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VISION DIRECTA PARA TELEVISION

INDICE

Visión Directa

Globo Ocular

Conos y Bastones

Tipos de Visión

Otras Capas de la Retina

Sensación de Parpadeo

Persistencia Retiniana en la Televisión

Zona de Captación y Enfoque Visual

Adaptación Ocular al Nivel Lumínico

Poder de Resolución del Sistema Visual

Definición de una Imagen

Acuidad Visual

VISION DIRECTA

De la información visual que se transmite de una escena hacia el cerebro humano, se pueden nombrar 5 características, que, en orden de importancia son:

1.      Contenido Lumínico: brillos relativos de las áreas de la escena.

2.      Contenido estructural: estructura geométrica, tamaño, formas, bordes.

3.      Contenido Dinámico: movimientos de su estructura geométrica.

4.      Contenido Cromático: colores de las áreas de la escena.

5.      Contenido Estereoscópico: posiciones aparentes a lo largo de la línea de vista.

De estos cinco contenidos, la TV color consigue satisfacer en mayor o menor medida con los 4 primeros.

En cambio, el ojo humano cumple con todos ellos, incluso más, dependiendo de las habilidades de las neuronas fotorreceptoras. Entre estas habilidades se pueden nombrar las siguientes:

a)     Distinguir entre grados de luz y oscuridad (luminancia de la escena).

b)     Distinguir entre diferentes colores o longitudes de onda (crominancia).

c)      Sensación de brillo y color luego de removido el estimulo (persistencia visual).

d)     Percibir separadamente posiciones, tamaños, etc. (contenido estructural).

e)     Reconocer ancho y alto (bidimensional) y profundidad (perspectiva geométrica).

f)        Distinguir cambios dinámicos y movimientos( por el cambio de excitación de grupos de bastones y conos adyacentes).

El proceso de la visión se basa fundamentalmente en 2 tipos de células fotorreceptoras (bastones y conos) que se encuentran en la retina.

Los bastones ( rods ) actúan sobre el brillo y los conos ( cones )sobre el color.

En el caso de la TV color, cabe recordar que todo estimulo visual corresponde a una suma (mezcla aditiva) de 3 señales proporcionales a 3 longitudes de onda correspondientes a R(rojo), G(verde) y B(azul). Recordando que la difracción es proporcional a la frecuencia, o sea que el azul sufrirá un mayor ángulo de difracción que el rojo. Como el ojo reproduce la imagen de acuerdo a la sensación general de brillo, siendo de las 3 señales, el verde el de mayor contenido de luminancia, será esta longitud de onda la que se enfoque sobre la retina al pasar a través del cristalino (especie de lente), quedando el azul delante de la misma y el rojo detrás.

GLOBO OCULAR

Se trata de un esferoide de unos 24 mm de diámetro, recubierto exteriormente por 3 membranas: túnica fibrosa, túnica vascular y túnica nerviosa. En el interior se encuentran medios trasparentes y refringentes: humor acuoso, cristalino y humor vítreo.

El cristalino es una lente elástica biconvexa cuya misión es enfocar la luz sobre la superficie sensible del ojo.

La túnica fibrosa es la más externa, por la parte anterior forma la cornea y por la posterior la esclerótica.

La túnica vascular o coroides, en su parte anterior es un disco llamado iris con células pigmentadas que forman el color del ojo. En el centro del iris se encuentra la pupila, un diafragma que regula la entrada de luz por medio de un automatismo del músculo ciliar.

La túnica nerviosa o retina cubre casi todo el interior ocular, tiene un espesor de 0.3mm y se considera una expansión del nervio óptico que lo conecta al cerebro.

Esta es la superficie nerviosa, trasductora de la energía luminosa en información sensorial. Posee zonas insensibles como el punto ciego junto a la entrada del nervio óptico y muy cerca una zona de máximo rendimiento: mácula lutea, mancha amarilla o fovea.

Entre las importantes capas de la retina se puede nombrar:

1)     la capa de conos y bastones

2)     epitelio pigmentario

3)     capa granulosa

4)     capa plexiforme interna

5)     la capa de células ganglionares.

La figura siguiente muestra un corte esquematico del ojo.

CONOS Y BASTONES

Son neuronas especializadas en la recepción de los estímulos luminosos.

Los bastones son células delgadas y filamentosas, en una cantidad aproximada de 125 millones, proveen la visión en forma exclusiva en condiciones de baja iluminación (menos de 0.01Cd/m²⁾ en forma acromática.

Los conos son células con forma de botella, sensibles a la longitud de onda, por encima del umbral antes mencionado, así se dice que hay 3 grupos de conos sensibles a las longitudes próximas de los 3 colores primarios R(565), G(540) y B(435). En rigor, cada uno de estos grupos de conos son sensibles a una gama de longitudes de onda, siendo la longitud dominante dentro de cada gama, la indicada anteriormente.

TIPOS DE VISION

Según sea la intensidad de radiación o luminancia presente en la retina, será la acción conjunta o no de bastones y conos. A su vez, la intensidad de radiación en la retina, dependerá de las fuentes de luz en donde se encuentre el individuo, pudiendo ser estas fuentes naturales como la luz solar, o artificiales, como es el caso de lámparas y tubos

En consecuencia, si la escena esta muy poco iluminada, la visión será muy deficiente y no se podrán distinguir colores. Por el contrario, si la luz presente es suficiente, se distinguirán formas, colores y contornos.

Se podrá hablar de 3 tipos de visión:

q       Visión Escotópica: por debajo del umbral de 0.01Cd/m² actúan solo los bastones. Por lo tanto la visión es acromática.

q       Visión Mesópica: entre 0.01 y 100 Cd/m²  actúan bastones y conos. La resolución es media y cromática.

q       Visión Fotópica: mas de 100 Cd/m² actúan solo los conos. Gran definición de luminancia y crominancia.

La sensibilidad en el área foveal es de 3.89 10^-13 Joule con visión central y de 3.89 10^-17 Joule con visión periférica (fuera de la fovea).

Para aclarar el tema de los tipos de visión, sígase el siguiente ejemplo: la foto que se ve a continuación podría representar lo que vería el ojo humano en condiciones de mucha penumbra. En la imagen apenas se puede distinguir 2 gatitos, pero nada se sabe en cuanto a los colores de los felinos, incluso se podría llegar a pensar que ambos tienen piel de igual color. Esto es debido a que en condiciones de muy poca iluminación, Solo actúan los bastones, responsables de la información de brillo.

En términos simples, se puede decir que, en la oscuridad todos los objetos son grises.

En cambio, la siguiente foto muestra la misma imagen pero en condiciones normales de iluminación. Ahora se puede apreciar que un gatito es naranja y otro grisáceo.

Ocurre que se alcanzo el umbral para que empezaran a actuar los conos, fotorreceptores responsables del color, que junto con los bastones, trasmiten al cerebro la información completa de la imagen.

OTRAS CAPAS DE LA RETINA

El epitelio pigmentario esta constituido por células prismáticas dispuestas en hilera. Posee un pigmento llamado fucsina que actúa como materia intersticial alrededor de conos y bastones a modo de separación y cobertura. La fucsina protege a los fotorreceptoras en caso de sobreiluminacion. El epitelio pigmentario tapiza toda la retina excepto la mácula lutea.

La capa granulosa o nuclear interna posee neuronas bipolares y conecta a los fotorreceptores con la capa de células ganglionares.

La capa plexiforme interna es conexión sináptica entre estratos.

La capa de células ganglionares es el ultimo eslabón de la cadena de neuronas retinianas. Cierta teoría explica la existencia de células X e Y donde las X son sensibles al contraste de luminancia de imágenes estacionarias con gran resolución espacial y las Y son sensibles a variaciones rápidas de brillo con baja resolución espacial pero alta sensibilidad a cambios temporales (animación).

El proceso de trasduccion de la luz en información sensorial se realiza en base a cambios fisico-quimicos en los diferentes pigmentos que se hallan en las células retinianas. Así, la púrpura visual o púrpura retiniana, que es una sustancia proteica y colorante (rodopsina) de pigmentación rojiza existente en los bastones, sufre variadas trasformaciones químicas: se decolora en naranja y luego amarillo, se desdobla por la acción luminosa, pero se reconstituye por la presencia de vitamina tipo A.

SENSACION DE PARPADEO

Las impresiones luminosas no desaparecen de la retina cuando cesa el estimulo. La respuesta a la excitación impulsiva muestra un comportamiento exponencial con una constante de tiempo infinitesimal para la reacción de activación y una constante de tiempo finita para la desactivacion.

La teoría electroquimica explica esto diciendo que la púrpura retiniana (visual purple) reacciona al recibir la luz, formando un componente ácido cuya aparición produce la generación de una fuerza electromotriz, que trasmitida a través del nervio óptico llega al cerebro. Cuando el rayo luminoso cesa, afluye a la célula una sustancia alcalina que neutraliza el ácido y anula la generación de electricidad. Esta reacción demanda un cierto tiempo, con una ley de decremento exponencial .

Este tipo de respuesta hace que la sensación luminosa persista durante un lapso que varia, según los individuos entre 1/15 y 1/20 segundos.

Si la fuente de luz produce una serie de impulsos luminosos, que el cerebro lo perciba como un parpadeo o en cambio como un continuo, dependerá del cumplimiento de ciertas condiciones tales como: longitud de onda dominante de la radiación, intensidad luminosa pico, periodo del tren de impulsos, etc.

LA PERSISTENCIA RETINIANA EN TELEVISION

La técnica de televisión, se vale de la persistencia retiniana para que el cerebro conforme una imagen completa, aunque en la pantalla solo se ilumina un punto a la vez. Lo que sucede, es que el barrido de puntos luminosos sobre la pantalla del televisor ocurre a una velocidad tal, que el cerebro lo interpreta como un continuo.

Para que esto se cumpla, existe una frecuencia de repetición mínima, que no puede disminuirse, sin que ocurra el parpadeo (flicker).

Experimentalmente se estableció el valor de ritmo de imágenes, que estas características fisiológicas trae aparejadas. Para el cine se adoptó24 fotogramas por segundo (un obturador o shutter ayuda a evitar el parpadeo). Para la televisión, se cumplen 25 imágenes completas por segundo, o más (según el sistema de exploración)

Existe una ley empírica, llamada de Ferry Porter que establece la frecuencia mínima por debajo de la cual el cerebro comienza a percibir la sensación de parpadeo. A esta frecuencia se la llama frecuencia de fusión critica, y queda expresada analíticamente, en forma aproximada y restringida por la siguiente ecuación:

Donde :

A = 12Hz (visión fotopica); A = 1.5Hz(visión escotopica)

B =brillo de la imagen en Cd/m²

C = 16Hz(visión fotopica); C = 31Hz(visión escotopica).

Otra formula empírica más exacta establece:

Donde:

Bp: luminancia promedio de la excitación

R: amplitud de la modulación dada entre la iluminación retinal fundamental y

la promedio.

Experiencias demostraron que el parpadeo al observar una pantalla de televisión, depende, además, de otros factores como:

1) la luminancia

2) la crominancia

3) variaciones de luminancia y crominancia

4) tamaño de la pantalla

5) distancia de observación

6) iluminación ambiente

7) ángulo que forma la línea de vista con el plano de la pantalla del receptor.

ZONA DE CAPTACION Y ENFOQUE VISUAL

Se llama campo visual a la zona donde se es capaz de percibir información luminosa en forma simultanea (se puede medir con un campímetro). Esta zona, para el ojo normal (emétrope) corresponde a ángulos indicados en la siguiente tabla, siempre tomando como referencia la perpendicular central al cristalino.

dirección	Sentido	Angulo (en grados)
vertical	Hacia arriba	70
	Hacia abajo	80
horizontal	Externo	100
	interno	60
Visión binocular	Horizontal	200
	vertical	150

La relacion entre los campos horizontal y vertical de la visión binocular es de 4:3.

La formación de la imagen sobre la retina se logra mediante una acción de enfoque llevada a cabo por el cristalino, que altera su curvatura a fin de variar su distancia focal. Esta modificación de la curvatura (acción refleja de fibras musculares del cuerpo ciliar) se conoce como proceso de acomodación.

La función principal del iris no es solo la de adaptar distintos niveles luminicos sino, además, la de proveer un mecanismo que maximize la agudeza y la profundidad del campo focal del sistema visual, bien cuando la iluminación de la escena es mayor que la superficie o bien cuando se miran objetos a cortas distancias. En este ultimo caso, con un mecanismo llamado reflejo a la visión próxima, la pupila disminuye su tamaño a fin de reducir posibles aberraciones y aumentar la profundidad de foco, en la observación de puntos cercanos.

La potencia del lente cristalino varia con la edad del individuo, cayendo, primero lenta y luego mas rápidamente con el aumento de la edad. Este problema conocido como presbicia es causado por la esclerosis del cristalino que pierde elasticidad y tiende a permanecer en forma relajada. En la siguiente tabla se observa la potencia del cristalino conforme aumenta la edad del individuo.

Al nacer	15 dioptrías
30 años	Disminuye más rápido
45 años	4 dioptrías
60 años	2 dioptrías

ADAPTACION OCULAR AL NIVEL LUMINICO

Se entiende por adaptación a la capacidad del sistema visual para autoajustar su respuesta frente a variaciones de la luz incidente, tanto cualitativas como cuantitativas.

Se pueden distinguir 3 tipos de ajustes:

§         Adaptación General: se refiere a la acción de modificación de la sensibilidad de la superficie retiniana completa, en conjunto con la acción servomotora del iris.

§         Adaptación Particular o Local: involucra efectos localizados en pequeñas áreas retinianas.

§         Adaptación Adyacente o Lateral: esta relacionada con reacciones producidas entre distintas áreas retinianas adyacentes .

En el caso de adaptación general, la respuesta temporal cuando se pasa de oscuridad a claridad es muy rápida, alrededor de 1 segundo, siempre que no haya deslumbramiento debido a un salto muy grande de iluminación. El proceso inverso, en cambio, requiere mayor tiempo, unos 10 minutos o más. Estos intervalos son conocidos como tiempos de acostumbramiento.

El tiempo de adaptación particular depende de los niveles energéticos en cuestión, pero suele aproximarse a valores de algunos segundos.

La diafotia entre áreas adyacentes dentro de la retina, por la adaptación adyacente, produce diversas ilusiones tanto acromáticas como cromáticas. Este tipo de adaptación es invariante temporal.

PODER DE RESOLUCION DEL SISTEMA VISUAL

También se lo conoce como poder de separación, es la capacidad para percibir objetos de pequeñas dimensiones relativas y distinguir detalles finos de la escena. Depende de:

1)     Objeto bajo observación.

2)     Distribución espectral de la luz que ilumina al objeto y alrededores.

3)     Contraste luminoso existente entre el objeto y el fondo circundante.

DEFINICIóN DE UNA IMAGEN

Se dice que una imagen tiene mayor definición cuanto más detalles finos reproduce.

Para comprobar la definición de la luminancia de un sistema reproductor, existen imágenes de prueba (miras de definición) que poseen dibujos consistentes en barras alternadas de blanco y negro, de distintos anchos. Al enfocarse con una cámara de TV estas miras, se genera una señal de video con forma de onda cuadrada, de frecuencia fundamental creciente, conforme disminuye el ancho de barras (líneas de definición). Cuanto mayor sea el numero de líneas visibles por unidad de longitud, mayor será la definición.

Así mismo, otro tanto se puede hacer con la croma, recurriendo a barras de colores, alternando con 2 tonalidades, etc.

Existen barras de colores estandar en televisión, donde se dibujan los 3 colores primarios, los sendos complementarios, el negro y el blanco, ordenados de mayor a menor luminancia. Estas barras se usan para el ajuste del receptor de televisión.

ACUIDAD VISIVA

La acuidad visiva es la característica fisiológica del ojo humano por la que un observador puede resolver detalles finos de una imagen. Se distinguen 4 tipos de acuidad:

1.      Acuidad lineal. Es la habilidad para ver una línea fina de ancho conocido.

2.      Acuidad puntual. Es un caso particular del anterior, en que la línea se reduce a un punto.

3.      Acuidad vernier. Es la habilidad para ver una discontinuidad en una línea.

4.      Acuidad espacial. Es la habilidad para ver 2 líneas o 2 puntos como separados, independientes y distintos.

Se denomina ángulo de separación (α) medido en minutos de arco, al ángulo mínimo de visión subtendible al punto nodal del ojo por 2 puntos objeto para que sean percibidos como separados y distintos. Su reciproco mide el poder separador.

En la técnica de televisión, la acuidad visiva se mide como el ángulo producido por el detalle visible más pequeño de un objeto. Depende de la estructura de conos y bastones, también depende del color.

Es un parámetro fundamental para reproducir lo mas fielmente posible los detalles finos.

Trabajo de Investigación realizado por:

R. G. Bosco

Ingeniero Electrónico - Universidad de Buenos Aires-

Buenos Aires, Argentina

rgbosco@hotmail.com