Презентация на тему: Введение в предмет. Принципы восприятия цвета и света человеком

Введение в предмет. Принципы восприятия цвета и света человеком
На лекции
Структура курса
Баллы и оценки
Задача синтеза изображений
Задача синтеза изображений
Модель функционирования зрительной системы
Модель переноса световой энергии
Геометрическая модель пространства
Алгоритм экранизации
Что такое свет
Электромагнитный спектр
Спектр излучения
Структура и оптика человеческого глаза
Структура и оптика глаза: светопреломляющий аппарат
Структура и оптика глаза: аккомодационный аппарат
Структура и оптика глаза: рецепторный аппарат
Спектральное восприятие цвета
Спектральное восприятие цвета: палочки
Спектральное восприятие цвета: колбочки
Спектральное восприятие цвета: принцип одномерности
Спектральное восприятие цвета: принцип одномерности (2)
Темпоральное восприятие цвета
Темпоральное восприятие цвета: реакция на мигание
Темпоральное сглаживание: адаптация
Визуальные явления: чувствительность к контрасту
Чувствительность к контрасту: минимальная различимая разница
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
Визуальные явления: шум
Визуальные явления: полосы Маха
Визуальные явления: полосы Маха (2)
Визуальные явления: яркостный контраст
Яркостный контраст : пример
Яркостный контраст : пример (2)
Восприятие глубины
Восприятие глубины: окуломоторная глубина
Восприятие глубины: бинокулярная глубина
Бинокулярная глубина: ошибочные представления
Бинокулярная глубина: предполагаемый принцип работы
Восприятие глубины: монокулярная глубина
Монокулярная глубина: взаморасположение
Монокулярная глубина: размер
Размер: лунная иллюзия
Монокулярная глубина: перспектива
Перспектива: линейная
Перспектива: форсированная перспектива
Перспектива: текстурная
Перспектива: воздушная
Восприятие глубины: параллакс
Итоги
1/53
Средняя оценка: 4.0/5 (всего оценок: 91)
Код скопирован в буфер обмена
Скачать (5381 Кб)
1

Первый слайд презентации: Введение в предмет. Принципы восприятия цвета и света человеком

Алексей Игнатенко Лекция 1 5 октября 2006

Изображение слайда
2

Слайд 2: На лекции

Структура курса, баллы и оценки Задача синтеза изображений Структура и оптика глаза Спектральное и темпоральное восприятие света Визуальныя явления Восприятие глубины

Изображение слайда
3

Слайд 3: Структура курса

Лекционная часть: Часть 1. Свет и цвет Часть 2. Моделирование Часть 3. Методы синтеза изображений Практическая часть: Три практических задания Экзамен-тест

Изображение слайда
4

Слайд 4: 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

Изображение слайда
5

Слайд 5: 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

Изображение слайда
6

Слайд 6: Задача синтеза изображений

Знания, идеи Изображение Текст

Изображение слайда
7

Слайд 7: 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 Изображение Текст

Изображение слайда
8

Слайд 8: 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 В озможно 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

Изображение слайда
9

Слайд 9: 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)

Изображение слайда
10

Слайд 10: 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

Изображение слайда
11

Слайд 11: 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

Изображение слайда
12

Слайд 12: 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)

Изображение слайда
13

Слайд 13: 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.

Изображение слайда
14

Слайд 14: Структура и оптика человеческого глаза

Светопреломляющий аппарат Роговица Жидкости камер Хрусталик Стекловидное тело Аккомодационный аппарат Радужка Зрачок Хрусталик Рецепторный аппарат сетчатка

Изображение слайда
15

Слайд 15: Структура и оптика глаза: светопреломляющий аппарат

Как мы видим свет: Световые лучи входят в глаз через роговицу фокусировка Проходят через зрачок, окруженный радужкой Изменение количества света Проходят через хрусталик дальнейшая фокусировка) Проходят через стекловидное тело Попадают на сетчатку Изображение уменьшенное и перевернутое

Изображение слайда
16

Слайд 16: Структура и оптика глаза: аккомодационный аппарат

Аккомодация – процесс увеличения оптической силы глаза для поддержания четкого изображения на сетчатке

Изображение слайда
17

Слайд 17: 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

Изображение слайда
18

Слайд 18: 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

Изображение слайда
19

Слайд 19: 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

Изображение слайда
20

Слайд 20: 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).

Изображение слайда
21

Слайд 21: 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

Изображение слайда
22

Слайд 22: 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

Изображение слайда
23

Слайд 23: 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

Изображение слайда
24

Слайд 24: 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.

Изображение слайда
25

Слайд 25: Темпоральное сглаживание: адаптация

Наши глаза могут различать очень широкий диапазон интенсивности света Это достигается за счет явления адаптации У вели чение чув с тсвительност и рецепторов при низком уровне освещения и уменьш ение 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

Изображение слайда
26

Слайд 26: Визуальные явления: чувствительность к контрасту

Чувствительность зрительной системы к контрасту определяет способность восприятия деталей и общую четкость восприятия

Изображение слайда
27

Слайд 27: Чувствительность к контрасту: минимальная различимая разница

Задача – найти минимальную различимую разницу интенсивностей Δ I JND – just noticeable difference Экспериментально получена кривая чувствительности к контрасту (закон Вебера) Δ I/I ~ const ~ 0.02 Вывод: глаз реагирует на относительные интенсивности! I+ Δ I I

Изображение слайда
28

Слайд 28: Чувствительность к контрасту: функция чувствительности к контрасту

Изображение слайда
29

Слайд 29: Функция чувствительности к контрасту: дневное/ночное зрение

Изображение слайда
30

Слайд 30: Функция чувствительности к контрасту: изменение с возрастом

Изображение слайда
31

Слайд 31: Функция чувствительности к контрасту: ориентация

Наибольшая чувствительность к горизонтальным и вертикальным перепадам яркости

Изображение слайда
32

Слайд 32: Визуальные явления: шум

Человеческий глаз крайне толерантен к шуму

Изображение слайда
33

Слайд 33: Визуальные явления: полосы Маха

«Полосы Маха» - иллюзия границ на стыке участков разной интенсивности или плавного градиента

Изображение слайда
34

Слайд 34: Визуальные явления: полосы Маха (2)

+ - + - + - + - A B C D

Изображение слайда
35

Слайд 35: Визуальные явления: яркостный контраст

Яркость цвета зависит от контекста Невозможно выбрать два цвета и ожидать предсказуемого поведения в разных частях изображения

Изображение слайда
36

Слайд 36: Яркостный контраст : пример

I(A) = I(B) !

Изображение слайда
37

Слайд 37: Яркостный контраст : пример (2)

Изображение слайда
38

Слайд 38: Восприятие глубины

Изображение слайда
39

Слайд 39: Восприятие глубины: окуломоторная глубина

Окуломоторная = «глазодвигательная» Конвергенция Поворот глазного яблока для фиксации на точке интереса Аккомодация Изменение фокуса Особенности: Ненадежно, работает только для близких объектов Больше шести метров – фокус в бесконечность

Изображение слайда
40

Слайд 40: 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

Изображение слайда
41

Слайд 41: 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 )

Изображение слайда
42

Слайд 42: 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

Изображение слайда
43

Слайд 43: 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

Изображение слайда
44

Слайд 44: Монокулярная глубина: взаморасположение

Очень мощный эффект! Если ретинальный диспаритет и взаморасположение противоречат, взаиморасположение имеет приоритет!

Изображение слайда
45

Слайд 45: Монокулярная глубина: размер

Большие объекты кажутся ближе «Знакомый размер» - любой объект, размер которого известен, влияет на воспринимаемый размер соседних объектов

Изображение слайда
46

Слайд 46: 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»

Изображение слайда
47

Слайд 47: Монокулярная глубина: перспектива

Перспектива – результат работы оптической системы глаза Наиболее привычный эффект Варианты построения перспективы: Линейная Текстурная Воздушная

Изображение слайда
48

Слайд 48: Перспектива: линейная

Изображение слайда
49

Слайд 49: Перспектива: форсированная перспектива

Ames room ( Адельберт Амес, 1946)

Изображение слайда
50

Слайд 50: Перспектива: текстурная

Изменение в размере, цвете, расстояниях

Изображение слайда
51

Слайд 51: Перспектива: воздушная

Красные объекты кажутся ближе Синие - дальше Темные объекты кажутся ближе, чем светлые

Изображение слайда
52

Слайд 52: 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!

Изображение слайда
53

Последний слайд презентации: Введение в предмет. Принципы восприятия цвета и света человеком: 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

Изображение слайда