Percezione del colore

Percezione del colore

Corso di Principi e Modelli della Percezione

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 del colore

Livello psicologico

Livello neurofisiologico

La percezione del colore

• Non è una proprietà fisica ma piuttosto una proprietà psicofisica

• 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(!)

E(!)

L(!) La percezione del colore

//Principio fondamentale

s(!)

Lo spettro di energia del visibile

Experimentum crucis: Isaac Newton, 1672

Lo spettro di energia del visibile

Lo spettro di energia del visibile

10

10

10

10

10

10

10

1 10

10

lunghezza d’onda (nanometri) lunghezza d’onda

(metri)

Lo spettro di energia del visibile //Sorgenti di luce

Corpo nero

CCT = 6200K

La composizione spettrale delle sorgenti di luce può essere descritta dalla Correlated Colour Temperature (CCT), misurata in Kelvin (K).

Luce Fluorescente

CCT = 2600K

CCT = 2760KCCT = 5190K CCT = 6900KCCT = 3870K

Lo spettro di energia del visibile //Sorgenti di luce

La riflettanza spettrale

E

R

L

E R L

N° fotoni emessi % fotoni riflessi N° fotoni riflessi Spettro di

irradiamento

Spettro di riflettanza

Spettro di radianza

x x

x

=

=

=

La riflettanza spettrale

// inferenza: un problema mal posto

E

R

L

E R 100

N° fotoni emessi x % fotoni riflessi N° fotoni riflessi

x =

=

E=? R=?

Sensibilità spettrale dei sensori (coni)

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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

coni meccanismo 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 (

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(!)

E(!) x 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 L

(!) 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 L

(!) i valori di tristimolo in coordinate CIE X,Y, Z sono

• cosa sono queste curve?

Elaborazione del colore

//visione tricromatica: l’osservatore standard CIE

Dove siamo arrivati.... Teoria tricromatica

Livello psicologico

Livello neurofisiologico

C = R(R^{) + G(}G^{) + B(}B⁾

Young

Helmholtz

Newton

osservatore standard CIE

Esperimenti di Maxwell