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
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• Abbiamo modellato il nostro osservatore monocromatico come
• 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
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
• 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 problema dell’univarianza
Sensibilità spettrale dei sensori
// il livello retinico: fotorecettori
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
//Fotorecettori in sintesi
Sensibilità spettrale dei sensori
// il livello retinico: densità dei fotorecettori
• 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 scotopica
• 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: visione tricromatica
Ambiguità risolta!!
Sensibilità spettrale dei sensori
// il livello retinico: risoluzione ambiguità
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.
L 50.6% M 44.2% S 5.2%
L:M=1.15
L 75.8% M 20.0% S 4.2%
L:M=3.79
Roorda e Williams Nature 397, 520 (1999)
Sensibilità spettrale dei sensori
// il livello retinico: distribuzione dei coni
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
output dei coni
conimeccanismo di
gain control
x x x
! ! !
L(!)
Sensibilità spettrale dei sensori
// il livello retinico: modello di visione tricromatica
• 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: luce riflessa da oggetti reali
• 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
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
• 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
Addizione
Sottrazione
Combinazione
dei colori
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: mischiare colori
ciano
magenta
giallo
L’oscilloscopio
(televisione)
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: applicazioni
Visto da vicino il volto dell’uomo è formato da tanti
punti di colore innaturale per una faccia
(tecnica additiva)
Georges Seurat: La Parade
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: applicazioni
• 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
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: mischiare pigmenti
• 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
Addizione
Sottrazione
Combinazione
dei colori
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: mischiare colori
ciano
magenta
giallo
x x x
! ! !
L(!)
xE(!) R(!)
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: mischiare pigmenti
• 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 Young-
Helmholtz)
• 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: spazi di colore
• 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 Maxwell
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
• 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?
Elaborazione del colore
//visione tricromatica: l’osservatore standard CIE