCD (Liquid Crystal Display), ovvero schermi
a cristalli liquidi:
- tre colori primari che
costituiscono ogni pixel
I cristalli liquidi non emettono alcuna
luce propria:
- retroilluminazione: vengono utilizzate
delle CCFLs, ossia delle lampade
fluorescenti a catodo freddo (luce
bianca non polarizzata)
Schermo LCD (Liquid Crystal Display), ovvero schermi
a cristalli liquidi:
- tre colori primari che
costituiscono ogni pixel
I cristalli liquidi non emettono alcuna
luce propria:
- retroilluminazione: vengono utilizzate
delle CCFLs, ossia delle lampade
fluorescenti a catodo freddo (luce
bianca non polarizzata)
Schermo LCD a LED (Liquid Crystal Display), ovvero schermi a
cristalli liquidi:
- I LED emettono una luce colorata
utilizzando minore energia e spazio
rispetto alle lampadine tradizionali. Se
utilizzati per la retroilluminazione di uno
schermo LCD possono essere a luce
bianca, ma anche rossa, verde e blu
(LED RGB).
//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
giallo
magenta
Combinazione
dei colori
Addizione
ciano
Sottrazione
• 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 o complementari
E(λ)
R(λ)
x
x
x
x
∫
∫
∫
L(λ)
Dove siamo arrivati.... Teoria tricromatica
Young
Livello
psicologico
Helmholtz
Newton
Livello
neurofisiologico
//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 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.
//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!!!
// 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
//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
• 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?
• Assumendo di osservare una
luce di radianza spettrale Le(λ) i
valori di tristimolo primari CIE
RGB sono
R
G
B
//visione tricromatica: l’osservatore standard CIE
• Trasformazione lineare
dei valori di tristimolo
dell’osservatore
standard CIE
Dove siamo arrivati.... Teoria tricromatica
C = R(R) + G(G) + B(B)
Young
Livello
psicologico
Helmholtz
Newton
Livello
neurofisiologico
Esperimenti di
Maxwell
osservatore
standard CIE
• Abbiamo modellato il nostro osservatore monocromatico come
Fotorece;ori
!!
Irradianza!E!
dell’immagine
!!Strati!interni!
della!retina
!Segnale!!
neurale
• V(λ) è detta • curva di risposta spettrale dell'occhio umano
• funzione di efficienza luminosa fotopica spettrale relativa
V(λ)
V(λ)
• Assumendo di osservare una luce di radianza spettrale Le(λ) i
valori di tristimolo in coordinate CIE X,Y, Z sono
y(λ) =V(λ) luminosità
• Modelliamo il nostro osservatore standard come
Fotorece;ori
!!
Irradianza!E!
proporzionale!
alla!radianza!!L!
dell’immagine
!!Strati!interni!
della!retina
!Segnale!!
neurale
//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
//visione tricromatica: diagramma di cromaticità
• Il gamut di un monitor
Diagramma di
cromaticità x, y
• Modelli tricromatici non percettivi: • Tutti i colori si possono descrivere utilizzando tre dimensioni • Esempio: RGB
//visione tricromatica: modelli percettivi
• Modelli percettivi: Tutti i colori esperiti da una persona con un sistema visivo
normale si possono descrivere utilizzando tre dimensioni:
• Tinta
• Saturazione
• Luminosità
//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
• 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 verderossastro.
• Perché?
//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)
//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
?
//teoria dell’opponenza: il livello retinico
//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
• 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)
S
M-L
M
L-M
L
S-(L+M)
1 stadio (retina)
(L+M)-S
2 stadio (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 proveniente da 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).
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)
Processi opponenti
//spazi di colore
Y Cb Cr
Processi opponenti
//spazi di colore
Y Cb Cr
Processi opponenti
//spazi di colore
CIE Lab
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
• 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.
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
//Land, McCann, McKee, Taylor
//Land, McCann, McKee, Taylor
• Abbiamo visto che il colore dipende dalla sorgente di illuminazione
Macbeth
colour checker
Luce del giorno
Tungsteno
Scrivi per
inserire testo
• Se conosciamo le caratteristiche della sorgente, possiamo correggere
Colore sorgente
Tungsteno
Colour
Correction
• Se non conosciamo le caratteristiche della sorgente, possiamo stimarle
Illuminant
Estimation
?
Colour
Correction
93
//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
//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
//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
Spazi percettivi
HSI
Helmholtz
Costanza
colore
Newton
Livello
neurofisiologico
?
//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
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
• Le cellule a opponenza doppia della corteccia visiva (di scimmia)
rispondono al contrasto di colore tra aree adiacenti del campo visivo.
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 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
Walsh V PNAS 1999;96:13594-13596
osservatore
standard CIE
C = R(R) + G(G) + B(B)
Hering
Young
Livello
psicologico
Helmholtz
Spazi percettivi
HSI
Costanza
colore
Newton
Livello
neurofisiologico
?

Percezione del colore

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