Введение в предмет. Принципы восприятия цвета и света человеком Алексей Игнатенко

Введение в предмет.
Принципы восприятия
цвета и света человеком
Алексей Игнатенко
Лекция 1
5 октября 2006
На лекции






Структура курса, баллы и оценки
Задача синтеза изображений
Структура и оптика глаза
Спектральное и темпоральное восприятие
света
Визуальныя явления
Восприятие глубины
Структура курса

Лекционная часть:




Часть 1. Свет и цвет
Часть 2. Моделирование
Часть 3. Методы синтеза изображений
Практическая часть:


Три практических задания
Экзамен-тест
Баллы и оценки

Распределение баллов





Задание 1: 15-35 баллов
Задание 2: 15-35 баллов
Задание 3: 15-35 баллов
Экзамен-тест: 20 баллов
Оценки




5 -- 80 баллов и выше
4 -- 66-79 баллов
3 -- 50-65 баллов
2 -- менее 50 баллов
Задача синтеза изображений


Информационная коммуникация.
Необходимо разработать следующие
модели и алгоритмы:




модель функционирования зрительной
системы и головного мозга
модель переноса световой энергии
геометрическая модель пространства
алгоритм экранизации
Задача синтеза изображений
Знания,
идеи
Текст
Изображение
Модель функционирования
зрительной системы



Для синтеза убедительных изображений нужно понимание
принципов функционирования человеческой зрительной
системы.
Модель этого механизма => генерация изображений,
аналогичных воспринимаемым глазом и мозгом => создание
ощущения полной реалистичности синтезированного
изображения.
Любая зрительная система состоит из двух частей
 оптическая
 чувствительная
Текст
Изображение
Модель переноса световой энергии

Необходимо понять законы распространения света и его
взаимодействия с материалами

 Невозможно передать всю полноту физических законов,
по которым происходит перенос световой энергии в мире

Возможно моделировать только ключевые и существенные
эффекты

Пример
 зная, что основную роль в формировании ощущение глубины
на плоском анимированном изображении играют перспектива
и параллакс и падающие тени, в очередь нужно обратить
внимание на эти эффекты
Геометрическая модель
пространства




Модели зрительной системы и принципов распространения
света не могут функционировать без приложения к модели
интересующей части пространства
Модель содержит информацию о форме и материалах
объектов, оптических свойствах среды и т.п.
Невозможно полностью оцифровать => тип модели
подбирается под конкретную задачу
Пример
 некоторые модели оцифровывают объемы объектов
(воксельные модели), другие хранят информацию только о
поверхности (граничные модели)
Алгоритм экранизации



Методы синтеза изображений моделей трехмерных объектов
(еще называемые методами экранизации) – отдельный
раздел науки
Цель – рассчитать цвет каждой точки финального
изображения в условиях ограниченных вычислительных
мощностей и требуемых характеристик изображения
К процессу экранизации предъявляются противоречивые
требования:
 в одних приложениях требуется максимальная точность
получаемого изображения
 в других можно пожертвовать качеством ради
интерактивности
Что такое свет

Свет


электромагнитное излучение, испускаемое
нагретым или находящимся в возбужденном
состоянии веществом
Принцип дуальности


электромагнитная волна
поток фотонов

фотон - частица, обладающая определенной
энергией и нулевой массой покоя
Электромагнитный спектр

Видимым диапазон


Диапазон частоты электромагнитного излучения, на который
реагирует чувствительная система глаза
Обычно в видимый диапазон включают частоты от 380 до 780
нанометров (1 нм = 10-9м)
Спектр излучения





Видимый свет испускается
источниками света, которыми служит
все, что не является абсолютно
черным -- солнце, лампы, отражения
от объектов
Каждый источник света
характеризуется цветом, т.е.
спектральным составом излучения
Спектральный состав характеризуется
функцией спектрального
распределения C(λ), еще называемой
просто спектром.
Аргументом функции является длина
волны λ, а значением функции –
мощность излучения соответствующей
частоты.
Практически все источники света
излучают колебания в достаточно
широком диапазоне частот.
Исключение составляют источники
когерентных колебаний – лазеры.
Структура и оптика человеческого
глаза

Светопреломляющий
аппарат





Аккомодационный аппарат




Роговица
Жидкости камер
Хрусталик
Стекловидное тело
Радужка
Зрачок
Хрусталик
Рецепторный аппарат
 сетчатка
Структура и оптика глаза:
светопреломляющий аппарат

Как мы видим свет:

Световые лучи входят в глаз
через роговицу


Проходят через зрачок,
окруженный радужкой




Изменение количества света
Проходят через хрусталик


фокусировка
дальнейшая фокусировка)
Проходят через
стекловидное тело
Попадают на сетчатку
Изображение уменьшенное и
перевернутое
Структура и оптика глаза:
аккомодационный аппарат

Аккомодация – процесс увеличения оптической
силы глаза для поддержания четкого
изображения на сетчатке
Структура и оптика глаза:
рецепторный аппарат
Поле зрения глаза
составляет 125° по
вертикали и 150° по
горизонтали
В каждом глазу 6
млн колбочек и
120 млн палочек
Спектральное восприятие цвета

После фокусировки света на сетчатке
происходит восприятие и обработка получаемой
электромагнитной энергии

Первый этап обработки: получение светового
сигнала фоточувствительными ячейками на
сетчатке глаза
Свет порождает химическую реакцию



основа – фотопигмент на сетчатке
Результат: электрический сигнал, посылаемый
далее в мозг
Спектральное восприятие цвета:
палочки

Фоточувствительные сенсоры
глаза не одинаково чувствительны
во всех областях видимого
диапазона

Вещество палочек – родопсин
(зрительный пигмент)

Пик чувствительности в области
500нм (сине-зеленый цвет)

Это согласуется с
чувствительностью зрительной
системы в ночное время

света не хватает для работы
колбочек, и палочки становятся
доминирующим сенсором
Спектральное восприятие цвета:
колбочки




Три вида колбочек
Колбочки каждого вида
содержат свой особый
пигмент
Три типа колбочек называют
либо как B, G и R, либо как
S, M и L (от Smal, Medium,
Long)
Пики их чувствительности
приходятся примерно на 440
нм, 545 нм и 580 нм (для
"усредненного"
наблюдателя).
Спектральное восприятие цвета:
принцип одномерности

Единственной информацией, посылаемой палочкой или колбочкой
является факт стимуляции фотопигмента светом, т.е. информации
о длине световой волны не передается! Это называется
«принципом одномерности»

Вероятность поглощения фотона конкретным рецептором является
функцией спектральной чувствительности рецептора и
интенсивности света


т.е. если рецептор на 30% чувствителен на некоторой длине волны, то
около 30 их 100 фотонов будут поглощены)
Зрительная система может восстановить интенсивность и цветовую
характеристику входного сигнала только путем комбинации
сигналов фоторецепторов с разной чувствительностью

такая реконструкция выполняется на одном из ранних этапов
визуальной обработки
Спектральное восприятие цвета:
принцип одномерности (2)

Почему визуальная система эволюционировала
таким образом, что самый первый шаг обработки
отбрасывает информацию, которая затем
должна быть реконструирована?

Зрительная система человека представляет
собой компромисс между точной передачей
цвета и высоким пространственным
разрешением
Темпоральное восприятие цвета

Химические процессы в фоторецепторе
длятся несколько миллисекунд

Дополнительные фотоны, попавшие на
рецептор в течение этого времени,
добавляются к общему отклику

Появляется эффект, называемый
темпоральным сглаживанием
Темпоральное восприятие цвета:
реакция на мигание

Когда мигание медленное – воспринимаем индивидуальные
вспышки света

После увеличения частоты мигания до некоторой критической
отметки мигания сливаются в одно

Критическая частота для человека при наилучших условиях
находится около 60Hz

Ранние фильмы производили эффект мигания, т.к. скорость
воспроизведения пленки была недостаточна для того, чтобы глаз
передавал интегрированное, гладкое изображение вместо
последовательности статичных картинок.
Темпоральное сглаживание:
адаптация




Наши глаза могут
различать очень широкий
диапазон интенсивности
света
Это достигается за счет
явления адаптации
Увеличение
чувстсвительности
рецепторов при низком
уровне освещения и
уменьшение при высоком
Диапазон адаптации
крайне широк
Фон
Излучение
(кандел)
Ночное небо
(без луны)
0.00003
Ночное небо
(луна)
0.003
Ясный день
3000
Ясный день
(солнце)
30000
Визуальные явления:
чувствительность к контрасту

Чувствительность зрительной системы к
контрасту определяет способность
восприятия деталей и общую четкость
восприятия
Чувствительность к контрасту:
минимальная различимая разница

Задача – найти
минимальную различимую
разницу интенсивностей ΔI




JND – just noticeable
difference
Экспериментально получена
кривая чувствительности к
контрасту (закон Вебера)
ΔI/I ~ const ~ 0.02
Вывод: глаз реагирует на
относительные
интенсивности!
I
I+ΔI
Чувствительность к контрасту:
функция чувствительности к
контрасту
Функция чувствительности к
контрасту: дневное/ночное
зрение
Функция чувствительности к
контрасту: изменение с возрастом
Функция чувствительности к
контрасту: ориентация

Наибольшая чувствительность к горизонтальным и
вертикальным перепадам яркости
Визуальные явления: шум

Человеческий глаз крайне толерантен к
шуму
Визуальные явления: полосы Маха

«Полосы Маха» - иллюзия границ на
стыке участков разной интенсивности
или плавного градиента
Визуальные явления: полосы Маха
(2)
+
+
-
-
C
A
+
+
D
B
-
Визуальные явления: яркостный
контраст


Яркость цвета зависит от контекста
Невозможно выбрать два цвета и ожидать
предсказуемого поведения в разных
частях изображения
Яркостный контраст: пример

I(A) = I(B) !
Яркостный контраст: пример (2)
Восприятие глубины
Информация о глубине
Окуломоторная
Конвергенция
Визуальная
Аккомодация
Бинокулярная
Монокулярная
Стереоданные
Ретинальный диспаритет
Параллакс
Статические подсказки
Взаиморасположение
Размер
Перспектива
Линейная
Текстура
Воздушная
Восприятие глубины: окуломоторная
глубина


Окуломоторная =
«глазодвигательная»
Конвергенция


Аккомодация


Поворот глазного яблока для
фиксации на точке интереса
Изменение фокуса
Особенности:


Ненадежно, работает только
для близких объектов
Больше шести метров –
фокус в бесконечность
Восприятие глубины: бинокулярная
глубина



Способность получать информацию о глубине на основе
стереоданных
Очень высокая точность
Две задачи, решаемые визуальной системой


Поиск соответствий
Вычисление ретинального диспаритета
Бинокулярная глубина: ошибочные
представления

Ошибочно считать, что
визуальная система
работает по алгоритму
поиск особенностей /
вычисление соответствий

Примеры: стереограммы
со случайным шумом

Работают даже
стереограммы из одного
изображения!
(автостереограммы)
Бинокулярная глубина:
предполагаемый принцип работы

Основная характеристика, по которой
бинокулярная визуальная система различает
глубины – ретинальный диспаритет

Различия изображений в разных глазах

Некоторые части изображения сдвинуты
относительно других

Нет поиска особенностей в явном виде,
интегральный процесс
Восприятие глубины: монокулярная
глубина


Некоторые подсказки относительно глубины
могут быть получены из одного изображения
Называются монокулярными

Наиболее интересны для задач синтеза
изображений

Две категории


Статические подсказки
Динамические подсказки
Монокулярная глубина:
взаморасположение


Очень мощный эффект!
Если ретинальный
диспаритет и
взаморасположение
противоречат,
взаиморасположение
имеет приоритет!
Монокулярная глубина: размер


Большие объекты кажутся ближе
«Знакомый размер» - любой объект, размер
которого известен, влияет на воспринимаемый
размер соседних объектов
Размер: лунная иллюзия




Угловой размер Луны постоянен
Но Луна кажется больше около горизонта и меньше – высоко в
небе
Природа эффекта до конца не разгадана
Возможное объяснение – эффект «знакомого размера»
Монокулярная глубина: перспектива

Перспектива – результат работы
оптической системы глаза
Наиболее привычный эффект

Варианты построения перспективы:




Линейная
Текстурная
Воздушная
Перспектива: линейная
Перспектива: форсированная
перспектива
Ames room
(Адельберт Амес, 1946)
Перспектива: текстурная

Изменение в размере,
цвете, расстояниях
Перспектива: воздушная
Красные объекты кажутся ближе
Синие - дальше
Темные объекты кажутся ближе,
чем светлые
Восприятие глубины: параллакс



Параллакс – изменение видимого положения объекта относительно
удалённого фона в зависимости от положения наблюдателя
Зная расстояние между точками наблюдения и угол смещения, можно
определить расстояние до объекта
Очень мощный фактор восприятия глубины!
Итоги





Курс: три части
 восприятие, свет, материалы
 геометрическое моделирование
 алгоритмы экранизации
Глаз – сложная оптическая система
Восприятия цвета
 Принцип одномерности
 Адаптация, темпоральное сглаживание
 Чувствительность к контрасту
 Яркость и контраст
Восприятие глубины: окуломоторное и визуальное
Визуальное восприятие глубины: бинокулярное и
монокулярное