close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Презентация ()

код для вставкиСкачать
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
Документ
Категория
Презентации
Просмотров
7
Размер файла
5 388 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа