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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
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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
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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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Sistema Visual Humano: El ojo
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.
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Sistema Visual Humano: El ojo
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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Sistema Visual Humano: El ojo
Desperfectos: Miopía e Hipermetropía
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Sistema Visual Humano: El ojo
Desperfectos: Astigmatismo
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Sistema Visual Humano: El ojo
Desperfectos: Presbicia
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Sistema Visual Humano: El ojo
Distribución de conos y bastones
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5 millions 100 millions
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Sistema Visual Humano: El ojo
Distribución de conos y bastones
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Sistema Visual Humano: El ojo
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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Sistema Visual Humano: Sensibilidad a la luz
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Sistema Visual Humano: Sensibilidad a la luz
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
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Percepción visual: Tonos de Gris
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 2 4 6 8 10 12
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Percepción visual: Tonos de Gris
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 2 4 6 8 10 12
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Percepción visual: Tonos de Gris
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 2 4 6 8 10 12
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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.
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Percepción visual: Ejemplos
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.
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Percepción visual: Ejemplos
El gris del cuadro A es el mismo que el del cuadro B.
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Percepción visual: Ejemplos
Los cuadrados internos tienen el mismo gris.
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Percepción visual: Ejemplos
El circulo tiene siempre el mismo gris.
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Percepción visual: Tonos de Gris y frecuencia espacial
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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.
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Percepción visual: Ejercicio
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Percepción visual: Ejercicio
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Percepción visual: Ejemplos
¿Qué ves aquí?
¿Qué le pasa a esta persona?
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Percepción visual: Ejemplos
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Percepción visual: Ejemplos
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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%
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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%
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Percepción visual: Ejemplos
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Percepción visual: Ejemplos
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Percepción visual: Ilusiones Ópticas
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Percepción visual: Ilusiones Ópticas
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Percepción visual: Ilusiones Ópticas
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Percepción visual: Ilusiones Ópticas
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Percepción visual: Ilusiones Ópticas