La percezione dello spazio (1):
indizi monoculari
Corso di Principi e Modelli della Percezione Prof. Giuseppe Boccignone
Dipartimento di Scienze dell’Informazione Università di Milano
boccignone@dsi.unimi.it
http://homes.dsi.unimi.it/~boccignone/GiuseppeBoccignone_webpage/Modelli_Percezione.html
La percezione dello spazio
• Introduzione alla percezione dello spazio
• Da gli indizi monoculari alla percezione dello spazio tridimensionale
• Visione binoculare e stereopsi
• La combinazione di indizi di profondità
• Il mondo fisico risponde alle leggi della geometria euclidea.
• Gli oggetti mantengono la stessa forma e la stessa dimensione quando si muovono per lo spazio
• La somma degli angoli interni di un triangolo è sempre uguale a 180°
• Due linee rette parallele non si incontrano,
• etc…
La percezione dello spazio
• Realismo: Il mondo esterno esiste
• Positivisti: Il mondo dipende dalle
elaborazioni dei nostri organi di senso; esso potrebbe essere a tutti gli effetti una
allucinazione!
• “Cosa è reale? Come definisci cosa è reale?
Se per reale intendi quello che puoi vedere, sentire, toccare, odorare, beh allora la realtà è composta semplicemente da segnali elettrici interpretati dal tuo cervello. Questo è il mondo che tu conosci.” — risposta di Morpheus a Neo in Matrix, 1999
La percezione dello spazio
• La geometria delle immagini del mondo proiettate sulla retina non è euclidea visto che il mondo tridimensionale viene proiettato su una superficie bidimensionale e curva come la retina.
• Per vedere il mondo reale, che risponde a regole di tipo euclideo, il mio sistema visivo deve rielaborare un input.
• Ancora un problema mal posto!
La percezione dello spazio
• E’ geometricamente impossibile per il sistema visivo creare una ricostruzione identica dello spazio euclideo.
• Sulla base delle immagini retiniche possiamo solo avere un’indicazione sulla possibile struttura dello spazio e degli oggetti in esso disposti
• Il problema principale, dunque, è: come fa un osservatore (umano) a percepire lo schema spaziale delle superfici che compongono il suo ambiente, a partire soltanto dalla luce riflessa da queste superfici?
La percezione dello spazio
//problema
• Lo spazio tridimensionale percepito è l’ambiente in cui un individuo agisce.
• Affinché sia possibile avere una percezione spaziale, è necessario che l’ambiente specifichi una certa quantità e un certo tipo di informazione che ilnostro sistema visivo possa percepire.
• Avere percezione dello spazio circostante significa percepire diverse caratteristiche dell’ambiente visibile.
• L’insieme di tali caratteristiche si può definire il nostro schema spaziale.
• dimensioni delle superfici visibili
• la loro distanza,
• la forma
• l’orientamento
La percezione dello spazio //ecologia della percezione
La percezione dello spazio //ecologia della percezione
• Il nostro sistema visivo è interfacciato direttamente con le informazioni specificate dall’ambiente.
• Il sistema visivo procede per inferenze. Le informazioni sono“indizi”.
Gregory (1997).
Gibson 1979, Marr 1982
I predatori hanno occhi frontali (per la visione binoculare) Le prede hanno occhi laterali
(per massimizzare il campo)
La percezione dello spazio //indizi
• Per ricostruire gli aspetti tridimensionali dell’ambiente il sistema visivo fa uso di una serie di indizi di profondità.
• informazioni contenute nell’ambiente circostante.
• Distinguiamo fra:
• Indizi di profondità monoculari.
• Indizi di profondità binoculari.
• Tali indizi si combinano per fornire una rappresentazione coerente dello spazio.
La percezione dello spazio //indizi monoculari
• Indizi di profondità monoculari: non necessitano in linea di principio dell’
informazione proveniente da entrambi gli occhi.
• non significa che in situazioni normali tali indizi non provengano da entrambi gli occhi.
• a) Occlusione
• b) Indizi di grandezza e posizionamento
• c) Prospettiva aerea
• d) Prospettiva lineare
• e) Ombreggiatura
• e) Indizi di movimento (eg: parallasse)
• f) Accomodazione
• Occlusione: Un indizio di
profondità relativo che può essere utilizzato quando un oggetto occlude la visione di un altro oggetto
• Ci dà informazione sull’ordine e la posizione relativa degli oggetti.
• indizio statico, poiché non è necessario che le superfici siano in movimento.
• non-metrico, poiché non ci dice nulla sulla distanza nella terza dimensione
La percezione dello spazio //indizi monoculari: occlusione
• E’ indice di un contorno non visibile.
• Per inferire informazioni sulla profondità il sistema visivo si basa sulle assunzioni circa la forma degli oggetti
• La configurazione che percepiamo è determinata dalla nostra esperienza passata
• Le figure in parte occluse vengono completate in accordo con la frequenza delle forme incontrate in precedenza
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: occlusione
• Indici di grandezza e posizione:
• Grandezza relativa: un confronto della grandezza di due oggetti senza sapere nulla sulla loro grandezza assoluta
• L’immagine retinica formata da un oggetto diventa più piccola più l’oggetto è lontano.
• Sappiamo che gli oggetti piccoli sono più lontani e utilizziamo questo indizio di profondità
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: grandezza relativa
• Normalmente oggetti a distanze diverse dall’osservatore
appoggiati sul terreno, formano immagini ad altezze diverse sulla retina.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: altezza relativa
• Normalmente oggetti a distanze diverse dall’osservatore
appoggiati sul terreno, formano immagini ad altezze diverse sulla retina.
• Gli oggetti più vicini saranno proiettati nella parte bassa del campo visivo.
• Gli oggetti più lontani saranno invece proiettati nella parte più alta del campo visivo.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: altezza relativa
• Gradiente di Tessitura:
cambiamenti SISTEMATICI della forma e della dimensione di piccoli elementi della tessitura.
• Il gradiente di tessitura viene utilizzato dal nostro sistema visivo per percepire la distanza e la profondità.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: gradiente di tessitura
• Gradiente di Tessitura:
cambiamenti SISTEMATICI della forma e della dimensione di piccoli elementi della tessitura.
• Il gradiente di tessitura viene utilizzato dal nostro sistema visivo per percepire la distanza e la profondità.
• ...e anche forma e orientazione
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: gradiente di tessitura
• Altezza Relativa + Grandezza Relativa
• Possono fornire alcune informazioni metriche (relative)
• Conoscenza a priori:
• sappiamo che oggetti della stessa grandezza appaiono più piccoli quando lontani.
• gli oggetti si dispongono solitamente ordinatamente: gli oggetti più grandi in un’area e gli oggetti più piccoli in un’altra
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: combinazioni
• Altezza Relativa + Grandezza Relativa + Gradiente di tessitura
• Il gradiente di tessitura deve combinarsi con la grandezza relativa e con l’altezza relativa per dare una rappresentazione convincente dell’ambiente.
• Nel caso in cui gli indizi entrano in conflitto la rappresentazione dellaprofondità può risultare compromessa
• Conoscenza a priori:
• oggetti della stessa grandezza appaiono più piccoli quando lontani.
• gli oggetti si dispongono solitamente
ordinatamente: gli oggetti più grandi in un’area e gli oggetti più piccoli in un’altra
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: combinazioni
illusione di grandezza
• Si possono ottenere
informazioni sulla profondità avendo una conoscenza a priori della grandezza di un certo oggetto
• Può essere considerato a tutti gli effetti un indice di profondità metrico
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: grandezza familiare
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva aerea
• Un indizio di profondità che si basa sulla conoscenza implicita che l’atmosfera diffonde la luce
• maggiore la quantità di atmosfera tra osservatore e oggetto, maggiore la dispersione della luce
• oggetti più distanti sono soggetti ad una dispersione maggiore e appaiono più sfumati
• Un esempio: la nebbia/
foschia
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva aerea
• Un indizio di profondità che si basa sulla conoscenza implicita che l’atmosfera diffonde la luce
• maggiore la quantità di atmosfera tra osservatore e oggetto, maggiore la dispersione della luce
• oggetti più distanti sono soggetti ad una dispersione maggiore e appaiono più sfumati
• Un esempio: la nebbia/
foschia
• Un indizio di profondità che si basa sulla conoscenza implicita che l’atmosfera diffonde la luce
• maggiore la quantità di atmosfera tra osservatore e oggetto, maggiore la dispersione della luce
• oggetti più distanti sono soggetti ad una
dispersione maggiore e appaiono più sfumati
• Un esempio: la nebbia/
foschia
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva aerea
• Indizio di profondità basato sulla conoscenza che le linee parallele nel mondo 3D sembrano convergere in una immagine 2D
• Punto di fuga: Il punto immaginario dello spazio in cui linee parallele
convergono in profondità
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva lineare
• Indizio di profondità basato sulla conoscenza che le linee parallele nel mondo 3D sembrano convergere in una immagine 2D
• Punto di fuga: Il punto immaginario dello spazio in cui linee parallele
convergono in profondità
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva lineare
• Indizio di profondità basato sulla conoscenza che le linee parallele nel mondo 3D sembrano convergere in una immagine 2D
• Punto di fuga: Il punto immaginario dello spazio in cui linee parallele
convergono in profondità
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva lineare
• Indizio di profondità basato sulla conoscenza che le linee parallele nel mondo 3D sembrano convergere in una immagine 2D
• Punto di fuga: Il punto immaginario dello spazio in cui linee parallele
convergono in profondità
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: prospettiva lineare
• Indizio di profondità basato sulla conoscenza a priori del posizionamento delle luci e delle forme degli oggetti nel mondo 3D, e di come queste si proiettano in una immagine 2D
• Ancora una volta: problema mal posto dovuto alla proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
• Indizio di profondità basato sulla conoscenza a priori del posizionamento delle luci e delle forme degli oggetti nel mondo 3D, e di come queste si proiettano in una immagine 2D
• Ancora una volta: problema mal posto dovuto alla proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
• Indizio di profondità basato sulla conoscenza a priori del posizionamento delle luci e delle forme degli oggetti nel mondo 3D, e di come queste si proiettano in una immagine 2D
• Ancora una volta: problema mal posto dovuto alla proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
• Indizio di profondità basato sulla conoscenza a priori del posizionamento delle luci e delle forme degli oggetti nel mondo 3D, e di come queste si proiettano in una immagine 2D
• Ancora una volta: problema mal posto dovuto alla proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
• Indizio di profondità basato sulla conoscenza a priori del posizionamento delle luci e delle forme degli oggetti nel mondo 3D, e di come queste si proiettano in una immagine 2D
• Ancora una volta: problema mal posto dovuto alla proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
• Indizio di profondità basato sulla conoscenza a priori del posizionamento delle luci e delle forme degli oggetti nel mondo 3D, e di come queste si proiettano in una immagine 2D
• Ancora una volta: problema mal posto dovuto alla proiezione 3D -> 2D
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
[illusione di Todorovic, 2005]
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
[illusione di Todorovic, 2005]
! tre tubi
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
[illusione di Todorovic, 2005]
! due tubi e una superficie incavata
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: luci e ombre
[illusione di Todorovic, 2005]
! tre ondulazioni
• Le trasformazioni dinamiche dell’informazione specificata dall’ambiente dovute al movimento genera nuove fonti di informazione spaziale
• Superfici lontane diventano più vicine,
• Superfici o parti di superfici nascoste diventano visibili
• Parallasse di movimento:
• le immagini di oggetti posti a distanze differenti dall’osservatore si muovono a diverse velocità sulla retina,
• al mutare della posizione dell’osservatore, confronta la differenza fra due immagini retiniche sequenziali
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: movimento
• Parallasse di movimento:
• le immagini di oggetti posti a distanze differenti dall’osservatore si muovono a diverse velocità sulla retina,
• al mutare della posizione dell’osservatore, confronta la differenza fra due immagini retiniche sequenziali
La percezione dello spazio //indizi monoculari: movimento
• Parallasse di movimento:
• le immagini di oggetti posti a distanze differenti dall’osservatore si muovono a diverse velocità sulla retina,
• al mutare della posizione dell’osservatore, confronta la differenza fra due immagini retiniche sequenziali
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: movimento
• Il treno si sposta da sinistra verso destra e gli oggetti del mondo esterno si spostano nella direzione opposta. Alcuni si muovono più di altri.
• Il punto di fissazione non si muove lungo la retina - fovea.
• Il resto del campo visivo si muove con una velocità e in una direzione che dipende dallarelazione di profondità con il punto difissazione
La percezione dello spazio //indizi monoculari: movimento
• Quando l’osservatore si muove lungo una linea retta, il suo movimento produce un
cambiamento nella direzione angolare di molti punti percepiti.
• Questa complessa e continua trasformazione degli stimoli distale e prossimale si chiama flusso ottico.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: movimento e flusso ottico Esempi di Flusso Ottico
Cambiano le direzioni relative, superfici occluse, dimensioni relative, la compressione prospettica.
Non cambiano il gradiente di tessitura, il contatto degli oggetti con il suolo, il punto di fuga.
Alcuni tratti dello schema ottico variano, altri no
• Quando l’osservatore si muove lungo una linea retta, il suo movimento produce un cambiamento nella direzione angolare di molti punti percepiti.
• Questa complessa e continua trasformazione degli stimoli distale e prossimale si chiama flusso ottico.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: movimento e flusso ottico
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: Gunnar Johansonn
La percezione dello spazio //indizi monoculari: movimento
• Quando il filo è immobile viene percepito come bidimensionale.
• Quando il filo ruota lungo il suo asse verticale viene percepito come tridimensionale.
• Il problema è geometricamente indeterminato: potrebbe trattarsi di deformazioni di una forma 2D.
• Il sistema visivo normalmente percepisce questo movimento come il movimento di un corpo rigido 3D.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: Kinetic Depth Effect
• Quando il filo è immobile viene percepito come bidimensionale.
• Quando il filo ruota lungo il suo asse verticale viene percepito come tridimensionale.
• Il problema è geometricamente indeterminato: potrebbe trattarsi di deformazioni di una forma 2D.
• Il sistema visivo normalmente percepisce questo movimento come il movimento di un corpo rigido 3D.
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: accomodazione
• L’accomodazione e la vergenza aiutano l’occhio a percepire la profondità :
• Accomodazione (monoculare):
L’occhio cambia il suo fuoco
• Vergenza (binoculare):
• Convergenza: L’abilità dei due occhi di ruotare verso l’interno (di incrociarsi)
• Divergenza: L’abilità dei due occhi di ruotare verso l’esterno (di riallinearsi)
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: accomodazione
• Accomodazione (monoculare):
• l’occhio cambia il suo fuoco
• processo di variazione dello spessore del cristallino in funzione della distanza di un oggetto
• controllato dai muscoli ciliari
La percezione dello spazio
//indizi monoculari: accomodazione
• Accomodazione (monoculare):
• l’occhio cambia il suo fuoco
• processo di variazione dello spessore del cristallino in funzione della distanza di un oggetto
• controllato dai muscoli ciliari
• La costruzione dell’immagine tridimensionale del mondo partendo da un spazio bidimensionale non Euclideo (come quello in cui si formano le immagini retiniche) è uno dei problemi più fondamentali che il sistema percettivo visivo si trova a dover affrontare
• Come fa il sistema visivo a decidere che cosa si sta effettivamente vedendo?
Quale è l’interpretazione più plausibile?
• Tutti gli indizi di profondità monoculari (e anche binoculari) sono combinati insieme (inconsciamente) in accordo con quelle che sono le nostre conoscenze pregresse (conoscenza a priori).
• Questa è la base dell’approccio Bayesiano
• Da queste estrapoliamo anche la probabilità di occorrenza di un determinato evento ma quando le nostre inferenze risultano errate ecco che si formano le ILLUSIONI!
