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Procesamiento digital de ImágenesIntroduccion
El sistema de Vision HumanaEl sistema de visión humana consiste en un ojo tiene como función convertir la luz en señales neuronales y estas ultimas deberán ser interpretadas por nuestro cerebro.
El ojo tiene una forma aproximadamente esférica de unos 2 cm de diámetro. Desde el punto de vista funcional el ojo recibe la luz ambiente y la dirige hacia la parte trasera del mismo.
Un corte horizontal del ojo muestra su estructura interna.
El sistema de Vision HumanaEn el frente del ojo tenemos la cornea cuya función es refractar la luz. Debido a su forma redondeada actúa como una lente convexa de una cámara. Detrás de la cornea esta el humor acuoso que es un liquido transparente. Siguiendo el camino de la luz sigue el iris . En el centro del mismo se encuentra un pequeño agujero redondo
la pupila. El Iris cambia el diámetro de la pupila de manera de regular la intensidad de luz que ingresa (1.5 a 8mm). Detrás del iris se encuentran las lentes que consisten en una serie de fibras transparentes encastradas en una membrana elástica transparente. Estas lentes tienen una forma biconvexa con un indice de refaccion de 1.4 (mayor que el resto del ojo por donde pasa la luz).
Su función es enfocar la luz sobre una pantalla en la parte trasera del ojo llamada retina. En una cámara de fotos la distancia entre la lente y la pantalla es modificada para enfocar objetos cercanos y lejanos. En el ojo este proceso se logra modificando la forma de las lentes. Este cambio en la forma se lo conoce como acomodación.
El cambio de la forma se realiza mediante los músculos ciliares
Enfoque de la luz de un objeto distante y la luz de un objeto cercano.
2.55 mm
El sistema de Visión HumanaLa distancia entre el centro de la lente y la retina (distancia focal) puede variar entre 17 a 14mm cuando el poder refractivo de la lente va desde su valor mínimo a su valor máximo. Cuando el ojo enfoca un objeto a una distancia superior a 3m la lente exhibe su menor valor refractivo (17mm).Podemos calcular el tamaño de la imagen formada en la retina.
15/100=h /17 => h=2.5mm
El sistema de Visión HumanaDetrás de la lente esta el humor vítreo que es transparente y gelatinoso su función es mantener el enfoque generado en las lentes.
El sistema de Visión HumanaDetrás del humor vítreo esta la retina que ocupa un 65% del globo ocular. La retina es la pantalla que recibe la luz y la convierte en señales neuronales
El sistema de Visión HumanaLa retina esta formada por 2 tipos de células receptoras de luz conos y bastones. Los conos(7 106 ) son menos sensibles a la luz que los bastones su uso primordial es para la visión diurna (photopic) y a su vez para la visión del color. Hay 3 tipos sensibles a la luz monocromática Rojo,Verde,Azul. Los bastones(120 106 ) son mas sensibles a la luz su función primordial es la visión nocturna (scotopic). Dado que los conos son menos sensibles a la luz no vemos color en ambientes oscuros
El sistema de Visión HumanaLos conos y bastones se encuentran en toda la retina pero su distribución no es uniforme. Existe una región justo frente a la pupila llamada fovea acá no hay bastones y por lo tanto esta región resulta ser la de mayor precisión visual para objetos brillantes.
El sistema de Visión HumanaFenómenos Visuales
Ley de Weber
Iconstant I I
II
I 0 (log I) constantI
dd
El sistema de Visión HumanaFenómenos Visuales
Ley de Weber
Pequeños cambios son mas visibles en baja intensidad
El sistema de Visión HumanaFenómenos Visuales
Adaptación
Pequeños cambios son mas visibles en baja intensidad
El sistema de Visión HumanaFenómenos Visuales
Adaptación
Cuando I0 = I el resultado es el mismo que se obtuvo en el experimento previo. Pero cuando son diferentes I se incrementa respecto al caso anterior(I0=I). Esto nos indica que la sensibilidad del observador decrece.
El sistema de Visión HumanaFenómenos Visuales
Bandas de Mach
El sistema de Visión HumanaFenómenos Visuales
Bandas de Mach
El sistema de Visión HumanaFenómenos Visuales
Bandas de Mach
El sistema de Visión HumanaFenómenos VisualesContraste simultaneo
El brillo percibido en una imagen no solo depende de su intensidad. En la siguiente figura los cuadrados centrales tienen la misma intensidad sin embargo a medida que el fondo se hace mas brillante la intensidad del cuadrado se percibe mas oscuro.
El sistema de Visión HumanaFenómenos Visuales
Ilusiones ópticas
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
Resolución es la habilidad que tiene el ojo de separar dos pixeles adyacentes. El concepto de resolución espacial esta relacionado con el concepto de frecuencia espacial.
La frecuencia espacial nos dice que tan rápido cambia en el espacio. En la figura siguiente podemos ver una señal que cambia entre dos valores de brillo. En la medida que las franjas se acercan entre si aumenta la frecuencia espacial llegando a un punto donde se fusionan.
Space
Brightness
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
En la medida que nos alejamos del objeto perdemos resolución, es decir que la distancia al objeto es un factor que influye en la resolución.
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
Campo visual en grados
Podemos independizarnos de la distancia si definimos la frecuencia espacial en como ciclos por grado.
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
Se puede observar que nuestra visión es mas sensible al contraste en frecuencias medias.
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
La agudeza visual máxima es de 1/60 grados esto surge del hecho de que un campo visual de un grado (60’) se proyecta sobre la retina formando una linea que abarca 120 conos (288um) y por lo tanto si tenemos un patrón alternado (blanco-negro) de mas de 120 líneas solo veremos una línea gris. Podemos entonces determinar X/2 dada la distancia d esto es:
X/2=d tg(θ/2) con θ=1/60Ej: Si tuviésemos un monitor “ideal” de computadora a d=50cm entonces X=0.001454 cm
máxima agudeza visual a 50 cm. Es decir que tenemos 60 barras por grado y por lo tanto 30 ciclos/grado. A esta frecuencia el ojo tiene muy atenuada la respuesta en frecuencia.
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
En el ejemplo previo encontrar la agudeza visual (X) sobre la pantalla del monitor cuando la frecuencia espacial es de 10 ciclos /grado.Solución: Dado que la frecuencia se reduce en 3 ahora el valor de X se triplica es decir X=3*0.001454=0.043633cm. Este es el ancho nuevo de cada barra.
Como dato adicional tenemos que como cada ciclo tiene dos barras la distancia cubierta por los 10 ciclos es
D=(2*X)*10= 0.872664cm.
A la distancia actual del monitor (d=50cm) la frecuencia espacial (ciclos/cm) es: 10 ciclos / D = 10 ciclos/ 0.872664 cm
D= 11.45915 ciclos / cm @ d=50cm Nótese que este valor de frecuencia espacial depende de d.
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
TEST: Asumiendo que se esta frente una laptop típica de 1024 x 768 con una pantalla de 15 to 17" mirar la grilla y alejarse de la misma hasta que se vea totalmente gris medir la distancia y usando en el siguiente ábaco la línea roja 1080p. Un buen tamaño de pantalla seria el tamaño dado en el eje horizontal x.
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
Enmascaramiento Espacial
Cuando a una imagen se le agrega ruido en forma uniforme este ultimo es mucho mas visible en las regiones donde el fondo es uniforme que en una región con alto contraste. Este efecto es mucho mas pronunciado que en la ley de Webber. Para visualizar mejor esto consideremos la siguiente imagen
El sistema de Visión HumanaResolución Espacial
Enmascaramiento Espacial
En la figura puede observarse que el ruido es muco menos visible en las regiones donde hay cambios abruptos (edges) que en las regiones con un fondo uniforme. La interpretación de esto se puede hacer considerando la SNR local.Si tomamos la SNR local como la relación de las varianzas de la señal al ruido tenemos que en las zonas de cambios abruptos la señal es mas alta que en el resto como consecuencia la señal enmascara al ruido en estas zonas.Esto se conoce como enmascaramiento espacial y es usado para eliminar el ruido de una imagen filtrando el mismo mediante un filtro espacial pasabajos en las zonas de fondo uniforme que desde ya produce un cierto grado de blurring (borrosidad) mientras que en las zonas con cambios abruptos el filtrado necesario es mucho menos pronunciado debido al efecto del enmascaramiento espacial.
