La percezione dello spazio (1): indizi...

La percezione dello spazio (1):

indizi monoculari

Corso di Principi e Modelli della Percezione

Prof. Giuseppe Boccignone

Dipartimento di Scienze dell’Informazione

Università di Milano

[email protected]://homes.dsi.unimi.it/~boccignone/GiuseppeBoccignone_webpage/Modelli_Percezione.html

La percezione dello spazio

• Introduzione alla percezione dello spazio

• Da gli indizi monoculari alla percezione dello spazio tridimensionale

• Visione binoculare e stereopsi

• La combinazione di indizi di profondità

• Il mondo fisico risponde alle leggi della geometria euclidea.

• Gli oggetti mantengono la stessa forma e la stessa dimensione quando si

muovono per lo spazio

• La somma degli angoli interni di un triangolo è sempre uguale a 180°

• Due linee rette parallele non si incontrano,

• etc…


• Realismo: Il mondo esterno esiste

• Positivisti: Il mondo dipende dalle

elaborazioni dei nostri organi di senso; esso

potrebbe essere a tutti gli effetti una

allucinazione!

• “Cosa è reale? Come definisci cosa è reale?

Se per reale intendi quello che puoi vedere,

sentire, toccare, odorare, beh allora la realtà

è composta semplicemente da segnali

elettrici interpretati dal tuo cervello. Questo

è il mondo che tu conosci.” — risposta di

Morpheus a Neo in Matrix, 1999


• La geometria delle immagini del

mondo proiettate sulla retina

non è euclidea visto che il

mondo tridimensionale viene

proiettato su una superficie

bidimensionale e curva come la

retina.

• Per vedere il mondo reale, che

risponde a regole di tipo

euclideo, il mio sistema visivo

deve rielaborare un input.

• Ancora un problema mal posto!


• E’ geometricamente impossibile per il sistema visivo creare una ricostruzione

identica dello spazio euclideo.

• Sulla base delle immagini retiniche possiamo solo avere un’indicazione sulla

possibile struttura dello spazio e degli oggetti in esso disposti

• Il problema principale, dunque, è: come fa un osservatore (umano) a

percepire lo schema spaziale delle superfici che compongono il suo

ambiente, a partire soltanto dalla luce riflessa da queste superfici?


//problema

• Lo spazio tridimensionale percepito è l’ambiente in cui un individuo agisce.

• Affinché sia possibile avere una percezione spaziale, è necessario che

l’ambiente specifichi una certa quantità e un certo tipo di informazione che

ilnostro sistema visivo possa percepire.

• Avere percezione dello spazio circostante significa percepire diverse

caratteristiche dell’ambiente visibile.

• L’insieme di tali caratteristiche si può definire il nostro schema spaziale.

• dimensioni delle superfici visibili

• la loro distanza,

• la forma

• l’orientamento


//ecologia della percezione


//ecologia della percezione

• Il nostro sistema visivo è

interfacciato direttamente con

le informazioni specificate

dall’ambiente.

• Il sistema visivo procede per

inferenze. Le informazioni

sono“indizi”.

Gregory (1997).

Gibson 1979, Marr 1982

I predatori hanno occhi frontali

(per la visione binoculare)

Le prede hanno occhi laterali

(per massimizzare il campo)


//indizi

• Per ricostruire gli aspetti tridimensionali dell’ambiente il sistema visivo fa uso

di una serie di indizi di profondità.

• informazioni contenute nell’ambiente circostante.

• Distinguiamo fra:

• Indizi di profondità monoculari.

• Indizi di profondità binoculari.

• Tali indizi si combinano per fornire una rappresentazione coerente dello

spazio.


//indizi monoculari

• Indizi di profondità monoculari: non necessitano in linea di principio dell’

informazione proveniente da entrambi gli occhi.

• non significa che in situazioni normali tali indizi non provengano da entrambi gli

occhi.

• a) Occlusione

• b) Indizi di grandezza e posizionamento

• c) Prospettiva aerea

• d) Prospettiva lineare

• e) Ombreggiatura

• e) Indizi di movimento (eg: parallasse)

• f) Accomodazione

• Occlusione: Un indizio di

profondità relativo che può essere

utilizzato quando un oggetto

occlude la visione di un altro

oggetto

• Ci dà informazione sull’ordine e la

posizione relativa degli oggetti.

• indizio statico, poiché non è

necessario che le superfici siano

in movimento.

• non-metrico, poiché non ci dice

nulla sulla distanza nella terza

dimensione


//indizi monoculari: occlusione

• E’ indice di un contorno non visibile.

• Per inferire informazioni sulla profondità il sistema visivo si basa sulle

assunzioni circa la forma degli oggetti

• La configurazione che percepiamo è determinata dalla nostra esperienza passata

• Le figure in parte occluse vengono completate in accordo con la frequenza delle

forme incontrate in precedenza


//indizi monoculari: occlusione

• Indici di grandezza e posizione:

• Grandezza relativa: un confronto

della grandezza di due oggetti

senza sapere nulla sulla loro

grandezza assoluta

• L’immagine retinica formata da

un oggetto diventa più piccola

più l’oggetto è lontano.

• Sappiamo che gli oggetti piccoli

sono più lontani e utilizziamo

questo indizio di profondità


//indizi monoculari: grandezza relativa

• Normalmente oggetti a distanze

diverse dall’osservatore

appoggiati sul terreno, formano

immagini ad altezze diverse sulla

retina.


//indizi monoculari: altezza relativa

• Normalmente oggetti a distanze

diverse dall’osservatore

appoggiati sul terreno, formano

immagini ad altezze diverse sulla

retina.

• Gli oggetti più vicini saranno

proiettati nella parte bassa del

campo visivo.

• Gli oggetti più lontani saranno

invece proiettati nella parte più

alta del campo visivo.


//indizi monoculari: altezza relativa

• Gradiente di Tessitura:

cambiamenti SISTEMATICI della

forma e della dimensione di

piccoli elementi della tessitura.

• Il gradiente di tessitura viene

utilizzato dal nostro sistema visivo

per percepire la distanza e la

profondità.


//indizi monoculari: gradiente di tessitura

• Gradiente di Tessitura:

cambiamenti SISTEMATICI della

forma e della dimensione di

piccoli elementi della tessitura.

• Il gradiente di tessitura viene

utilizzato dal nostro sistema visivo

per percepire la distanza e la

profondità.

• ...e anche forma e orientazione


//indizi monoculari: gradiente di tessitura

• Altezza Relativa + Grandezza Relativa

• Possono fornire alcune informazioni metriche (relative)

• Conoscenza a priori:

• sappiamo che oggetti della stessa grandezza appaiono più piccoli quando lontani.

• gli oggetti si dispongono solitamente ordinatamente: gli oggetti più grandi in

un’area e gli oggetti più piccoli in un’altra


//indizi monoculari: combinazioni

• Altezza Relativa + Grandezza Relativa +

Gradiente di tessitura

• Il gradiente di tessitura deve combinarsi con

la grandezza relativa e con l’altezza relativa

per dare una rappresentazione convincente

dell’ambiente.

• Nel caso in cui gli indizi entrano in conflitto la

rappresentazione dellaprofondità può risultare

compromessa

• Conoscenza a priori:

• oggetti della stessa grandezza appaiono più

piccoli quando lontani.

• gli oggetti si dispongono solitamente

ordinatamente: gli oggetti più grandi in un’area

e gli oggetti più piccoli in un’altra


//indizi monoculari: combinazioni

illusione di grandezza

• Si possono ottenere

informazioni sulla profondità

avendo una conoscenza a

priori della grandezza di un

certo oggetto

• Può essere considerato a

tutti gli effetti un indice di

profondità metrico


//indizi monoculari: grandezza familiare


//indizi monoculari: prospettiva aerea

• Un indizio di profondità che

si basa sulla conoscenza

implicita che l’atmosfera

diffonde la luce

• maggiore la quantità di

atmosfera tra osservatore e

oggetto, maggiore la

dispersione della luce

• oggetti più distanti sono

soggetti ad una dispersione

maggiore e appaiono più

sfumati

• Un esempio: la nebbia/

foschia






diffonde la luce






soggetti ad una dispersione

maggiore e appaiono più

sfumati


foschia




diffonde la luce






soggetti ad una

dispersione maggiore e

appaiono più sfumati


foschia



• Indizio di profondità basato

sulla conoscenza che le

linee parallele nel mondo 3D

sembrano convergere in una

immagine 2D

• Punto di fuga: Il punto

immaginario dello spazio in

cui linee parallele

convergono in profondità


//indizi monoculari: prospettiva lineare





immagine 2D



cui linee parallele








immagine 2D



cui linee parallele








immagine 2D



cui linee parallele





sulla conoscenza a priori del

posizionamento delle luci e

delle forme degli oggetti nel

mondo 3D, e di come

queste si proiettano in una

immagine 2D

• Ancora una volta: problema

mal posto dovuto alla

proiezione 3D -> 2D


//indizi monoculari: luci e ombre





mondo 3D, e di come


immagine 2D



proiezione 3D -> 2D







mondo 3D, e di come


immagine 2D



proiezione 3D -> 2D







mondo 3D, e di come


immagine 2D



proiezione 3D -> 2D





[illusione di Todorovic, 2005]



[illusione di Todorovic, 2005]! tre tubi



[illusione di Todorovic, 2005]! due tubi e una superficie incavata



[illusione di Todorovic, 2005]! tre ondulazioni

• Le trasformazioni dinamiche dell’informazione specificata dall’ambiente dovute

al movimento genera nuove fonti di informazione spaziale

• Superfici lontane diventano più vicine,

• Superfici o parti di superfici nascoste diventano visibili

• Parallasse di movimento:

• le immagini di oggetti posti a distanze differenti dall’osservatore si muovono a diverse

velocità sulla retina,

• al mutare della posizione dell’osservatore, confronta la differenza fra due immagini

retiniche sequenziali


//indizi monoculari: movimento

• Il treno si sposta da sinistra verso destra e gli oggetti del mondo esterno si spostano

nella direzione opposta. Alcuni si muovono più di altri.

• Il punto di fissazione non si muove lungo la retina - fovea.

• Il resto del campo visivo si muove con una velocità e in una direzione che dipende

dallarelazione di profondità con il punto difissazione



• Quando l’osservatore si muove lungo una linea

retta, il suo movimento produce un

cambiamento nella direzione angolare di molti

punti percepiti.

• Questa complessa e continua trasformazione

degli stimoli distale e prossimale si chiama

flusso ottico.


//indizi monoculari: movimento e flusso otticoEsempi di Flusso Ottico

Cambiano le direzioni relative, superfici occluse, dimensioni relative, la compressione prospettica.

Non cambiano il gradiente di tessitura, il contatto degli oggetti con il suolo, il punto di fuga.

Alcuni tratti dello schema ottico variano, altri no

• Quando l’osservatore si muove

lungo una linea retta, il suo

movimento produce un

cambiamento nella direzione

angolare di molti punti percepiti.

• Questa complessa e continua

trasformazione degli stimoli distale

e prossimale si chiama flusso

ottico.


//indizi monoculari: movimento e flusso ottico


//indizi monoculari: Gunnar Johansonn



• Quando il filo è immobile viene

percepito come bidimensionale.

• Quando il filo ruota lungo il suo

asse verticale viene percepito

come tridimensionale.

• Il problema è geometricamente

indeterminato: potrebbe trattarsi

di deformazioni di una forma

2D.

• Il sistema visivo normalmente

percepisce questo movimento

come il movimento di un corpo

rigido 3D.


//indizi monoculari: Kinetic Depth Effect

• Quando il filo è immobile viene

percepito come bidimensionale.

• Quando il filo ruota lungo il suo

asse verticale viene percepito

come tridimensionale.

• Il problema è geometricamente

indeterminato: potrebbe trattarsi

di deformazioni di una forma

2D.

• Il sistema visivo normalmente

percepisce questo movimento

come il movimento di un corpo

rigido 3D.


//indizi monoculari: accomodazione

• L’accomodazione e la vergenza aiutano

l’occhio a percepire la profondità :

• Accomodazione (monoculare):

L’occhio cambia il suo fuoco

• Vergenza (binoculare):

• Convergenza: L’abilità dei due

occhi di ruotare verso l’interno (di

incrociarsi)

• Divergenza: L’abilità dei due occhi

di ruotare verso l’esterno (di

riallinearsi)




• l’occhio cambia il suo fuoco

• processo di variazione dello

spessore del cristallino in funzione

della distanza di un oggetto

• controllato dai muscoli ciliari




• l’occhio cambia il suo fuoco

• processo di variazione dello

spessore del cristallino in funzione

della distanza di un oggetto

• controllato dai muscoli ciliari

• La costruzione dell’immagine tridimensionale del mondo partendo da un

spazio bidimensionale non Euclideo (come quello in cui si formano le

immagini retiniche) è uno dei problemi più fondamentali che il sistema

percettivo visivo si trova a dover affrontare

• Come fa il sistema visivo a decidere che cosa si sta effettivamente vedendo?

Quale è l’interpretazione più plausibile?

• Tutti gli indizi di profondità monoculari (e anche binoculari) sono combinati

insieme (inconsciamente) in accordo con quelle che sono le nostre conoscenze

pregresse (conoscenza a priori).

• Questa è la base dell’approccio Bayesiano

• Da queste estrapoliamo anche la probabilità di occorrenza di un determinato

evento ma quando le nostre inferenze risultano errate ecco che si formano le

ILLUSIONI!


//indizi monoculari: in sintesi


//illusioni ottiche: Ponzo


//illusioni ottiche: Ponzo


//illusioni ottiche: Muller-Lyer






//illusioni ottiche: la stanza di Ames

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