Percezione del colore (2)

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Percezione del colore (2)

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

Dove siamo arrivati....

Livello psicologico

Livello neurofisiologico

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Dove siamo arrivati.... Teoria tricromatica

Livello psicologico

C = R(R^{) + G(}G^{) + B(}B⁾

Young

Helmholtz

Newton

osservatore standard CIE

Esperimenti di Maxwell

• 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

(3)

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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(!)

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• Assumendo di osservare una luce di radianza spettrale Le(!) i valori di tristimolo in coordinate CIE X,Y, Z sono

y(!) =V(!) luminosità

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• Modelliamo il nostro osservatore standard come

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• I valori di tristimolo dell’osservatore standard CIE sono lontani dalla risposta spettrale reale dei coni

//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

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• Il gamut di un monitor

Diagramma di cromaticità x, y

• Modelli percettivi: Tutti i colori esperiti da una persona con un sistema visivo normale si possono descrivere utilizzando tre dimensioni:

• Tinta

• Saturazione

• Luminosità

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Elaborazione del colore //visione tricromatica: RGB

• 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

//visione tricromatica: spazi di colore HSI (HSV)

Ogni possibile esperienza

cromatica può essere rappresentata come un punto

in questo spazio tridimensionale

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• Trasformazione non lineare

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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?

• 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

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Elaborazione del colore //teoria dell’opponenza

Dove siamo arrivati.... Teoria degli opponenti

Livello psicologico

C = R(R^{) + G(}G^{) + B(}B⁾

Young

Helmholtz

Newton

Hering

Spazi percettivi HSI

?

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//teoria dell’opponenza: il livello retinico

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Dalla retina a NGL

• Vie parvo- e magnocellulare

Classe M (cellule A o P") 10%

-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

Classe P (cellule B o P#) 90%

-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

Strati magnocellulari del NGL Strati parvocellulari del NGL

Analisi di forme e colore Analisi di movimento

//teoria dell’opponenza: il livello NGL

Alta convergenza Bassa convergenza

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• 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

• 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).

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• Cellula ad opponenza cromatica: un neurone la cui attività è basata sulla differenza fra gruppi di coni

• M - L

• L-M

• -L+M • -M + L

• C - (M + L)

• 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).

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S M

L

M-L L-M S-(L+M) (L+M)-S

1 stadio (retina)

2 stadio (NGL)

1 stadio (retina) 2 stadio (retina+NGL)

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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

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• 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 //post-immagini

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Dove siamo arrivati.... Teoria degli opponenti

Livello psicologico

C = R(R) + G(G) + B(B) Young

Helmholtz

Newton

Hering

Spazi percettivi HSI

Dal laboratorio al mondo

• Alcuni problemi che emergono prepotentemente quando si studiano i colori fuori dal laboratorio:

• La costanza del colore

• La riflettanza

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• 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.

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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

=

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//Land, McCann, McKee, Taylor

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• Abbiamo visto che il colore dipende dalla sorgente di illuminazione

Macbeth colour checker

Luce del giorno Tungsteno

• Se conosciamo le caratteristiche della sorgente, possiamo correggere

Colore sorgente Tungsteno

Colour Correction

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• Se non conosciamo le caratteristiche della sorgente, possiamo stimarle

53

?

Colour Correction Illuminant

Estimation

• 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 //perchè è possibile

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Le fragole sono ancora rosse

La costanza del colore //Bloj, Kersten, Hurlbert

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Surface Reflected Light

(light source colour) Body Reflected

Light

(object colour) Incident

Light

Material surface

Absorption Scattering Colorant

• 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 //perchè è possibile

• Esempio il colore della nostra pelle

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• 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).

La costanza del colore //Teoria retinex (E. Land)

Original image Retinex image

Dove siamo arrivati.... Costanza del colore

Livello psicologico

C = R(R^{) + G(}G^{) + B(}B⁾

Young

Helmholtz

Newton

Hering

Spazi percettivi

HSI Costanza

colore

?

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Via magnocellulare:

localizzazione e movimento (dove)

Vie parvicellulare- blob:

percezione dei colori e parvicellulare-interblob:

analisi delle forme (cosa)

Vie binoculari tridimensionalità dell’oggetto

//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.

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• Le cellule a opponenza doppia della corteccia visiva (di scimmia) rispondono al contrasto di colore tra aree adiacenti del campo visivo.

//teoria dell’opponenza: un modello al livello V1

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Livello psicologico

C = R(R^{) + G(}G^{) + B(}B⁾

Young

Helmholtz

Newton

Hering

Spazi percettivi

HSI Costanza

colore

?

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

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• 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

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Livello psicologico

C = R(R^{) + G(}G^{) + B(}B⁾

Young

Helmholtz

Newton

Hering

Spazi percettivi

HSI Costanza

colore

?

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)

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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

L’evoluzione della visione dei colori nei primati // a cosa serve il colore?

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Ma il colore non basta