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Tema 1: Colorimetra y Captura de Imagen

Autores: Jos Luis Alba y Fernando Martn Universidad de Vigo Jess Cid Universidad Carlos IIIltima revisin: febrero 2006

ndicePercepcin visual. Teora del color Modelos de color Formatos de imagen Digitalizacin de imgenes. Captura de imgenes

Jos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III

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Percepcin visual: El Ojo HumanoCerebro + Ojo son el mejor analizador de imgenes que existe. Lo imitan todos los tipos de cmaras.Crnea: tejido transparente o lente protectora Iris: diafragma de apertura variable Cristalino o lente: absorbe gran parte de IR e UV y es un enfoque ajustable.

Retina: contiene las clulas fotorreceptoras que convierten las seales luminosas en nerviosas. Las neuronas salen de la capa interna para formar el nervio ptico por el punto ciego.3

Jos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III

Percepcin visual: El Ojo HumanoSensibilidad espectral de las clulas fotorreceptoras.Conos.De 6 a 7 millones, concentrados en la fovea. Tres tipos: sensibles al rojo (65 %) , al verde (33 %) y al azul (2 %) Bastan tres colores para representar una imagen en color? Respuesta espectral menos selectiva (UV). De 75 a 150 millones. Mayor sensibilidad (varios bastones conectados a una misma clula nerviosa): visin nocturna. Uniformemente distribuidos y ausentes de la fovea.

Bastones.

Conos Bastoneshttp://www.harunyahya.com/books/science/miracle_eye/miracle_eye_02.phpJos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III 4

Percepcin Visual: modelo de procesadoExperiencias psicovisuales y medidas con electrodos permiten elaborar un modelo aproximado del procesamiento visual.

1. Sensibilidad a la intensidad.

El ojo humano puede operar en rangos de 1 a 1010. Experimento de la ley de Weber:

I I+I

Para un amplio rango de intensidades, I/I~0.02. En consecuencia, el brillo percibido, C, es tal que percibido

Durante intervalos breves de tiempo, se presenta al observador un crculo de intensidad I+I. Se mide la fraccin de Weber: el valor de I/I para el que el observador acierta sobre la presencia o ausencia del crculo un 50% de veces.

I dI C = dC C = log I I IJos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III 5

Percepcin Visual: modelo de procesadoEsto no significa que dentro de una escena el ojo pueda distinguir variaciones de C de 0.02 en el rango de 1 a 1010 (C=10). Si en una escena el cociente de intensidades mxima y mnima es tal que Cmax>2, todo lo que est fuera de ese margen se percibe como blancos y negros puros. Un modelo simple del ojo:En cada punto, realiza una transformacin punto a punto aproximadamente logartmica

I

C

Aplicaciones en tratamiento digital de imgenes:

Sensibilidad logartmica a la intensidad: es importante en el diseo de dispositivos de presentacin (monitores) y captacin (cmaras). Un cuantificador logartmico ser ms eficiente que uno uniforme. Si Cmax = 2 y Cmin = 0.02 se necesitan al menos Cmax/ Cmin = 100 niveles de cuantificacin (7 bits) para codificar la intensidad. Sensibilidad al ruido: la misma potencia de ruido se percibe ms claramente en zonas oscuras (baja intensidad) Aplicaciones en restauracin de imgenes y marcado digital.

Jos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III

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Percepcin Visual: modelo de procesado2. Filtrado espacialSi dos objetos estn separados en el campo visual, sus intensidades se perciben diferentes solo si C > 0.2 El ojo es sensible a cambios locales de intensidad

I

I+I

La intensidad percibida depende de la luz del entorno. Hay experimentos que muestran que el ojo filtra espacialmente. La sensibilidad depende altamente del fondo!

Jos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III

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Los rectngulos interiores tienen idntico nivel de gris!

Los Jos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad detienenCid - Universidad Carlos III de gris! rectngulos interiores Vigo; Jess distinto nivel

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Percepcin Visual: modelo de procesadoBandas de Mach: ponen de manifiesto alguna forma de filtrado paso alto (realce de bordes) Consecuencias:Un compresor de imgenes deber prestar especial atencin para mantener los bordes. El uso de filtros paso bajo para eliminar ruido puede reducir bordes y desenfocar.Jos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III 9

Percepcin Visual: modelo de procesadoMedida de la resolucin espacial del ojo:En direccin horizontal, variacin sinusoidal. En direccin vertical, decrecimiento lineal de la amplitud

De forma aproximada, puede medirse la respuesta en frecuencia, como el perfil de la curva lmite, por encima de la cual no se percibe ninguna oscilacin.Jos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III 10

Percepcin Visual: modelo de procesado3. Procesado TemporalCuando un punto luminoso parpadea N pulsos/seg, se ve continuamente a partir de una frecuencia de fusin: el ojo realiza algn tipo de filtrado paso bajo temporal, que depende de:Las condiciones de iluminacin La duracin del pulso luminoso La intensidad del punto luminoso. t~1mseg:

Fenmeno PHI: la frecuencia de fusin depende de los objetos presentes en la escena.Se perciben dos puntos simultneamente Se percibe un punto que se mueve Se percibe un punto y luego otro

t~10mseg: t>1 seg:

1o

La frecuencia de muestreo temporal de las imgenes de vdeo o cine est relacionada con la frecuencia de fusin.Jos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III 11

Percepcin Visual: modelo de procesadoModelos de la VisinSe han elaborado muchos modelos simplificados de la visin humana. Ejemplo para visin monocromtica:

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Percepcin Visual: modelo de procesadoNiveles perceptuales superiores.El estudio de las clulas nerviosas en las primeras estapas de su recorrido ya pone de manifiesto que el procesamiento de la imagen que llega a la retina va adquiriendo sucesivos grados de complejidad:

Primeras clulas: respuesta al on, off, on-off del estmulo, y espontnea. Clulas vecinas tienden a inhibirse: acentuacin de los bordes, esquinas y puntos aislados (filtrado paso alto). Ya en la corteza visual: respuestas ptimas de las clulas simples a lneas y bordes estticas (clulas simples), desplazndose en el espacio (complejas) y cambiando de orientacin (hipercomplejas).

Jos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III

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Percepcin Visual: ilusiones pticasPonen de manifiesto la complejidad del procesamiento espacial y temporal en el sistema visual. Veremos algunas (hay ms enhttp://lite.bu.edu/vision/applets/lite/lite/lite.html)

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Jos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III

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TamaoPistas Ficticias

Ilusin de Muller-Lyer

Ilusin de Ponzo (engao con la distancia)Tomadas de http://griho.udl.es/ipo/transpas/facthum_lsi.pptJos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III 16

Perspectiva (Escher)

Tomadas de http://griho.udl.es/ipo/transpas/facthum_lsi.pptJos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III 17

Movimiento

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Teora del color: la fsicaIntensidad de LuzToda radiacin luminosa se caracteriza por su distribucin espectral E (): energa que atraviesa una superficie normal a la direccin de propagacin por unidad de superficie, tiempo y longitud de onda. La luz, al reflejarse o atravesar un cuerpo, cambia su DE: Luz transmitida: E() = t () E () (transmitancia). Luz reflejada: E() = r () E () (reflectancia).

Sensores.Se caracterizan por su Sensibilidad Espectral, S () Intensidad de luz detectada por el sensor:I = E ( )S ( )d = 0

max

min

E ( )S ( )d19

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Teora del color: la fsicaEl espectro visible.El ojo es sensible nicamente a la radiacin contenida en una pequea banda de frecuencias del espectro EM (desde 380 hasta 780 nm); en ella, la luz solar en la atmsfera presenta un pico de radiacin.

Un color viene representado por las componentes espectrales de la radiacin luminosa, C (), en la banda visible.Jos Luis Alba y Fernando Martn - Universidad de Vigo; Jess Cid - Universidad Carlos III 20

Teora del color: la fisiologaPercepcin del colorEl ojo humano tiene 3 sensores de color, cada uno con una sensibilidad espectral diferente. Los conos actan como un banco de filtros:Respuesta conos100 80 60 40 20 400 500 600

SG() SB()

SR()

Curvas definidas por la CIE para un observador estndar

700 nm

Vemos un color a travs de 3 estmulos (componentes): R = C ( ) S R ( ) d SR() Color: vectorC() SG() SB()

G = C ( ) SG ( )d B = C ( ) S B ( ) d

de 3 componentes no negativas21

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Teora del color: la fisiologaLuminanciaDefinicin de la CIE: Potencia radiante ponderada por una funcin de Se mide en Lumens/m2 o candelas/m2.

sensibilidad espectral caracterstica del sistema visual humano