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Laura Bellia » 5.Il meccanismo della visione


L’occhio

Se l’occhio non esistesse, la parola “luce” sarebbe priva di significato. Per comprendere il meccanismo della visione è necessario descrivere l’organo preposto alla trasduzione del segnale visivo in stimolo nervoso: l’occhio.

L’occhio è un organo sensorio complesso che converte l’energia luminosa in segnali elettrici che vengono elaborati dal cervello. Esso consta di un elemento principale detto globo o bulbo oculare e di elementi accessori, alcuni dei quali sono finalizzati al movimento (muscoli oculari) ed altri hanno una funzione protettiva (palpebre, ciglia, sopracciglia, apparato lacrimale).

Sezione trasversale dell’occhio

Sezione trasversale dell'occhio


I sistemi ottici

Si definisce sistema ottico un sistema costituito da una successione di superfici riflettenti e superfici rifrangenti che separano mezzi con indici di rifrazione differenti. Le superfici in questione si ipotizzano lisce, regolari e di forma piana o sferica.


Lenti


Meccanismo di funzionamento dell’occhio

Nell’occhio le radiazioni provenienti da un oggetto attraversano un sistema diottrico a proprietà convergente, così come avviene nella macchina fotografica quando i raggi luminosi attraversano l’obiettivo.

Tale sistema è così composto:

  • 1) diottro aria-cornea;
  • 2) diottro cornea-umore acqueo;
  • 3) diottro umore acqueo-cristallino;
  • 4) diottro cristallino umore vitreo.
Sezione dell’occhio

Sezione dell'occhio

Il sistema ottico dell’occhio

Il sistema ottico dell'occhio


L’occhio è un sistema ottico


I recettori

All’interno dell’uvea è collocata la retina, che ricopre la superficie interna del bulbo oculare, e che rappresenta la parte fotosensibile, in cui giungono le terminazioni del nervo ottico. La retina è caratterizzata da tre tipi di elementi nervosi sovrapposti: lo strato dei coni e dei bastoncelli, lo strato delle cellule bipolari, lo strato delle cellule gangliari.

Sezione della retina

Sezione della retina

Rappresentazione di un cono e un bastoncello

Rappresentazione di un cono e un bastoncello


Visione fotopica e scotopica

Visione scotopica: 10-6 cd/m2 < L < 10-2 cd/m2

Visione mesopica: 10-2 cd/m2 < L< 1 cd/m2

Visione fotopica: 1 cd/m2 < L< 10-6 cd/m2

Perceptual Effects in Real-time Tone Mapping

Coefficiente di visibilità spettrale

Coefficiente di visibilità spettrale

Fattore di visibilità spettrale

Fattore di visibilità spettrale


Visione fotopica e scotopica

Visione fotopica

Visione fotopica

Visione scotopica

Visione scotopica


La visione dei colori

La visione dei colori è affidata ai coni che sono di tre tipi, ciascuno con diversa sensibilità alle varie lunghezze d’onda nel campo del visibile. La percezione dei vari colori è data dallo stimolo dei tre tipi di coni in diversa percentuale, in base alla composizione spettrale della radiazione incidente. Lo stimolo contemporaneo e massimo dei tre tipi di coni fornisce la sensazione del bianco. Quando vi sono dei difetti in uno o più dei tipi di coni, si ha il daltonismo, un’anomalia nella percezione dei colori.

Sensibilità dei tre tipi di coni

Sensibilità dei tre tipi di coni

Chi non è daltonico visualizza il numero 57

Chi non è daltonico visualizza il numero 57


La visione stereoscopica

A causa della distanza tra i due occhi, questi non vedono un oggetto dallo stesso punto di vista; il sovrapporsi delle immagini nel centro cerebrale determina l’effetto tridimensionale. Quando si osservano oggetti lontani, le immagini retiniche differiscono poco, ed il senso del rilievo viene attenuato. Ne consegue che la visione binoculare favorisce molto l’apprezzamento delle distanze.

La fusione delle immagini

La fusione delle immagini


Il senso del rilievo


Le dimensioni apparenti


L’adattamento

Al variare della distanza dell’oggetto dall’occhio, affinché l’immagine si riproduca sempre sulla retina, è necessaria una modifica del sistema diottrico con conseguente variazione della distanza focale. Tale modifica è detta accomodazione o adattamento accomodativo.

L’adattamento alle variazioni di luminanza è costituito da tre fasi:

  • una fase rapida costituita da un riassestamento del comportamento celullare nervoso
  • la modifica delle dimensioni della pupilla
  • una successiva fase più lenta
Tempo di adattamento in funzione dell’illuminamento

Tempo di adattamento in funzione dell'illuminamento

Accomodazione alle diverse distanze

Accomodazione alle diverse distanze


La persistenza dell’immagine sulla retina

La sensazione luminosa non raggiunge subito la massima intensità e, una volta spenta la sorgente luminosa, non si dilegua istantaneamente. La persistenza delle sensazioni luminose si manifesta con il cosiddetto fenomeno postumo o consecutivo. Al crescere della frequenza di intermittenza oltre una certa soglia la luce appare continua, come se fosse emessa da una sorgente stazionaria di intensità luminosa (o luminanza) pari all’intensità luminosa media della sorgente intermittente. La frequenza alla quale ciò si verifica e’ detta frequenza critica di fusione (FCF).

Frequenza critica di fusione in funzione della luminanza

Frequenza critica di fusione in funzione della luminanza

Moto continuo dovuto alla persistenza dell’immagine

Moto continuo dovuto alla persistenza dell'immagine


I difetti della vista

  • Occhio normale: l’immagine si forma sulla retina
  • miopia: l’immagine si forma anteriormente alla retina
  • ipermetropia: l’immagine si forma posteriormente alla retina
  • astigmatismo: difetto di curvatura della cornea
  • presbiopia: scarsa capacità di accomodazione dovuta all’età
Occhio miope ed ipermetrope

Occhio miope ed ipermetrope

Occhio astigmatico

Occhio astigmatico


La prestazione visiva

La CIE (Pubbl. n.19/2.1, 1981) definisce la prestazione visiva come “la velocità e la precisione con cui viene eseguito un dato compito visivo” e fornisce metodi per quantizzare tale parametro in funzione di alcune variabili.

Le grandezze più significative che entrano in gioco nella valutazione della prestazione visiva sono:

  • l’acuità visiva
  • il contrasto di luminanza
  • la soglia differenziale di luminanza
  • la velocità di percezione
  • l’acuità dimensionale.

Acuità visiva

L’acuità visiva è l’inverso del valore del più piccolo angolo (espresso in minuti di arco) sotto cui l’occhio può percepire separati due punti. Essa, a parità di caratteristiche dell’occhio, dipende dalla luminanza degli oggetti da separare e dalla luminanza dello sfondo.


Il contrasto di luminanza

Il contrasto di luminanza è il rapporto C=(Lt-Lb)/Lb, in cui Lt è la luminanza del campo centrale (oggetto), mentre Lb è quella del campo periferico (sfondo), ossia del restante campo di vista. Se un oggetto e il suo sfondo presentano lo stesso valore di illuminamento e se entrambe le superfici sono uniformemente diffondenti il contrasto risulta funzione solo dei fattori di riflessione delle superfici:

C = (ρtb)/ρb

Le prestazioni aumentano all’aumentare del contrasto

Le prestazioni aumentano all'aumentare del contrasto

Il contrasto simultaneo

Il contrasto simultaneo


Il contrasto di soglia

La soglia differenziale di luminanza è la differenza di luminanza minima percepita il 50% delle volte in determinate situazioni, |Lt-Lb|min. Essa dipende dalla luminanza dell’oggetto e dalla luminanza media dello sfondo.

Il contrasto di soglia è il contrasto minimo di un oggetto rispetto al suo sfondo per potere essere percepito il 50% delle volte in determinate situazioni.

Il reciproco del contrasto di soglia è detto sensibilità al contrasto.

La massima sensibilità si attinge per luminanze medie da 100 a 3000 cd/m2: in tali condizioni sono percepibili differenze di luminanza dell’1-2% rispetto al valore medio. Nel caso di luminanza compresa tra 3×10-2 e 3 cd/m2, le differenze devono essere dell’ordine del 15-30% per poter essere percepite.


Differenti sensibilità al contrasto

Buona sensibilità al contrasto

Buona sensibilità al contrasto

Scarsa sensibilità al contrasto

Scarsa sensibilità al contrasto


Sensibilità e frequenza spaziale

La sensibilità al contrasto è funzione della frequenza spaziale.

L’insieme di una banda scura ed una chiara in uno schema a griglia è detto ciclo.La frequenza spaziale è il numero di cicli contenuti in un angolo visivo di un grado. Ad una frequenza bassa corrispondono fasce ampie, mentre ad elevate frequenze le bande sono sottili. L’occhio umano è maggiormente sensibile a frequenze spaziali comprese tra 3 e 5 cicli per grado. La sensibilità al contrasto è massima per medie frequanze spaziali e si riduce per frequenze basse o elevate.

Relazione tra sensibilità e frequenza

Relazione tra sensibilità e frequenza


La frequenza spaziale


Contrasto di soglia

Relazioni tra il contrasto di soglia e la luminanza dello sfondo per varie dimensioni dell’oggetto e tempi di esposizione

Relazioni tra il contrasto di soglia e la luminanza dello sfondo per varie dimensioni dell'oggetto e tempi di esposizione


La velocità di percezione e l’acuità dimensionale

La velocità di percezione è l’inverso del tempo che occorre tra la presentazione di un oggetto ed il riconoscimento della sua forma. Il tempo intercorrente tra stimolo e sensazione è dell’ordine di 0.16-0.19 s, cui corrispondono velocità di 5.30-6.25 s-1.

La determinazione di tale grandezza risulta più complicata allorquando la sensazione deriva dal confronto di due stimoli.

Mentre alcuni compiti visivi, quali la lettura, la scrittura ed il disegno, richiedono una percezione bidimensionale, la maggior parte delle altre attività necessita di una buona vista nelle tre dimensioni.

L’acuità dimensionale, che dipende dalla visione stereoscopica, può essere resa ottimale con un’opportuna illuminazione che enfatizzi i rilievi.

La visione binoculare


I materiali di supporto della lezione

Illuminotecnica Capitolo 3

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