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Luz y sistema visual humano

Fundamentos de procesamiento de imágenes IIC / IEE 3713

1er semestre 2011

Cristián Tejos

Basado en material desarrollado por Marcelo Guarini, Domingo Mery, libro Digital Image Processing, 3erd Edition, R. Gonzalez y R. Woods, y wikipedia

Índice

•  Conceptos básicos sobre la luz

•  Conceptos básicos sobre el sistema visual humano y percepción visual

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Luz

Modelo corpuscular (Isaac Newton siglos XVII y XVIII):

–  la luz está compuesta por corpúsculos o partículas luminosas, las que se propagan en línea recta y pueden atravesar medios trasparentes o ser reflejados por elementos opacos

–  Modelo explica la propagación, reflexión y refracción de la luz

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Luz

Refracción: La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual a la razón entre la velocidad de la onda en el primer medio y la velocidad de la onda en el segundo medio

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Luz

Refrexión: El cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial

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Luz

Modelo ondulatorio (Christiaan Huygens siglo XVII):

–  la luz corresponde a un movimiento ondulatorio –  Modelo explica interferencia y difracción de la luz

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Luz

Interferencia: cuando dos o más ondas interactúal y generan un nuevo patron de onda de mayor amplitud (interferencia constructiva) o menos amplitid (interferencia destructiva)

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Luz

Difracción: dispersión y curvado de las ondas cuando encuentran un obstáculo

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Luz

Teorías electromagnéticas clásicas no podían explicar el efecto fotoeléctrico: emisión de electrones en algunos metales o semiconductores irradiados por luz (descubierto por Hertz 1887 y explicado por Einstein 1905, basándose en ideas de Plank)

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e-

Luz

e- e-

p

Luz

Teorías cuántica:

•  Tratan de describir el carácter ondulatorio electromagnético de la luz, con la naturaleza corpuscular de los fotones

•  Aún estamos lejos de dar un tratamiento unificado satisfactorio

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Luz visible

El espectro visible al sistema visual humano está entre la longitudes de onda de 380 nm (violeta) hasta 780 nm (rojo)

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Luz y espectro electromagnético

En una onda electromagnética, la longitud de onda ( ) está relacionada con la frecuencia ( ) y energía (E) a través de las siguientes funciones

Donde c es la velocidad de propagación de la luz y h es la constante de Plank

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Sistema Visual Humano: El ojo

Formación de imágenes en el ojo

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Esquema simplificado de un ojo

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Conos: - visión diurna, sensibilidad al color - fovea (1.5 x 1.5 mm) - 6 a 7 millones - 150.000 conos/mm^2 Bastones: - visión nocturna, sensibilidad a los grises (azul) - resto del área de la retina - 15 a 150 millones.


Características biológicas y funcionales del ojo:

•  Lubricación y limpieza por parpadeo •  Autofoco muy rápido desde 20 cm •  Rango dinámico efectivo gigantesco mediante adaptación (1010) •  Apertura automática (iris) •  Autoreparación: elimina defectos como rayones •  Presión interna de 15 mmHg para mantener la forma •  Bien protegido: rodeado de huesos y montado sobre grasa •  Flexibilidad de movimiento

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Desperfectos: Miopía e Hipermetropía

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Desperfectos: Astigmatismo

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Desperfectos: Presbicia

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Distribución de conos y bastones

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5 millions 100 millions


Distribución de conos y bastones

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Comparación de conos y bastones

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Sistema Visual Humano: Corteza visual

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Sistema Visual Humano: Sensibilidad a la luz

Visión fotópica, mesópica y escotópica

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Daltonismo

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Si no aprecias el 8, el 17 y el 0, es que tienes un daltonismo bastante común: la confusión del rojo con el verde, en distintos grados de intensidad. Si no percibes el número 12, es porque tienes una ceguera total al rojo

Percepción visual: Tonos de Gris

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 2 4 6 8 10 12

Percepción visual: Ejemplos

Fuente: Maturana, H.; Varela, F. : El árbol del conocimiento, Editorial Universitaria, Santiago de Chile, 16º Edición, 2002.

El gris de ambas figuras es el mismo, sin embargo en la figura derecha se ve un poco rosado.


El gris del cuadro central de las cuatro figuras es el mismo, sin embargo aparece distinto por el contraste con el entorno.

Fuente: Gonzalez, R.C., Woods, R.E.: Tratamiento Digital de Imágenes, Addison-Wesley Publishing Co, Reading, Washington, 1996.


El gris del cuadro A es el mismo que el del cuadro B.


Los cuadrados internos tienen el mismo gris.


El circulo tiene siempre el mismo gris.

Percepción visual: Tonos de Gris y frecuencia espacial

Percepción visual: Ejercicio

Fuente: Maturana, H.; Varela, F. : El árbol del conocimiento, Editorial Universitaria, Santiago de Chile, 16º Edición, 2002.

En las siguientes láminas, tápese el ojo izquierdo con una mano, ubíquese a unos 40cm de la lámina y fije la vista en la cruz izquierda. Aléjese y acérquese hasta que el círculo negro de la figura desaparezca y el cerebro reconstruye algo en su lugar. En el primer ejemplo, el círculo se elimina, en el segundo es reemplazado por una línea.

Percepción visual: Ejercicio


¿Qué ves aquí?

¿Qué le pasa a esta persona?

Percepción visual

Núcleo Geniculado Lateral Corteza Visual

Conexiones en la senda visual de los mamímeros (modelo clásico)

Fuente: Varela, F.; Thompson, E.; Rosch, E.: De cuerpo presente, Gedisa editorial, Barcelona,1992

100%

Percepción visual

Núcleo Geniculado Lateral Corteza Visual

Conexiones en la senda visual de los mamímeros (modelo nuevo)

Fuente: Varela, F.; Thompson, E.; Rosch, E.: De cuerpo presente, Gedisa editorial, Barcelona,1992

20%

Movimiento ocular

Formación reticular

Colículo superior

Hipotálamo

80%

Percepción visual: Ilusiones Ópticas

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