Ilusões de imagens híbridas

Como nosso sistema visual segrega informações de freqüência espacial?

A manipulação digital de imagens provê ilusões visuais incríveis e nos ajuda a entender como o sistema visual humano funciona. Um grande exemplo é a ilusão “Dr. Angry and Mr. Smile” construída pelos pesquisadores Philippe G. Schyns, da Universidade de Glasgow, Escócia, e Aude Oliva, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

Observe as duas faces das imagens abaixo. O rosto da direita apresenta uma mulher com semblante calmo e à esquerda podemos observar um homem zangado. Agora se distancie cerca de 3 metros da imagem e veja o resultado. As imagens mudam de expressão: a da direita sorri e a da esquerda está com uma feição calma. Como isso acontece? Para desvendar isso teremos que saber como elas foram construídas e ter noção de alguns conceitos físicos.

Fig. 1: Ilusão de mudança de expressão emocional em função da distância do observador. Se afaste alguns metros para ver a alteração do semblante (modificado de Schins e Oliva, 1999).

Toda energia eletromagnética de uma cena visual complexa que chega à retina carrega uma série de informações diferentes. Entre elas está a análise das freqüências espaciais, ou seja, o número de variações de luminância em determinado espaço. Uma imagem normal contém um padrão complexo de intensidades de luz, ou altas variações das freqüências espaciais, contendo desde freqüências muito baixas a altas. Padrões de altas freqüências consistem em elementos finos e detalhes. Já os padrões de baixa freqüência compõem elementos largos e grosseiros.

Fig. 2: Ilustração didática do conceito de freqüência espacial. Retirado de http://webvision.med.utah.edu/imageswv/KallSpat22.jpg

Por meio de uma técnica matemática, a Transformada de Fourier, podemos tomar a distribuição complexa da luz que abrange a cena visual, analisando-a em componentes senoidais simples e trabalhar a imagem em seu domínio de freqüência. A partir disso, podemos utilizar filtros: remover ou preservar seletivamente faixas de freqüências espaciais. Quando removemos as altas freqüências, ou seja, os contornos finos e detalhes de borda, estamos utilizando um filtro passa-baixa, e obtemos uma imagem embaçada. Já quando excluímos as baixas freqüências do espectro visual, estamos utilizando um filtro passa-alta, e obtemos uma imagem com contornos delicados sem variações de larga escala.

As freqüências espaciais altas são melhor percebidas à uma distância curta entre o observador e o objeto. Isso acontece porque elas são transmitidas por células retinianas ganglionares P (do latim parvum, pequeno), que possuem campos receptivos pequenos que, por sua vez, reagem a detalhes minuciosos. As baixas freqüências, ao contrário, são vistas mais a uma maior distância, pois estimulam células retinianas ganglionares M (do latim magnum, grande) que possuem campos receptivos grandes, o que as tornam praticamente incapazes de fazer discriminações finas.

               

A ilusão apresentada acima ao ser construída se valeu de uma técnica de processamento digital de imagens, o morphing. Por meio dele duas imagens são sobrepostas de maneira a formar somente uma imagem híbrida. A imagem à direita é composta por uma face neutra em passa-alta (altas freqüências) e outra sorrindo em passa-baixa (baixas freqüências), e da esquerda uma face zangada em passa-alta e uma face neutra em passa-baixa. Como as freqüências espaciais são captadas por diferentes vias neurais em função da distância, nós vemos a transformação das expressões emocionais nas faces ao nos distanciarmos delas.

A idéia trazida pelas imagens híbridas não é nova. Por década artistas vêm criando trabalhos que, dependendo de como são vistos, parecem diferentes, como a pintura de Salvador Dali, Mercado de escravos com o busto evanescente de Voltaire, pintada em 1940. Mais recentemente, os pesquisadores Aude Oliva e Antonio Torralba, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, disponibilizaram na rede um site com uma galeria de imagens híbridas de freqüências altas x baixas (http://cvcl.mit.edu/hybridimage.htm). Abaixo uma das ilusões construídas por estes pesquisadores.

Fig. 3: Marylin-Einstein; Albert Einstein em altas freqüências e Marylin Monroe em baixas freqüências: se afaste alguns metros para ver a alteração (Aude Oliva, MIT, 2007).

Quer baixar o texto? Clique aqui.

Rui de Moraes Júnior

Para saber mais:

• Schyns, G. P., & Oliva, A. (1999). Dr. Angry and Mr. Smile: when categorization flexibly modifies the perception of faces in rapid visual presentations. Cognition, 69, 243-265.
• Oliva, A., Torralba, A., & Schyns, P. G. (2006). Hybrid Images. ACM Transactions on Graphics, ACM Siggraph, 25-3, 527-530.

O mistério do sorriso de Mona Lisa

O quadro de Mona Lisa, pintado entre 1503 e 1506, se encontra atualmente no Museu do Louvre em Paris e é considerado a obra de arte mais famosa e importante da história. Parte disso se deve ao mistério do seu sorriso. De interpretação dúbia, ele já foi visto como inocente, maternal, convidativo, triste e até lascivo. E isto tem intrigado a comunidade artística e científica ao longo dos tempos.

Fig. 1: Mona Lisa, quadro de Leonardo da Vinci exposto no Museu do Louvre em Paris, França. Imagem retirada do site: http://escafandro.blogtv.uol.com.br .

Muitos investigadores tentaram explicar o mistério ao redor deste sorriso. Sigmund Freud interpretou o sorriso de Mona Lisa como uma atração erótica de Leonardo da Vinci em relação a sua mãe. 

A professora Margaret Livingstone, da Universidade de Harvard, afirmou que o sorriso da Mona Lisa desaparece quando olhado diretamente. Isso acontece porque usamos a visão foveal, acurada para cores e detalhes, melhor para perceber freqüências espaciais altas. Como o sorriso está quase totalmente em freqüências espaciais baixas, a visão periférica é melhor para percebê-lo, já que processa com mais eficiência esta faixa do espectro visual. Sendo assim, o sorriso só se torna aparente se o observador fixar a atenção nos olhos ou em outra região da face.

Isto está relacionado com os diferentes canais de transmissão da informação, como mostrou Luis Martinez Otero, do Instituto de Neurociências de Alicante, Espanha. As células da retina são especializadas para transmitir diferentes categorias de informação: tamanho, brilho, localização, freqüência espacial, etc. E como o olho humano manda sinais misturados ao córtex, um canal de transmissão pode sobrepor-se ao outro. Por isso, às vezes vemos o sorriso, outras vezes não. Um dado interessante desta pesquisa é que os participantes começavam a ver o sorriso mais aparente a partir do momento que viam o retrato num tamanho aumentado ou de perto. Isto sugere que as células da retina que completam a visão da região do ponto cego convergem informações da mesma maneira que a visão periférica.

Fig. 2: Aplicação de ruído visual feito por Kontsevich e Tyler (2004).

 

Já Christopher Tyler e Leonid Kontsevich, do Instituto de Pesquisa do Olho Smith-Kettlewell de São Francisco, afirmam que a aparente mutabilidade do semblante da Mona Lisa se deve, em parte, a uma fonte diferente: o ruído randômico do sistema visual, uma atividade cerebral natural e ininterrupta de descargas neurais de padrão aleatório que pode ser comparado, numa analogia distante, ao efeito causado por um canal de TV mal sintonizado. Ele também pode ser causado por flutuações de fótons que atingem as células foto-receptoras. Estes pesquisadores sugerem que o estado emocional da Mona Lisa é codificado por poucos pixels que se encontram nos cantos de sua boca. Um ruído que aumenta o canto da boca, passa a impressão de felicidade e um ruído que rebaixam seus lábios a faz parecer mais triste.  

Outra tentativa de desvendar o mistério do sorriso da pintura foi feita pelo grupo de pesquisa de Nico Sebe, da Universidade de Amsterdã, em conjunto com colaboradores da Universidade de Illinois, que tentou revelar o famoso sorriso da Gioconda através de um algorítimo desenvolvido e de um software apropriado para reconhecer emoções. A expressão emocional é determinada pela comparação de dados dos traços faciais dados, como curvatura dos lábios e rugas ao redor dos olhos, que são cruzados entre o quadro de Da Vinci e de um banco de faces de mulheres jovens. A análise sugere que a Mona Lisa estava 83% feliz, 9% angustiada, 6% assustada e 2% chateada.

Mais recentemente, pesquisadores do Centro de Pesquisa e Restauração de Museus da França e do European Synchrotron Radiation Facility afirmaram que o efeito de mistério se deve à técnica que Da Vince utilizava, o sfumato, responsável pelo efeito esfumaçado. Ele chegava a aplicar 40 camadas de esmalte sobre a tela que, junto a outros pigmentos, cria borrões e sombras nos lábios que faz com que o sorriso pareça ser quase imperceptível quando visto de frente. O estudo foi conduzido por meio de espectometria por raios x fluorescentes, que não necessita da retirada de amostras.

Será que Leonardo da Vinci pretendia causar esta confusão nos cérebros dos observadores, sem mencionar os dos cientistas? Provavelmente. Em um de seus livros ele disse que estava tentando pintar expressões faciais dinâmicas, porque era isto que ele via nas ruas. 

Por fim, vale lembrar que as visões científicas tentam desmistificar técnicas que os pintores têm utilizados há muito tempo, e os achados não desmerecem de forma nenhuma o trabalho destes artistas.

Quer baixar o texto? Clique aqui.

Rui de Moraes Júnior

Para saber mais:

• Kontsevich, L. L., & Tyler, C. W. (2004). What makes Mona Lise smile? Vision Research, 44, 1493-1498.
• Livingstone, M. S. (2000). Is it warm? Is it real? Or just low spatial frequency? Science, 290, 1299.