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The visual appearance of an image is a complex function of factors such as scene geometry, material reflectances and textures, illumination, and the properties of the camera used to capture the image. Understanding how these factors interact to produce an image is a fundamental problem in computer vision and graphics. This dissertation examines two aspects of this problem: models of visual appearance that allow us to recover scene properties from images and videos, and tools that allow users to manipulate visual appearance in images and videos in intuitive ways. In particular, we look at these problems in three different applications. First, we propose techniques for compositing images that differ significantly in their appearance. Our framework transfers appearance between images by manipulating the different levels of a multi-scale decomposition of the image. This allows users to create realistic composites with minimal interaction in a number of different scenarios. We also discuss techniques for compositing and replacing facial performances in videos. Second, we look at the problem of creating high-quality still images from low-quality video clips. Traditional multi-image enhancement techniques accomplish this by inverting the camera’s imaging process. Our system incorporates feature weights into these image models to create results that have better resolution, noise, and blur characteristics, and summarize the activity in the video. Finally, we analyze variations in scene appearance caused by changes in lighting. We develop a model for outdoor scene appearance that allows us to recover radiometric and geometric infor- mation about the scene from images. We apply this model to a variety of visual tasks, including color-constancy, background subtraction, shadow detection, scene reconstruction, and camera geo-location. We also show that the appearance of a Lambertian scene can be modeled as a combi- nation of distinct three-dimensional illumination subspaces — a result that leads to novel bounds on scene appearance, and a robust uncalibrated photometric stereo method. / Engineering and Applied Sciences

Yes / Materials’ surfaces change over time due to chemical and physical processes. These processes can significantly alter a material’s visual appearance, yet we can recognise the material as the same. The present study examined the extent of changes the human visual system can detect in specific materials over time. Participants (N = 5) were shown images of different materials (Banana, Copper, Leaf) from an existing calibrated set of photographs. Participants indicated which image pair (of the 2 pairs shown) displayed the largest difference. Estimated perceptual scales showed that observers were able to rank the images of aged materials systematically. Next, we examined the role that global and local changes in material surface colour play in the perception of material change. We altered the information about colour and geometrical distribution in the images used in the first experiment, and participants repeated the task with the altered images. Our results showed significant differences between individual observers. Most importantly, participants’ ability to rank the images varied with material type. The leaf images were particularly affected by our alteration of the geometrical distribution. Together, our findings show the factors contributing to the perception of material change over time. / This work was supported by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme [Grant Agreement No 765121].

A memória para a ordem dos eventos em uma sequência está relacionada com muitos domínios cognitivos, como direcionar o comportamento a um objetivo, reconhecer uma ação e prever eventos do ambiente. A codificação da ordem serial tem sido, portanto, um tema polêmico a ser explicado pelos modelos de memória de trabalho visuoespacial. Neste estudo investigamos a codificação incidental da ordem serial de eventos em tarefas de reconhecimento de sequências, nas quais a dimensão relevante para a resposta poderia ser a aparência visual, a localização espacial ou a conjunção visuoespacial dos eventos. A tarefa exigia que os participantes (n=60) detectassem uma mudança em um dos estímulos da sequência e ignorassem mudanças na dimensão irrelevante: a ordem na qual os eventos eram apresentados. De maneira geral, o desempenho foi mais prejudicado nas sequências em que a ordem dos itens mudava. A comparação das três condições de memória (aparência visual, localização espacial e conjunção visuoespacial) revelou que houve melhor desempenho na tarefa espacial. Nesta condição, ocorreu uma interação entre os fatores mudança na dimensão relevante (localização espacial) e mudança na dimensão irrelevante (ordem serial). Estes resultados revelam que a ordem foi codificada de forma incidental com as informações relevantes para a tarefa. A diferença do efeito da mudança da dimensão irrelevante para os três tipos de sequências sugere que a ordem foi codificada em um estágio inicial do processamento de informações e, por isto, incluída na comparação de características, gerando diferentes padrões de respostas conforme a modalidade do estímulo. A interação entre localização e ordem serial indica que a informação espacial foi registrada de maneira integrada à ordem dos eventos na sequência, em uma representação espaço-temporal unitária. Supõe-se que um mecanismo de manutenção da informação espacial tenha operado recitando os eventos na ordem em que foram apresentados na sequência. Considera-se, também, a possibilidade de a apresentação sequencial dos estímulos ter gerado uma representação visuoespacial baseada em uma organização temporal das informações. Neste caso, é provável que um mecanismo de integração de informações tenha operado para realizar a interface entre uma estrutura temporal previamente armazenada na memória de longo prazo e o conteúdo da memória de trabalho. Estes achados sugerem a existência de um sistema responsável pela conjunção de informações de diferentes dimensões e integração de conteúdos da memória de trabalho e memória de longo prazo. As evidências obtidas neste estudo têm implicações em diferentes áreas do conhecimento. Na perspectiva da psicologia cognitiva experimental são discutidos os modelos atuais de memória de trabalho. No âmbito da psicologia cognitiva aplicada são fornecidos subsídios teóricos para o desenvolvimento de ferramentas diagnósticas para caracterização de déficits de aprendizagem e lesões neurológicas relacionados com o processamento de sequências de informações visuoespaciais. Além disso, é possível estabelecer uma relação entre os processos de memória e os mecanismos de organização do comportamento em contextos clínicos. / The memory for the events order in a sequence is related to many cognitive domains, such as managing behavior to a goal, to recognize an action and anticipate events in the real world. The encoding of serial order has been a controversial topic to be explained by the models of visuospatial working memory. We investigated the incidental encoding of events serial order in recognition tasks sequences, in which a relevant dimension to the response could be the visual appearance, the spatial location or visuospatial conjunction of events. The task required that participants (n = 60) to detect a change in a sequence of stimuli and ignore changes in irrelevant dimension: the order in which events were presented. In general, performance was more impaired in the sequences where the order of items changed. The comparison of the three memory conditions (visual appearance, spatial location and visuospatial conjunction) revealed that there was better performance in spatial task. In this condition, there was an interaction between change in the relevant dimension (spatial location) and change in the irrelevant dimension (serial order). These results show that the order was codified indirectly with relevant information to the task. The difference in the effect of changing the dimension irrelevant to the three types of sequences suggests that the order was codified in an early stage of information processing and, therefore, included in feature comparison, generating different patterns of responses depending on the modality of the stimulus. The interaction between location and serial order indicates that the spatial information was registered in an integrated manner to the order of events following in a unitary space-time representation. It is assumed that a mechanism for maintenance of spatial information has operated reciting the events in the order they were presented in sequence. It is considered also the possibility that the sequential presentation of stimuli have generated a visuospatial representation based on information temporal organization. In this case, it is likely that a mechanism of information integration has operated to achieve the interface between a temporal structure previously stored in long-term memory and the contents of working memory. These findings suggest the existence of a system responsible for the combination of information from different dimensions and integration of working memory contents and long-term memory. Data obtained in this study have implications in different areas of knowledge. In view of experimental cognitive psychology current models of working memory are discussed. Within the cognitive psychology applied theoretical support are provided for the development of diagnostic tools for characterizing learning deficits and neurological injuries related to the processing of visuospatial information sequences. Furthermore, it is possible to establish a relationship between memory processes and the mechanisms of organization of behavior in clinical settings.

A memória para a ordem dos eventos em uma sequência está relacionada com muitos domínios cognitivos, como direcionar o comportamento a um objetivo, reconhecer uma ação e prever eventos do ambiente. A codificação da ordem serial tem sido, portanto, um tema polêmico a ser explicado pelos modelos de memória de trabalho visuoespacial. Neste estudo investigamos a codificação incidental da ordem serial de eventos em tarefas de reconhecimento de sequências, nas quais a dimensão relevante para a resposta poderia ser a aparência visual, a localização espacial ou a conjunção visuoespacial dos eventos. A tarefa exigia que os participantes (n=60) detectassem uma mudança em um dos estímulos da sequência e ignorassem mudanças na dimensão irrelevante: a ordem na qual os eventos eram apresentados. De maneira geral, o desempenho foi mais prejudicado nas sequências em que a ordem dos itens mudava. A comparação das três condições de memória (aparência visual, localização espacial e conjunção visuoespacial) revelou que houve melhor desempenho na tarefa espacial. Nesta condição, ocorreu uma interação entre os fatores mudança na dimensão relevante (localização espacial) e mudança na dimensão irrelevante (ordem serial). Estes resultados revelam que a ordem foi codificada de forma incidental com as informações relevantes para a tarefa. A diferença do efeito da mudança da dimensão irrelevante para os três tipos de sequências sugere que a ordem foi codificada em um estágio inicial do processamento de informações e, por isto, incluída na comparação de características, gerando diferentes padrões de respostas conforme a modalidade do estímulo. A interação entre localização e ordem serial indica que a informação espacial foi registrada de maneira integrada à ordem dos eventos na sequência, em uma representação espaço-temporal unitária. Supõe-se que um mecanismo de manutenção da informação espacial tenha operado recitando os eventos na ordem em que foram apresentados na sequência. Considera-se, também, a possibilidade de a apresentação sequencial dos estímulos ter gerado uma representação visuoespacial baseada em uma organização temporal das informações. Neste caso, é provável que um mecanismo de integração de informações tenha operado para realizar a interface entre uma estrutura temporal previamente armazenada na memória de longo prazo e o conteúdo da memória de trabalho. Estes achados sugerem a existência de um sistema responsável pela conjunção de informações de diferentes dimensões e integração de conteúdos da memória de trabalho e memória de longo prazo. As evidências obtidas neste estudo têm implicações em diferentes áreas do conhecimento. Na perspectiva da psicologia cognitiva experimental são discutidos os modelos atuais de memória de trabalho. No âmbito da psicologia cognitiva aplicada são fornecidos subsídios teóricos para o desenvolvimento de ferramentas diagnósticas para caracterização de déficits de aprendizagem e lesões neurológicas relacionados com o processamento de sequências de informações visuoespaciais. Além disso, é possível estabelecer uma relação entre os processos de memória e os mecanismos de organização do comportamento em contextos clínicos. / The memory for the events order in a sequence is related to many cognitive domains, such as managing behavior to a goal, to recognize an action and anticipate events in the real world. The encoding of serial order has been a controversial topic to be explained by the models of visuospatial working memory. We investigated the incidental encoding of events serial order in recognition tasks sequences, in which a relevant dimension to the response could be the visual appearance, the spatial location or visuospatial conjunction of events. The task required that participants (n = 60) to detect a change in a sequence of stimuli and ignore changes in irrelevant dimension: the order in which events were presented. In general, performance was more impaired in the sequences where the order of items changed. The comparison of the three memory conditions (visual appearance, spatial location and visuospatial conjunction) revealed that there was better performance in spatial task. In this condition, there was an interaction between change in the relevant dimension (spatial location) and change in the irrelevant dimension (serial order). These results show that the order was codified indirectly with relevant information to the task. The difference in the effect of changing the dimension irrelevant to the three types of sequences suggests that the order was codified in an early stage of information processing and, therefore, included in feature comparison, generating different patterns of responses depending on the modality of the stimulus. The interaction between location and serial order indicates that the spatial information was registered in an integrated manner to the order of events following in a unitary space-time representation. It is assumed that a mechanism for maintenance of spatial information has operated reciting the events in the order they were presented in sequence. It is considered also the possibility that the sequential presentation of stimuli have generated a visuospatial representation based on information temporal organization. In this case, it is likely that a mechanism of information integration has operated to achieve the interface between a temporal structure previously stored in long-term memory and the contents of working memory. These findings suggest the existence of a system responsible for the combination of information from different dimensions and integration of working memory contents and long-term memory. Data obtained in this study have implications in different areas of knowledge. In view of experimental cognitive psychology current models of working memory are discussed. Within the cognitive psychology applied theoretical support are provided for the development of diagnostic tools for characterizing learning deficits and neurological injuries related to the processing of visuospatial information sequences. Furthermore, it is possible to establish a relationship between memory processes and the mechanisms of organization of behavior in clinical settings.

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Esta pesquisa investigou a contribuição que o patrimônio cultural edificado exerce na qualidade visual da paisagem urbana a partir da abordagem na área da Percepção Ambiental. Adotou como estudo de caso áreas dos centros históricos de três cidades com diferentes graus de preservação do patrimônio cultural edificado: Piratini, a mais preservada, resultado de legislação urbanística pioneira; São José do Norte, onde o patrimônio cultural edificado foi mais destruído ou descaracterizado e Porto Alegre, onde o patrimônio cultural edificado foi parcialmente preservado. A investigação foi operacionalizada por meio da utilização de métodos qualitativos e quantitativos em duas etapas de investigação. A primeira teve por objetivo reunir subsídios para definir a área de estudo em cada uma das três cidades, e por meio da aplicação da técnica de mapas mentais a usuários dos centros históricos, foram identificadas as imagens fortes positivas e negativas das edificações e espaços urbanos (locais, ruas e praças). A segunda etapa teve como objetivo principal testar as hipóteses desta pesquisa por meio da aplicação de questionários acompanhados de cenas urbanas com diferentes níveis de homogeneidade, escolhidas a partir de critérios estabelecidos a fim de responder os objetivos da investigação. As informações obtidas pelos questionários foram analisadas quantitativamente por meio de freqüências e testes não paramétricos tais como tabulações cruzadas e testes de correlação Spearman. Os resultados obtidos permitiram chegar a conclusões sobre o importante papel que o patrimônio cultural edificado exerce na qualidade visual da paisagem urbana. Esta relevância foi verificada na avaliação da aparência visual das edificações analisadas individualmente pelos seus atributos formais e simbólicos e as suas relações no contexto urbano. Importantes correlações foram encontradas entre a avaliação estética da aparência visual das cenas urbanas e atributos formais de volumetria, fachadas e coberturas. As conclusões desta pesquisa reúnem subsídios relativos às questões da estética urbana, do patrimônio cultural edificado e do planejamento urbano que podem contribuir substancialmente para as políticas públicas nas áreas da preservação do patrimônio cultural, do planejamento urbano e ambiental e na implementação de planos e ações de gestão municipal visando qualificar visualmente a paisagem urbana. / The study investigates the aesthetic contributions of historical buildings on the visual quality of the urban historical centers based on the Environmental Perception approach. The research focused on urban scenes of three cities which present different degrees of historical heritage preservation: Piratini, which is the most preserved among them due to existent legislation; São José do Norte, where most of it historical heritage was destroyed or damaged; and Porto Alegre, where historical heritage was partially preserved. The investigation was operationalised through the application of qualitative and quantitative methods, in two stages. On the first stage, the definition of the study area in each city was carried out through the application of mental maps to users of the historical centers, which allowed the identification of strongest positive and negative images. On the second stage, questionnaires were applied in order to verify the research hypotheses. The data gathered through questionnaires was analyzed by means of non parametric statistics, such as qui square test and Spearman correlation tests. Results allowed to conclude about the important role historical buildings play on the visual quality of the urban scene, verified through the evaluation of visual appearance of the buildings individually analyzed according to their formal and symbolic attributes and their relation with the urban context. Important correlations were found between the aesthetic evaluation of the visual appearance of the urban scenes and the formal attributes volume try, facades and roofs. Conclusions provide substantial support to contribute to urban heritage preservation, environmental and urban planning and implementation of plans and actions for the municipal government in order to achieve visual quality in urban areas located in historical centers.

Esta pesquisa investigou a contribuição que o patrimônio cultural edificado exerce na qualidade visual da paisagem urbana a partir da abordagem na área da Percepção Ambiental. Adotou como estudo de caso áreas dos centros históricos de três cidades com diferentes graus de preservação do patrimônio cultural edificado: Piratini, a mais preservada, resultado de legislação urbanística pioneira; São José do Norte, onde o patrimônio cultural edificado foi mais destruído ou descaracterizado e Porto Alegre, onde o patrimônio cultural edificado foi parcialmente preservado. A investigação foi operacionalizada por meio da utilização de métodos qualitativos e quantitativos em duas etapas de investigação. A primeira teve por objetivo reunir subsídios para definir a área de estudo em cada uma das três cidades, e por meio da aplicação da técnica de mapas mentais a usuários dos centros históricos, foram identificadas as imagens fortes positivas e negativas das edificações e espaços urbanos (locais, ruas e praças). A segunda etapa teve como objetivo principal testar as hipóteses desta pesquisa por meio da aplicação de questionários acompanhados de cenas urbanas com diferentes níveis de homogeneidade, escolhidas a partir de critérios estabelecidos a fim de responder os objetivos da investigação. As informações obtidas pelos questionários foram analisadas quantitativamente por meio de freqüências e testes não paramétricos tais como tabulações cruzadas e testes de correlação Spearman. Os resultados obtidos permitiram chegar a conclusões sobre o importante papel que o patrimônio cultural edificado exerce na qualidade visual da paisagem urbana. Esta relevância foi verificada na avaliação da aparência visual das edificações analisadas individualmente pelos seus atributos formais e simbólicos e as suas relações no contexto urbano. Importantes correlações foram encontradas entre a avaliação estética da aparência visual das cenas urbanas e atributos formais de volumetria, fachadas e coberturas. As conclusões desta pesquisa reúnem subsídios relativos às questões da estética urbana, do patrimônio cultural edificado e do planejamento urbano que podem contribuir substancialmente para as políticas públicas nas áreas da preservação do patrimônio cultural, do planejamento urbano e ambiental e na implementação de planos e ações de gestão municipal visando qualificar visualmente a paisagem urbana. / The study investigates the aesthetic contributions of historical buildings on the visual quality of the urban historical centers based on the Environmental Perception approach. The research focused on urban scenes of three cities which present different degrees of historical heritage preservation: Piratini, which is the most preserved among them due to existent legislation; São José do Norte, where most of it historical heritage was destroyed or damaged; and Porto Alegre, where historical heritage was partially preserved. The investigation was operationalised through the application of qualitative and quantitative methods, in two stages. On the first stage, the definition of the study area in each city was carried out through the application of mental maps to users of the historical centers, which allowed the identification of strongest positive and negative images. On the second stage, questionnaires were applied in order to verify the research hypotheses. The data gathered through questionnaires was analyzed by means of non parametric statistics, such as qui square test and Spearman correlation tests. Results allowed to conclude about the important role historical buildings play on the visual quality of the urban scene, verified through the evaluation of visual appearance of the buildings individually analyzed according to their formal and symbolic attributes and their relation with the urban context. Important correlations were found between the aesthetic evaluation of the visual appearance of the urban scenes and the formal attributes volume try, facades and roofs. Conclusions provide substantial support to contribute to urban heritage preservation, environmental and urban planning and implementation of plans and actions for the municipal government in order to achieve visual quality in urban areas located in historical centers.