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).

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.

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.

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.

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

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.

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.

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

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).

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

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=(L_t-L_b)/L_b, in cui L_t è la luminanza del campo centrale (oggetto), mentre L_b 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 = (ρ_t-ρ_b)/ρ_b

Il contrasto di soglia

La soglia differenziale di luminanza è la differenza di luminanza minima percepita il 50% delle volte in determinate situazioni, |L_t-L_b|_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.

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.