MENGGUNAKAN HARDWARE GRAFIS
BAB 7 PERSEPSI VISUAL
7.5 BIDANG PANDANG DAN KETAJAMAN
Dua kelas fotoreseptor di retina manusia peka terhadap rentang kecerahan yang berbeda. Kerucut memberikan informasi visual atas sebagian besar dari apa yang kami anggap kondisi pencahayaan normal, mulai dari cahaya matahari yang terang hingga pencahayaan dalam ruangan yang redup. Batang hanya efektif pada tingkat cahaya yang sangat rendah.
Penglihatan fotopik melibatkan cahaya terang di mana hanya sel kerucut yang efektif.
Scotopicvision melibatkan cahaya gelap di mana hanya batang yang efektif. Ada kisaran intensitas di mana kerucut dan batang peka terhadap perubahan cahaya, yang disebut sebagai kondisi mesopik (lihat Bab 7).
Tidak ada cukup lebar pita dalam korteks visual manusia untuk memproses informasi yang akan menghasilkan sampel intensitas gambar di seluruh retina. Kombinasi pengepakan fotoreseptor densitas variabel di retina dan mekanisme untuk gerakan mata yang cepat untuk menunjuk pada area yang diminati menyediakan cara untuk mengoptimalkan ketajaman dan bidang pandang secara bersamaan. Hewan lain telah mengembangkan cara yang berbeda untuk menyeimbangkan ketajaman dan bidang pandang yang tidak bergantung pada gerakan mata yang cepat. Beberapa hanya memiliki ketajaman penglihatan yang tinggi, tetapi terbatas pada bidang pandang yang sempit. Yang lain memiliki visi bidang pandang yang luas, tetapi kemampuan terbatas untuk melihat detail.
Gerak mata yang memfokuskan bidang minat di lingkungan pada fovea disebut saccades. Saccades terjadi dengan sangat cepat. Waktu dari stimulus pemicu hingga penyelesaian gerakan mata adalah 150–200 ms. Sebagian besar waktu ini dihabiskan dalam perencanaan sistem visi saccade. Gerak sebenarnya membutuhkan waktu rata-rata 20 ms atau lebih. Mata bergerak sangat cepat selama saccade, dengan kecepatan rotasi maksimum seringkali melebihi 500◦/detik. Di antara saccades, mata mengarah ke area yang diinginkan (fiksat), membutuhkan waktu sekitar 300 ms untuk memperoleh informasi visual detail yang halus. Mekanisme di mana beberapa fiksasi diintegrasikan untuk membentuk rasa subjektif keseluruhan dari detail halus pada bidang pandang yang luas tidak dipahami dengan baik.
Gambar 7.17 menunjukkan kepadatan pengepakan variabel kerucut dan batang di retina manusia. Kerucut, yang bertanggung jawab untuk penglihatan di bawah pencahayaan normal, terletak paling dekat di fovea retina (Gambar 7.17). Ketika mata terpaku pada suatu titik tertentu di lingkungan, bayangan titik tersebut jatuh pada fovea. Kepadatan pengepakan kerucut yang lebih tinggi di fovea menghasilkan frekuensi pengambilan sampel yang lebih tinggi dari cahaya yang dicitrakan (lihat Bab 9) dan karenanya detail yang lebih besar dalam pola sampel. Penglihatan foveal mencakup sekitar 1,7◦, yang merupakan sudut visual yang sama dengan lebar ibu jari Anda sepanjang lengan.
Sementara versi Gambar 7.17 muncul di sebagian besar teks pengantar tentang persepsi visual manusia, versi ini hanya memberikan sebagian penjelasan untuk keterbatasan neurofisiologis pada ketajaman visual. Output dari masing-masing batang dan kerucut dikumpulkan dalam berbagai cara oleh interkoneksi saraf di mata, sebelum informasi dikirimkan melalui saraf optik ke korteks visual.6 Penyatuan ini menyaring sinyal yang diberikan oleh pola iluminasi insiden dengan cara yang berdampak penting pada pola cahaya yang dapat dideteksi. Khususnya, semakin jauh dari fovea, semakin besar area di mana kecerahan dirata-ratakan. Akibatnya, ketajaman spasial turun tajam dari fovea. Sebagian besar gambar yang menunjukkan kepadatan pengepakan batang dan kerucut menunjukkan lokasi titik buta retina, di mana berkas saraf yang membawa informasi optik dari mata ke otak melewati retina, dan tidak ada kepekaan terhadap cahaya. Pada umumnya, satu-satunya dampak praktis dari bintik buta pada persepsi dunia nyata adalah penggunaannya sebagai ilusi
6 Semua sel di saraf optik dan hampir semua sel di korteks visual memiliki bidang reseptif retina yang terkait.
Pola cahaya yang mengenai retina di luar bidang reseptif sel tidak berpengaruh pada laju penembakan sel itu.
dalam teks persepsi pengantar, karena gerakan mata normal sebaliknya mengkompensasi hilangnya informasi sementara.
Gambar 7.17. Kepadatan batang dan kerucut di retina manusia (setelah Osterberg (1935)).
Seperti ditunjukkan pada Gambar 7.17, kerapatan pengepakan batang turun menjadi nol di tengah fovea. Jauh dari fovea, densitas batang pertama kali meningkat dan kemudian menurun. Salah satu akibatnya adalah tidak adanya penglihatan foveal saat penerangan sangat rendah. Kurangnya batang di fovea dapat ditunjukkan dengan mengamati langit malam di malam tanpa bulan, jauh dari lampu kota mana pun. Beberapa bintang akan sangat redup sehingga akan terlihat jika Anda melihat suatu titik di langit sedikit ke sisi bintang, tetapi mereka akan menghilang jika Anda melihatnya secara langsung. Hal ini terjadi karena ketika Anda melihat langsung ke fitur-fitur ini, gambar fitur hanya jatuh pada kerucut di retina, yang tidak cukup peka cahaya untuk mendeteksi fitur tersebut. Melihat sedikit ke samping menyebabkan gambar jatuh pada kerucut yang lebih peka cahaya. Penglihatan skotopik juga terbatas dalam ketajaman, sebagian karena kepadatan batang yang lebih rendah di sebagian besar retina dan sebagian karena pengumpulan sinyal yang lebih besar dari batang terjadi di retina untuk meningkatkan sensitivitas cahaya dari informasi visual yang diteruskan kembali ke otak.
Motion - Gerakan
Saat membaca tentang persepsi visual dan melihat gambar statis pada halaman cetak, mudah untuk melupakan bahwa gerakan meresap dalam pengalaman visual kita. Pola cahaya yang jatuh di sana terus berubah karena gerakan mata dan tubuh serta gerakan benda-benda di dunia. Bagian ini mencakup kemampuan kita untuk mendeteksi gerakan visual.
Deteksi gerakan dalam pola tertentu dari cahaya yang jatuh pada retina adalah fungsi kompleks dari kecepatan, arah, ukuran pola, dan kontras. Masalah ini semakin rumit karena efek kontras simultan terjadi untuk persepsi gerakan dengan cara yang mirip dengan yang diamati pada persepsi kecerahan. Dalam kasus ekstrim dari satu pola kecil yang bergerak melawan latar belakang yang kontras dan homogen, gerakan yang dapat dipahami membutuhkan laju gerakan yang sesuai dengan sudut visual 0,2◦–0,3◦/detik. Gerakan dari pola yang sama bergerak melawan pola bertekstur dapat dideteksi pada kecepatan sekitar sepersepuluh ini.
Dengan kepekaan terhadap gerakan retina ini, dikombinasikan dengan frekuensi dan kecepatan gerakan mata saccadic, mengejutkan bahwa dunia biasanya tampak stabil dan tidak bergerak ketika kita melihatnya. Sistem visi menyelesaikan ini dalam tiga cara. Sensitivitas kontras berkurang selama saccades, mengurangi efek visual yang dihasilkan oleh perubahan posisi mata yang cepat ini. Di antara saccades, berbagai mekanisme canggih dan kompleks menyesuaikan posisi mata untuk mengimbangi gerakan kepala dan tubuh serta gerakan objek yang menarik di dunia. Akhirnya, sistem visual mengeksploitasi informasi tentang posisi mata untuk merakit sebuah mosaik dari petak-petak kecil gambar resolusi tinggi dari beberapa fiksasi menjadi satu kesatuan yang stabil.
Pergerakan garis lurus dan tepi menjadi ambigu jika tidak ada titik akhir atau sudut yang terlihat, fenomena yang tidak disebut sebagai masalah bukaan (Gambar 7.18). Apertur bermasalah karena komponen gerak yang sejajar dengan garis atau tepi tidak menghasilkan perubahan visual apa pun. Geometri dunia nyata cukup kompleks sehingga jarang menyebabkan kesulitan dalam praktik, kecuali untuk ilusi yang disengaja seperti tiang tukang cukur. Geometri dan tekstur yang disederhanakan ditemukan di beberapa rendering grafis komputer, bagaimanapun, memiliki potensi untuk memperkenalkan ketidakakuratan dalam gerakan yang dirasakan.
Gambar 7.18. Masalah bukaan: (a) Jika garis lurus atau tepi bergerak sedemikian rupa sehingga titik ujungnya tersembunyi, informasi visual tidak cukup untuk menentukan gerakan garis yang sebenarnya. (b) Gerak 2D dari sebuah garis tidak ambigu jika ada sudut
atau tanda pembeda lainnya pada garis tersebut.
Grafis komputer real-time, film, dan video tidak akan mungkin terjadi tanpa fenomena persepsi penting: gerakan terputus-putus, di mana serangkaian gambar statis terlihat untuk interval waktu yang berbeda dan kemudian bergerak dengan interval diskrit dalam ruang, hampir tidak dapat dibedakan. dari gerakan terus menerus. Efeknya disebut gerakan semu untuk menyoroti bahwa munculnya gerakan terus menerus adalah ilusi.
Gambar 7.19 mengilustrasikan perbedaan antara gerakan kontinu, yang merupakan ciri khas dunia nyata, dan gerakan semu, yang dihasilkan oleh hampir semua perangkat tampilan gambar dinamis. Gerak yang diplot pada Gambar 7.19 (b) terdiri dari gerakan rata-rata yang sebanding dengan yang ditunjukkan pada Gambar 7.19 (a), dimodulasi oleh frekuensi ruang-waktu tinggi yang menyebabkan pergantian antara pola stasioner dan pola
yang bergerak terputus-putus ke lokasi baru. Persepsi nyata dari gerakan terus menerus terjadi karena sistem visual tidak peka terhadap komponen frekuensi tinggi dari gerakan.
Rasa yang menarik dari gerakan nyata terjadi ketika kecepatan munculnya gambar individu di atas sekitar 10 Hz, selama perubahan posisi antara gambar yang berurutan tidak terlalu besar. Namun, kecepatan ini tidak cukup cepat untuk menghasilkan sensasi gerak berkelanjutan yang memuaskan bagi sebagian besar perangkat tampilan gambar. Hampir semua perangkat tersebut memperkenalkan variasi kecerahan saat satu gambar dialihkan ke gambar berikutnya. Dalam kondisi pencahayaan yang baik, sistem visual manusia peka terhadap kecerahan yang bervariasi ini untuk tingkat variasi hingga sekitar 80 Hz. Dalam cahaya yang lebih rendah, kemampuan deteksi hadir hingga sekitar 40 Hz. Ketika tingkat kecerahan bolak-balik cukup tinggi, fusi yang lebih cepat terjadi dan variasi tidak lagi terlihat.
Gambar 7.19. (a) Gerak terus menerus. (b) Gerak terputus-putus dengan kecepatan rata-rata yang sama. Dalam beberapa keadaan, persepsi kedua pola gerak ini mungkin serupa.
Untuk menghasilkan sensasi gerak visual yang menarik, tampilan gambar harus memenuhi dua batasan terpisah:
gambar harus diperbarui pada kecepatan ≥10 Hz;
setiap kedipan yang terjadi dalam proses memperbarui gambar harus terjadi pada kecepatan ≥60–80Hz.
Salah satu solusinya adalah mengharuskan kecepatan pembaruan gambar lebih besar dari atau sama dengan 60–80Hz. Namun, dalam banyak situasi, ini sama sekali tidak mungkin.
Untuk tampilan grafis komputer, waktu komputasi bingkai seringkali jauh lebih besar dari 12–
15 mdtk. Bandwidth transmisi dan batasan teknologi monitor lama membatasi siaran televisi normal hingga 25–30 gambar per detik. (Beberapa format HDTV beroperasi pada 60 gambar/dtk.) Film memperbarui gambar pada 24 bingkai/detik karena persyaratan waktu pencahayaan dan kesulitan mekanis dari film yang bergerak secara fisik lebih cepat dari itu.
Teknologi tampilan yang berbeda memecahkan masalah ini dengan cara yang berbeda.
Tampilan komputer menyegarkan gambar yang ditampilkan pada 70–80 Hz, terlepas dari seberapa sering kontensoftheimage berubah. Istilah kecepatan bingkai tidak jelas untuk tampilan seperti itu, karena dua nilai diperlukan untuk mengkarakterisasi tampilan ini:
kecepatan refresh, yang menunjukkan kecepatan gambar ditampilkan ulang dan kecepatan pembaruan bingkai, yang menunjukkan kecepatan gambar baru dihasilkan untuk tampilan.
Televisi siaran nonHDTV standar menggunakan kecepatan refresh 60 Hz (NTSC, digunakan di Amerika Utara dan beberapa lokasi lain) atau 50 Hz (PAL, digunakan di sebagian besar belahan dunia lainnya). Kecepatan pembaruan bingkai adalah setengah dari kecepatan refresh. Alih-alih menampilkan setiap gambar baru dua kali, tampilan tersebut saling terkait dengan membagi garis horizontal gambar bolak-balik menjadi bidang genap dan ganjil dan tampilan bidang genap dan ganjil ini bergantian. Kedipan dihindari dalam film dengan menggunakan rana mekanis untuk mengedipkan setiap bingkai film tiga kali sebelum pindah ke bingkai berikutnya, menghasilkan kecepatan refresh 72 Hz sambil mempertahankan kecepatan pembaruan bingkai 24 Hz.
Penggunaan gerakan semu untuk mensimulasikan gerakan kontinu terkadang menghasilkan artefak yang tidak diinginkan. Yang paling terkenal dari ini adalah ilusi roda gerobak di mana jari-jari roda yang berputar tampak berputar ke arah yang berlawanan dari apa yang diharapkan mengingat gerakan translasi roda. Ilusi roda gerobak adalah contoh aliasing temporal. Jari-jari, atau pola periodik spasial lainnya pada piringan yang berputar, menghasilkan sinyal periodik temporal untuk melihat lokasi yang tetap terhadap pusat roda atau piringan. Tingkat pembaruan bingkai tetap memiliki efek pengambilan sampel sinyal periodik temporal ini dalam waktu. Jika frekuensi temporal dari pola sampel terlalu tinggi, hasil undersampling di alias, frekuensi temporal yang lebih rendah muncul saat gambar ditampilkan. Dalam beberapa keadaan, distorsi frekuensi temporal ini menyebabkan distorsi spasial di mana roda tampak bergerak mundur. Ilusi roda gerobak lebih mungkin terjadi dengan film dibandingkan dengan video, karena tingkat pengambilan sampel temporal lebih rendah.
Masalah juga dapat terjadi ketika gambar gerak semu diubah dari satu media ke media lainnya. Ini menjadi perhatian khusus ketika film 24 Hz ditransfer ke video. Tidak hanya format non-interlaced yang perlu diterjemahkan ke format interlaced, tetapi tidak ada cara langsung untuk berpindah dari 24 frame per detik ke 50 atau 60 bidang per detik. Beberapa perangkat tampilan kelas atas memiliki kemampuan untuk mengkompensasi sebagian artefak yang diperkenalkan saat film dikonversi ke video.