3.1 Sistema visual humano

O olho humano é o sensor responsável pela captação da informação visual do ambiente, ele trabalha em conjunto com o cérebro para extrair e interpretar todo o ambiente ao seu redor. O globo ocular e um dispositivo biológico de captura bastante complexo e com diversas estruturas e componentes.

Figura 3.1: Corte transversal do olho humano.

O formato do globo ocular é aproximadamente esférico, com cerca de 20 mm de diâmetro, situado no interior de uma cavidade óssea, chamada órbita, sendo protegido pelas pálpebras e os cílios.

O globo ocular é aderido à órbita pelos músculos extrínsecos, conferindo assim a sua capacidade de movimentação.

Figura 3.2: Ilustração das estruturas visíveis do olho.

Três membranas envolvem o globo ocular, formando assim três camadas, sendo:

Camada externa formada pela esclerótica e pela córnea.

A esclerótica é uma camada resistente e opaca que envolve o globo ocular, uma das suas principais funções é proteger as estruturas internas do globo ocular, essa camada é popularmente conhecida como a “parte branca” dos olhos. Na parte frontal do globo, localiza-se a córnea, que é um tecido transparente por onde a luz penetra no olho. Ela é como uma janela para o mundo e funciona como uma lente, cujo poder de refração deve permite que a imagem se forme em uma camada interna neurossensorial, a retina.
Camada intermediária formada pela coróide, íris e corpo ciliar.

A coróide está localizada em uma camada abaixo da esclerótica. Essa membrana contém uma rede de vasos sanguíneos, que nutrem as sensíveis estruturas oculares. O revestimento da coróide é fortemente pigmentado, e atua como um isolante óptico, ajudando a reduzir a quantidade de luz que entra no olho.

A íris é responsável por controlar a quantidade de luz que penetra no olho. A pigmentação e estrutura da íris que determina a “cor dos olhos” de uma pessoa. A íris possui uma abertura central, cujo diâmetro varia de 2 a 8 mm. Essa abertura é chamada de pupila. A pupila é capaz de controlar o seu tamanho, se expandindo ou se contraindo de acordo com a luminosidade do ambiente, sendo assim um regulador da entrada de luz no olho.

Figura 3.3: Imagem que ilustra a dilatação das pupilas.

Mais internamente, exatamente atrás da íris, está o cristalino, que é uma lente gelatinosa e elástica, cuja função é auxiliar a córnea a focalizar a luz que entra no olho para formar a imagem na retina. A distância focal do cristalino é modificada por movimentos de um conjunto de músculos em formato de anel, os músculos ciliares, permitindo assim o ajuste da visão em relação a distancia, para objetos mais próximos ou mais distantes.
Camada interna formada pela retina.

Imediatamente atrás das lentes, localiza-se a maior câmara do olho, a qual está preenchida por dois líquidos: mais internamente por um fluido viscoso chamado humor vítreo, produzido pelo corpo ciliar. Já entre a córnea e o cristalino está presente o humor aquoso que é um líquido incolor. Ambos os fluídos são responsáveis pela manutenção do volume e da pressão intra-ocular.

A retina é uma uma camada de tecidos nervosos que reveste a membrana mais interna do olho. A retina é responsável pela sensoriamento da imagem visual projetada pelas estruturas da parte frontal do olho, além de codificar essas informações através de sinais nervosos e transmiti-las para o cérebro.

Cada olho recebe e envia ao cérebro uma imagem, no entanto, os objetos são vistos como um só, devido à capacidade de fusão das imagens. A visão binocular (com os dois olhos) habilita a noção de profundidade além de fornecer um maior campo visual. Essa capacidade de fusão de duas imagens gera o que chamamos de visão estereoscópica (ou visão estéreo).

Há uma pequena região da retina onde está localizado o nervo óptico, que não não possui fotorreceptores. Portanto, essa região não captura informações diretamente e é chamada de Ponto Cego.

A retina é composta por duas células sensíveis à luz, os cones e os bastonetes. Essas células transformam a energia luminosa das imagens em impulsos elétricos que são transmitidos ao cérebro pelo nervo óptico. Essa transformação ocorre através de um processo químico que acontece tanto nos bastonetes quanto nos cones quando a luz atinge a retina. As transformações químicas utilizam a vitamina A como composto para a síntese de substâncias fotossensíveis.

Os Cones apresentam as seguintes características:

São altamente sensíveis à cor e responsáveis pela capacidade do olho em discernir os detalhes cromáticos nas imagens.
São em menor número que os bastonetes, presentes em quantidades que variam de 6 a 7 milhões em cada olho.
Os Cones estão localizados na porção central da retina, esta área é chamada de mácula lútea.
Ao centro da mácula lútea está a fóvea, uma região onde as células nervosas estão afastadas lateralmente, permitindo que a luz atinja diretamente os receptores. Essa característica faz com que a fóvea seja a região com acuidade visual máxima.

Em contrapartida, os Bastonetes possuem as seguintes propriedades:

São muito mais numerosos, com quantidade entre 75 a 150 milhões em cada olho.
Os Bastonetes são distribuídos na superfície periférica da retina.
Os Bastonetes são mais sensíveis à baixa intensidade de luz e permitem uma percepção mais geral da imagem captada no campo de visão.

Existem uma grande quantidade de semelhanças que podem ser destacadas entre o sistema visual humano e um sistema de sensores. Um exemplo pode ser dado para uma câmera fotográfica, onde apresenta as seguintes relações de semelhanças:

O obturador da câmera fotográfica possui função similar à da pálpebra do olho.
O diafragma de uma câmera controla a quantidade de luz que atravessa as lentes, similar à iris no olho humano.
As lentes da câmera são análogas ao conjunto formado pelo cristalino e córnea, cujo objetivo comum é focalizar a luz para tornar nítidas as imagens que serão formadas em uma superfície sensível.
Os sensores (como o CCD e o CMOS) são superfícies fotossensíveis. No olho humano, quem a faz o papel da superfície fotossensível é a retina.

Os sensores de captura, como câmeras fotográficas e de vídeo, em conjunto com os métodos de processamento de imagens podem ser vistos como sistemas visuais artificiais. Estes sistemas serão estudados em seu formato digital nesta disciplina.