Fundamentos físicos del sonido y la luz: percepción y movimientos ondulatorios

Índice

• Percepción
• Movimientos ondulatorios
• Naturaleza de la Luz
• Naturaleza del Color
• Naturaleza del Sonido

Percepción (1)

■ Función psíquica que permite al cerebro formar una representación de la realidad que le rodea a partir de la información de los sentidos. Lo que realmente percibimos depende de la información de los sentidos (e.g. la luz que entra en la retina, el sonido que entra al oído) y de cómo esta es procesada por el cerebro.

■ Hecho: Un trozo de carbon a plena luz del día puede reflejar más luz, en términos absolutos, que un copo de nieve en un lugar oscuro. Sin embargo, nuestro cerebro compensa ese hecho, haciendo que percibamos un objeto 'blanco' como más luminoso que uno `negro', independientemente de la luz que lo ilumina.

Percepción (1)

■ Hermann Helmholtz (1821-1894) es considerado el pionero en el estudio de la percepción visual en la época moderna. · De su estudio fisiológico del oio humano concluvó que, debido a su pobre calidad óptica, la información que proporciona es a la fuerza incompleta, y concluyó que el cerebro completa dicha información a partir de la experiencia aprendida a lo largo de generaciones.

Ejemplos de experiencia aprendida:

• La luz viene de arriba
• Los objetos normalmente no se ven desde abajo
• Los rostros se ven (y reconocen) en posición vertical
• Los objetos más cercanos pueden bloquear la visión de objetos más distantes, pero no al revés
• Las figuras (objetos en primer plano) suelen tener bordes convexos

Percepción (2)

■ La percepción de la luminosidad, Checker Shadow Illusion (Edward H. Adelson, profesor del MIT) A B Edward H. Adelson

Percepción (2)

■ La percepción de la luminosidad, Checker Shadow Illusion (Edward H. Adelson, profesor del MIT) A A B Edward H. Adelson

Percepción (3)

■ la percepción del movimiento (i.e. proceso por el que se infiere la velocidad y dirección de los objetos en una escena comparando el cambio de posición de los mismos), - y la percepción de la profundidad (i.e. proceso por el percibimos el mundo en 3D y podemos medir la distancia a la que están los objetos) . ... se pueden conseguir, en parte, utilizando ilusiones sensoriales Beta movement

Percepción (y 4)

Conclusión

■ El cómo percibimos el mundo que nos rodea es un campo amplísimo de la ciencia que no pretendemos abarcar en este curso.

■ Las explicaciones sobre la naturaleza de ils luz/sonido que veremos a lo largo del temario no pueden (ni pretenden) explicar la percepción subjetiva que tenemos de ellas.

■ Pero son igualmente la base de la grabación, almacenamiento v reproon-ción de imagen/sonido.

■ Con todo, hay procesos audiovisuales donde la percepción sí debe ser tenida en cuenta.

■ E.g. iluminación (balance de blancos), almacenamiento (compresión de contenido multimedia), sonido (sonido envolvente).

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Movimientos Ondulatorios (1)

■ La forma de modelar matemáticamente un movimiento ondulatorio es mediante una señal sinusoidal.

■ El eje Y representa una magnitud (e.g. intensidad del sonido, intensidad de la luz) y el X cómo varía esta en función del tiempo Y X

Movimientos Ondulatorios (2)

1 sec. 2 sec. 3 sec. Ciclo: movimiento completo de la onda.

■ Frecuencia Ciclos por segundo.

■ unidad de medida Hertzio (Hz) N Hertzios -> la fuente vibra N veces por segundo. · Válido para cualquier movimiento ondulatorio.

■ Sonido: Un diapason "la 440" que se emplea en música vibra a una frecuencia de 440 Hz.

■ LUZ Tiene una frecuencia de unos 500 THz (500, teraherzios o trillones de ciclos por segundo).

Movimientos Ondulatorios (3)

Amplitud:

■ punto de equilibrio. Máxima extensión de una onda desde el . Dos ondas de igual frecuencia pueden tener amplitud diferente. +2 +1 0 -1 + -2 MAMA AV +

Movimientos Ondulatorios (4)

■ Si dos ondas coinciden al mismo tiempo en el mismo lugar interactúan formando una nueva onda.

■ Los valores positivos/negativos de amplitud de ambas ondas pueden sumarse o cancelarse mutuamente. · E.g. se emplea en sistemas activos de cancelación de ruido. +Y Wave 1 Resultant wave 1 Wave 2 , / 1 1 1 1 / 1 1 1 X [time] 1 -Y+

Movimientos Ondulatorios (5)

Fase

■ Medida del desplazamiento temporal entre los ciclos de dos ondas idénticas. . Se mide en grados (0-360º) o radianes (0-2*pi) . Si se combinan dos ondas iquales en fase. la amplitud resultante es el doble (luz más brillante, sonido más alto) +1 + 0 = 0 -1 -1 -1

Movimientos Ondulatorios (6)

■ Si se combinan dos ondas iguales desfasadas exactamente medio ciclo (180º o pi radianes), la amplitud resultante es cero. + 5 (0) A +1 +1 F + = 0 -1 L

Movimientos Ondulatorios (y 7)

Armónicos

Ondas con frecuencias relacionadas por ratios aritméticos

■ Particularmente importantes en sonido Fundamental [1st harmonic] 2nd harmonic 3rd harmonic

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Naturaleza de la Luz

■ Aunque tiene características tanto de onda como de partícula, para nuestros propósitos en general será más útil la consideración como onda.

■ Maxwell(1831-79)

■ Descubrió que las fuerzas eléctricas y magnéticas están relacionadas, y que en el vacio un onda electromagnetica viaja a la misma velocidad que la luz. Por ello conjeturo que la luz visible es una forma de onda electromagnética, y que podría haber otras formas no sibles de radiación electromagnética. Luz .: Radiación de ondas electromagnéticas que se irradian desde una fuente.

Espectro Electromagnético (1)

Hoy en día se sabe que hav diferentes tipos de se ondas electromagnéticas que se diferencian, básicamente, por su frecuencia. ocupa solo una pequeña parte del espectro electromagnético. Electromagnetic Spectrum Frequency (Hz) Wavelength Gamma-rays 0.1 Å 1019 [1 Å 1 0.1 nm 1018 X-rays 1 nm 400 nm 1017 10 nm 1016 Ultraviolet 500 nm 100 nm 1015 Visible Near IR 1000 nm 1 um 600 nm 1014 Infra-red 10 μm 1013 700 nm Thermal IR 100 um 1012 Far IR _[ 1000 um 1 1 mm 1011 UHF Microwaves - 1 cm 1010 Radar 10 cm 109 VHF 7-13 108 Radio, TV 00 MHZ FM 10 m VHF 107 2-6 50 MHZ 106 AM 1000 m Long-waves que electromagnéticas electromagnéticas . La luz visible 100 MHZ 5 0 MHZ 1 m 100 m

Espectro Electromagnético (y 2)

■ Dentro del espectro de luz visible, los diferentes colores están asociados a diferentes longitudes de onda. Ultraviolet Infrared range range Violet Indigo Blue Green Yellow Orange Red 400 450 500 550 600 650 700 Nanometers

Medida de la luz

Potencia ([vatios], [W])

■ Cantidad total de energía consumida/emitida por la fuente de luz. Una parte se presenta en forma de luz visible y otra parte en forma de calor.

Luminosidad ([lumens], [lm])

Cantidad de luz visible emitida por una fuente.

Brillo

. Medida subjetiva de cuán brillante parece una fuente para el ojo humano. E.g. Una misma fuente de luz resulta más brillante de noche que a plena luz del día.

Reflexión

Reflexión

■ Fenómeno que se produce cuando la luz rebota' en la superficie que separa dos medios. · Aplicable a cualquier tipo de onda (e.g. luz, sonido, olas, ... ). · Factores de los que depende: T

■ La superficie (e.g. una superficie clara y pulida refleja más luz que una oscura y rugosa). Da lugar a dos tipos de reflexión: especular y difusa

■ El ángulo de choque (a mayor ángulo respecto a la perpendicular se refleja más energía).

■ La longitud de onda (cada material refleja un color). n2 n1 7 Q2 D 1

Refracción (1)

Refracción

■ Fenómeno que provoca que la luz cambie de dirección debido a un cambio en la velocidad de propagación al pasar de un medio a otro. . Este comportamiento se rige por la Ley de Snell. P n1 n2 index V1 V2 velocity 01 normal O 02 interface- Q Y x sin 01 sin 02 V1 n2 - = U2 n1

Refracción (2)

■ Base de la óptica y del funcionamiento de las lentes. · Convexa o convergente (e.g. objetivo de una cámara, lupa). Lens Light Focal point Focal length

■ Cóncava o divergente (e.g. flash, luz de un coche). LE Light

Refracción (y 3)

Dispersión:

Fenómeno provocado porque el índice de refracción de algunos materiales (e.g. cristal) varía con la longitud de onda (i.e. con el color). · Es decir, dependiendo de la longitud de onda, el ángulo de refracción será diferente . Base del prisma que se emplea en cámaras 3CCD White light Prism --- Red Green Yellow Violet Blue

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Color

■ Color: Sensación registrada en el cerebro cuando distintas longitudes de onda de la luz impactan contra la retina, enviando señales al cerebro que activan ciertas neuronas. . El color que percibimos de un objeto se debe a que al Lilaminario, algunas de las longitudes de onda son reflejadas mientras otras son absorbidas por el material. Las reflejadas son las que "vemos" y, por tanto, se corresponden con el color del objeto. 00 green and red white light (red+green+blue) Green light reflected blue light absorbed

Visión tricromática

■ Cada color tiene una determinada longitud de onda. Excitando la

■ Visión tricromática: reuna con mezcias de longitudes de onda de sólo 3 colores, se puede conseguir que el cerebro perciba cualquier color.

■ Teoría de Young-Helmholt

■ Conjeturado por Young. Helmholtz identifico en la retina los tres tipos de células totosensitivas, llamadas conos, que reaccionan a colores diferentes. . Otras células, llamadas bastones, son las responsables de captar la luminosidad. Normalized cone response (linear energy) M L 400 450 500 550 600 650 700 Wavelength (nm) Invaginations of cell membranes that form a stacks of membranous disks where photopigments Connecting cilium exist as transmembrane : proteins Inner segment Mitochondria < Nucleus Membrane shelves lined with rhodopsin or color pigment Outer segment Synaptic terminal that forms a synapse with a neuron Mitochondria Cone cell Inner segment (cono) Outer limiting membrane Nucleus Rod cell (bastón) Synaptic body Outer segment