Контраст (зрение)

Чтобы узнать о других значениях, см. Контраст .

Шесть изображений скалистого берега с возрастающими уровнями контрастности, по часовой стрелке снизу слева.

Контраст — это разница в яркости или цвете , которая делает объект (или его представление на изображении или дисплее) видимым на фоне другой яркости или цвета. человека Зрительная система более чувствительна к контрасту, чем к абсолютной яркости; таким образом, мы можем одинаково воспринимать мир, несмотря на значительные изменения освещенности в течение дня или в разных местах.

Максимальный контраст изображения называется коэффициентом контрастности или динамическим диапазоном . На изображениях, где коэффициент контрастности приближается к максимально возможному для носителя, наблюдается сохранение контраста . В таких случаях увеличение контраста в определенных частях изображения обязательно приведет к уменьшению контраста в других местах. Увеличение яркости изображения увеличивает контраст в более темных областях, но уменьшает его в более ярких областях; и наоборот, затемнение изображения будет иметь противоположный эффект. Обход отбеливания снижает контрастность в самых темных и самых ярких частях изображения, одновременно повышая яркостной контраст в областях средней яркости .

Биологическая контрастная чувствительность

человека Кэмпбелл и Робсон (1968) показали, что функция контрастной чувствительности имеет типичную форму полосового фильтра с пиком около 4 циклов на градус (cpd или цикл/град), при этом чувствительность падает по обе стороны от пика. Это можно наблюдать, изменив расстояние просмотра от «решетки развертки » (показанной ниже), показывающей множество полосок синусоидальной решетки, контрастность которых меняется от высокой к низкой вдоль полос, а также от узкой (высокая пространственная частота) к широкой (низкая пространственная частота). пространственная частота) стержней по ширине решетки.

Контраст в левой половине изображения ниже, чем в правой половине.

Высокочастотная граница представляет собой оптические ограничения способности зрительной системы различать детали и обычно составляет около 60 кпд. Высокочастотная граница также связана с плотностью упаковки сетчатки фоторецепторных клеток : более тонкая матрица может разрешать более мелкие решетки.

Снижение низкой частоты обусловлено латеральным торможением внутри ганглиозных клеток сетчатки . типичной ганглиозной клетки сетчатки Рецептивное поле состоит из центральной области, в которой свет либо возбуждает, либо ингибирует клетку, и окружающей области, в которой свет оказывает противоположные эффекты.

Одним из экспериментальных явлений является подавление синего цвета на периферии, если синий свет отображается на белом, что приводит к образованию желтого окружения. Желтый цвет возникает в результате подавления синего цвета окружающей среды центром. Поскольку белый минус синий — это красный и зеленый, они смешиваются и становятся желтыми.

Например, в случае графических компьютерных дисплеев контрастность зависит от свойств источника изображения или файла и свойств компьютерного дисплея, включая его переменные настройки. Для некоторых экранов также важен угол между поверхностью экрана и линией зрения наблюдателя.

Количественные измерения

Дополнительная информация: Контраст дисплея.

Вид на собор Парижской Богоматери с Эйфелевой башни.

То же изображение с добавленным общим контрастом и локальным контрастом ( резкостью ), увеличенным за счет нерезкой маскировки.

Существует множество возможных определений контраста. Некоторые включают цвет; другие этого не делают. Русский учёный Н. П. Травникова сетует: «Такая множественность понятий о контрасте крайне неудобна. Она усложняет решение многих прикладных задач и затрудняет сравнение результатов, публикуемых разными авторами».

В разных ситуациях используются различные определения контраста. Здесь яркостной в качестве примера используется контраст, но формулы можно применять и к другим физическим величинам. Во многих случаях определения контраста представляют собой соотношение типа

${\frac {\mbox{Luminance difference}}{\mbox{Average luminance}}}.$

Обоснование этого заключается в том, что небольшая разница незначительна, если средняя яркость высока, в то время как такая же небольшая разница имеет значение, если средняя яркость низкая (см. Закон Вебера-Фехнера ). Ниже приведены некоторые общие определения.

Вебер контраст

Контраст Вебера определяется как

${\frac {I-I_{\mathrm {b} }}{I_{\mathrm {b} }}},$

с $I$ и $I_{\mathrm {b} }$ представляющие яркость объектов и фона соответственно. Эта мера также называется дробью Вебера , поскольку это член, который является постоянным в законе Вебера . Контраст Вебера обычно используется в тех случаях, когда мелкие детали присутствуют на большом однородном фоне, т. е. когда средняя яркость примерно равна яркости фона.

Фотография листа, окрашенная в несколько цветов: нижнее изображение имеет повышение насыщенности на 11 % и увеличение контрастности примерно на 10 %.

Контраст Майкельсона

Контраст Майкельсона (также известный как видимость ) обычно используется для узоров, в которых как яркие, так и темные элементы эквивалентны и занимают одинаковые доли площади (например, синусоидальные решетки ). Контраст Майкельсона определяется как

${\frac {I_{\mathrm {max} }-I_{\mathrm {min} }}{I_{\mathrm {max} }+I_{\mathrm {min} }}},$

с $I_{\mathrm {max} }$ и $I_{\mathrm {min} }$ представляющие наивысшую и наименьшую яркость. Знаменатель представляет собой удвоенное среднее значение максимальной и минимальной яркости.

Эта форма контраста является эффективным способом количественной оценки контраста для периодических функций f ( x ) и также известна как модуляция m _f периодического сигнала f . Модуляция количественно определяет относительную величину, на которую амплитуда (или разница) ( f _max − f _min )/2 f отличается от среднего значения (или фона) ( f _max + f _min )/2. В общем, m _f относится к контрасту периодического сигнала f относительно его среднего значения. Если m _f = 0, то f не имеет контраста. Если две периодические функции f и g имеют одинаковое среднее значение, то f имеет больший контраст, чем g , если m _f > m _g .

Среднеквадратичный контраст

Среднеквадратичный контраст (RMS) не зависит от содержания пространственной частоты или пространственного распределения контраста в изображении. Среднеквадратичный контраст определяется как стандартное отклонение интенсивностей пикселей :

${\sqrt {{\frac {1}{MN}}\sum _{i=0}^{N-1}\sum _{j=0}^{M-1}\left(I_{ij}-{\bar {I}}\right)^{2}}}$

где интенсивности $I_{ij}$ являются $i$-й $j$-й элемент двумерного изображения размером $M$ к $N$. ${\bar {I}}$ — это средняя интенсивность всех значений пикселей изображения. Изображение $I$ предполагается, что интенсивность пикселей нормирована в диапазоне $[0,1]$.

Контрастная чувствительность

Контрастная чувствительность — это мера способности различать различную яркость на статическом изображении . Оно меняется с возрастом, увеличиваясь до максимума примерно к 20 годам при пространственной частоте около 2–5 циклов в день; затем старение постепенно снижает контрастную чувствительность за пределами этого пика. Такие факторы, как катаракта и диабетическая ретинопатия, также снижают контрастную чувствительность. На рисунке развертки ниже, на обычном расстоянии просмотра, полосы в середине кажутся самыми длинными из-за их оптимальной пространственной частоты. Однако на большом расстоянии просмотра самые длинные видимые полосы смещаются к тому, что изначально было широкими, и теперь соответствуют пространственной частоте средних полос на расстоянии чтения.

В этом изображении «развертки» амплитуда контраста зависит только от вертикальной координаты, а пространственная частота зависит только от горизонтальной координаты. Для средней частоты для обнаружения полос требуется меньший контраст, чем для высокой или низкой частоты.

Контрастная чувствительность и острота зрения.

Острота зрения – это параметр, который часто используется для оценки общего зрения. Однако снижение контрастной чувствительности может привести к снижению зрительной функции, несмотря на нормальную остроту зрения. Например, некоторые люди с глаукомой могут достичь зрения 20/20 при проверке остроты зрения, но при этом испытывают трудности с повседневной деятельностью , например, с вождением автомобиля в ночное время.

Как уже говорилось выше, контрастная чувствительность описывает способность зрительной системы различать яркие и тусклые компоненты статического изображения. Остроту зрения можно определить как угол, под которым можно рассматривать две точки как отдельные, поскольку изображение отображается со 100% контрастностью и проецируется на ямку сетчатки. Таким образом, когда оптометрист или офтальмолог оценивает остроту зрения пациента с использованием таблицы Снеллена или какой-либо другой таблицы остроты зрения , целевое изображение отображается с высокой контрастностью, например, черными буквами уменьшающегося размера на белом фоне. Последующее исследование контрастной чувствительности может выявить трудности со снижением контраста (с использованием, например, таблицы Пелли-Робсона, которая состоит из букв одинакового размера, но все более бледно-серых на белом фоне).

Для оценки контрастной чувствительности пациента может быть использовано одно из нескольких диагностических исследований. Большинство диаграмм в кабинете офтальмолога или оптометриста показывают изображения различной контрастности и пространственной частоты . Пациент последовательно просматривает параллельные полосы различной ширины и контрастности, известные как синусоидальные решетки. Ширина полосок и расстояние между ними представляют пространственную частоту, измеряемую в циклах на градус.

Логарифмический график функций пространственной контрастной чувствительности для яркости и хроматического контраста

Исследования показали, что контрастная чувствительность максимальна для пространственных частот 2-5 гпд, падает для более низких пространственных частот и быстро падает для более высоких пространственных частот. Верхний предел для системы человеческого зрения составляет около 60 кпд. Для правильного распознавания маленьких букв требуется, чтобы размер букв составлял около 18–30 символов в день. Порог контрастности можно определить как минимальный контраст, который может разрешить пациент. Контрастная чувствительность обычно выражается как величина, обратная пороговому контрасту для обнаружения данного шаблона (т. е. 1 ÷ порог контрастности).

Используя результаты исследования контрастной чувствительности, можно построить кривую контрастной чувствительности с пространственной частотой по горизонтали и порогом контрастности по вертикальной оси. График, также известный как функция контрастной чувствительности (CSF), демонстрирует нормальный диапазон контрастной чувствительности и указывает на снижение контрастной чувствительности у пациентов, уровень которой ниже нормальной кривой. Некоторые графики содержат «эквиваленты остроты контрастной чувствительности», при этом более низкие значения остроты зрения попадают в область под кривой. У пациентов с нормальной остротой зрения и сопутствующим снижением контрастной чувствительности область под кривой служит графическим представлением зрительного дефицита. Именно из-за этого нарушения контрастной чувствительности пациенты испытывают трудности с вождением автомобиля в ночное время, подъемом по лестнице и другими видами повседневной деятельности, при которых контраст снижается.

Недавние исследования показали, что синусоидальные паттерны промежуточной частоты оптимально обнаруживаются сетчаткой благодаря центрально-окружному расположению рецептивных полей нейронов. На промежуточной пространственной частоте пик (более светлые полосы) паттерна обнаруживается центром рецептивного поля, а впадины (более темные полосы) обнаруживаются тормозной периферией рецептивного поля. нейрона По этой причине низкие и высокие пространственные частоты вызывают возбуждающие и тормозные импульсы путем перекрытия пиков и минимумов частот в центре и на периферии рецептивного поля . Другие экологические, Физиологические и анатомические факторы влияют на нейрональную передачу синусоидальных паттернов, включая адаптацию .

График демонстрирует взаимосвязь между контрастной чувствительностью и пространственной частотой. Подобные мишеням изображения отражают центрально-окружающую организацию нейронов с периферическим торможением на низких, средних и высоких пространственных частотах. Используется с разрешения Брайана Ванделла, доктора философии .

Снижение контрастной чувствительности возникает по разным причинам, включая нарушения сетчатки, такие как возрастная дегенерация желтого пятна (ВМД), амблиопия , аномалии хрусталика, такие как катаракта , а также нервные дисфункции более высокого порядка, включая инсульт и болезнь Альцгеймера . Ввиду множества этиологий, приводящих к снижению контрастной чувствительности, тесты на контрастную чувствительность полезны для характеристики и мониторинга дисфункции и менее полезны для выявления заболеваний.

Контрастный порог

Пороговые данные из таблицы 8 Блэквелла (1946 г.) представлено на рисунке 4 Круми (2014). Кривые предназначены для фоновой яркости в диапазоне 3,426 × 10. ⁻⁵ компакт-диск м ⁻² (вверху) до 3,426 × 10 ³ компакт-диск м ⁻² (внизу) с интервалом в одну логарифмическую единицу.

Масштабное исследование порогов яркостного контраста было проведено в 1940-х годах Блэквеллом. с использованием процедуры принудительного выбора. Диски разных размеров и яркости предъявлялись в разных положениях на фоне с широким диапазоном адаптационной яркости, и испытуемые должны были указать, где, по их мнению, был показан диск. После статистического объединения результатов (90 000 наблюдений семью наблюдателями) порог для заданного размера и яркости цели был определен как уровень контрастности Вебера, при котором уровень обнаружения составлял 50%. В эксперименте использовался дискретный набор уровней контраста, что приводило к дискретным значениям порогового контраста. Через них были проведены плавные кривые и значения занесены в таблицу. Полученные данные широко использовались в таких областях, как светотехника и безопасность дорожного движения.

Отдельное исследование Knoll et al. исследовали пороговые значения для точечных источников, требуя от испытуемых изменять яркость источника, чтобы найти уровень, на котором он был только виден. Математическая формула для полученной пороговой кривой была предложена Хехтом : с отдельными ветвями для скотопического и фотопического зрения. Формулу Гехта использовал Уивер. для моделирования видимости звезд невооруженным глазом. Эту же формулу позже использовал Шефер. моделировать видимость звезд в телескоп.

Круми показало, что формула Хехта очень плохо соответствует данным при низких уровнях освещенности, поэтому она не совсем подходит для моделирования видимости звезд. Вместо этого Круми построил более точную и общую модель, применимую как к данным Блэквелла, так и к данным Нолла и др. Модель Круми охватывает все уровни освещенности, от нулевой фоновой яркости до уровней дневного света, и вместо настройки параметров основана на базовой линейности, связанной с законом Рикко . Круми использовал его для моделирования астрономической видимости целей произвольного размера и для изучения последствий светового загрязнения.

Тестовые изображения

Типы тестовых изображений

• Таблица контрастной чувствительности Пелли-Робсона
• Диаграмма Ригана
• Диаграмма решетки Ардена
• Таблица контрастной чувствительности Кэмпбелла-Робсона

См. также

• Острота
• Цветовая слепота
• Коэффициент контрастности
• Контрастность дисплея
• Осмотр глаз
• Оптическое разрешение
• Психофизика
• Радиоконтраст
• Пространственная частота
• Острота зрения

Внешние ссылки

• Подробности о яркостном контрасте