Контрастность (зрение)

Контраст в левой половине изображения ниже, чем в правой половине. Величина контраста в шести версиях фотографии скалистый берег увеличивается по часовой стрелке.

Контраст - это разница в яркости или цвете, которая делает объект (или его представление на изображении или дисплее) различимы. В визуальном восприятии реального мира контраст определяется разницей в цвете и яркости объекта и других объектов в том же поле зрения. Зрительная система человека более чувствительна к контрасту, чем абсолютная яркость ; мы можем воспринимать мир одинаково, независимо от огромных изменений освещения в течение дня или от места к месту. Максимальный контраст изображения - это коэффициент контрастности или динамический диапазон.

• 1 Биологическая контрастная чувствительность
• 2 Формула
  • 2.1 Контраст Вебера
  • 2.2 Контраст Майкельсона
  • 2.3 RMS-контраст
• 3 Контрастная чувствительность
  • 3.1 Контрастная чувствительность и острота зрения
• 4 См. Также
• 5 Ссылки
• 6 Внешние ссылки

Согласно Кэмпбеллу и Робсону (1968), функция контрастной чувствительности человека демонстрирует типичную форму полосового фильтра с пиком около 4 циклов на градус, при этом чувствительность падает с обеих сторон вершина горы. Это открытие побудило многих утверждать, что человеческая зрительная система наиболее чувствительна в обнаружении различий контрастности, возникающих при 4 циклах на градус пространственной частоты, при которой люди могут обнаруживать более низкие различия контрастности, чем при любая другая угловая частота. Однако утверждение о частотной чувствительности проблематично, учитывая, например, что изменения расстояния, по-видимому, не влияют на соответствующие паттерны восприятия (как отмечено, например, в подписи к рисунку к Соломону и Пелли (1994)). что касается конкретно букв, они не делают объективных различий между этими и другими формами. Относительную нечувствительность эффектов контраста к расстоянию (и, следовательно, к пространственной частоте) можно также наблюдать при случайном осмотре парадигмальной развертки решетки, как можно наблюдать здесь

высокочастотный отсечка представляет собой оптические ограничения способности зрительной системы разрешать детали и обычно составляет около 60 циклов на градус. off связано с плотностью упаковки фоторецепторных клеток ретинала : более тонкая матрица может разрешить более мелкие решетки.

Низкочастотный спад обусловлен латеральное ингибирование внутри ганглиозных клеток сетчатки. Типичная ганглиозная клетка сетчатки представляет собой центральную область с возбуждением или торможением и окружающую область с противоположным знаком. При использовании грубых решеток яркие полосы падают как на тормозную, так и на возбуждающую области ганглиозной клетки, что приводит к латеральному торможению и объясняет снижение низких частот функции контрастной чувствительности человека.

Одним из экспериментальных явлений является подавление синего цвета на периферии, если синий свет отображается на белом фоне, что приводит к желтому окружению. Желтый цвет является производным от подавления синего цвета окружающим центром. Поскольку белый минус синий является красным и зеленым, он смешивается, чтобы стать желтым.

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

Изображение собора Нотр-Дам, видимое с Эйфелевой башни То же изображение, с добавленным глобальным контрастом и локальным контрастом (резкость ) увеличено с помощью нерезкого маскирования. Фотография листа с несколькими цветами - нижнее изображение имеет усиление насыщенности на 11% и увеличение контрастности примерно на 10%.

Существует множество возможных значений контрастности. Некоторые включают цвет; другие нет. Травникова сетует: «Такое разнообразие понятий контраста крайне неудобно. Оно усложняет решение многих прикладных задач и затрудняет сравнение результатов, опубликованных разными авторами».

В работе используются разные определения контраста. разные ситуации. Здесь в качестве примера используется яркость контраст, но формулы также могут применяться к другим физическим величинам. Во многих случаях определения контрастности представляют собой отношение типа

$Разница\; яркости\; Средняя\; яркость.\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; t\_dv\; \{Разница\; яркости\}\}\; \{\backslash \; t\_dv\; \{Средняя\; яркость\}\}\}.\}$

Обоснованием этого является то, что небольшая разница незначительна, если средняя яркость высокая, в то время как такая же малая разница имеет значение, если средняя яркость низкая (см. закон Вебера – Фехнера ). Ниже приведены некоторые общие определения.

Контраст Вебера

Контраст Вебера определяется как

$I\; -\; I\; b\; I\; b,\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{I-I\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{b\}\}\}\; \{I\_\; \{\; \backslash \; mathrm\; \{b\}\}\}\},\}$

с $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$и $I\; b\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{b\}\}\}$, представляющий яркость элементов и фона соответственно. Мера также называется дробью Вебера, поскольку это постоянный член в Законе Вебера. Контраст Вебера обычно используется в тех случаях, когда мелкие детали присутствуют на большом однородном фоне, т.е. когда средняя яркость приблизительно равна яркости фона.

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, синус -волновые решетки ). Контраст Майкельсона определяется как

$I\; max\; -\; I\; min\; I\; max\; +\; I\; min,\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{I\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{max\}\}\; -I\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{min\}\}\}\; \{I\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{max\}\}\; +\; I\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{min\}\}\}\},\}$

с $I\; max\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{max\}\}\}$и $I\; min\; \{\backslash \; displaystyle\; I\; \_\; \{\backslash \; mathrm\; \{min\}\}\}$, представляющий максимальную и минимальную яркость. Знаменатель представляет собой удвоенное среднее значение максимальной и минимальной яркостей.

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 разность) (f max - f min) / 2 f отличается от среднего значения (или фона) (f макс + f мин) / 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, тогда f имеет больший контраст, чем g, если m f>mg.

RMS-контраст

Среднеквадратичный (RMS) контраст не зависит от содержания угловой частоты или пространственное распределение контраста в изображении. Среднеквадратичный контраст определяется как стандартное отклонение интенсивностей пикселей :

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

где интенсивности $I\; ij\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{ij\}\}$- это $i\; \{\backslash \; displaystyle\; i\}$-th $j\; \{\backslash \; displaystyle\; j\}$-й элемент двумерного изображения размера $M\; \{\backslash \; displaystyle\; M\}$by $N\; \{\backslash \; displaystyle\; N\}$. $I\; ¯\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bar\; \{I\}\}\}$- среднее интенсивность всех значений пикселей в изображении. Предполагается, что интенсивность пикселей изображения $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$нормализована в диапазоне $[0,\; 1]\; \{\backslash \; displaystyle\; [0,1]\}$.

Контрастная чувствительность - это мера способности различать яркости разных уровней в статическом изображении. Контрастная чувствительность варьируется от человека к человеку, достигая максимума примерно к 20 годам и при угловых частотах примерно 2–5 циклов на градус. Кроме того, она может снижаться с возрастом, а также из-за других факторов, таких как катаракта и диабетическая ретинопатия.

На этом изображении амплитуда контраста зависит только от вертикальной координаты, а пространственная частота зависит только от горизонтальной координаты. Для средней частоты требуется меньший контраст, чем для высокой или низкой частоты, чтобы обнаружить синусоидальные колебания.

Контрастная чувствительность и острота зрения

Логарифмический график функций пространственной контрастной чувствительности для яркости и хроматического контраста

Острота зрения - параметр, который часто используется для оценки общего зрения. Однако снижение контрастной чувствительности может вызвать снижение зрительной функции, несмотря на нормальную остроту зрения. Например, некоторые люди с глаукомой могут достичь зрения 20/20 на экзаменах на остроту зрения, но при этом испытывать трудности с повседневными действиями, такими как вождение автомобиля в ночное время.

Как упоминалось выше, контрастная чувствительность описывает способность зрительной системы различать яркие и тусклые компоненты статического изображения. Острота зрения может быть определена как угол, под которым можно разделить две точки как отдельные, поскольку изображение отображается со 100% контрастом и проецируется на ямку сетчатки. Таким образом, когда оптометрист или офтальмолог оценивает остроту зрения пациента с помощью диаграммы Снеллена или какой-либо другой диаграммы, целевым изображением является отображается с высоким контрастом, например, черные буквы уменьшающегося размера на белом фоне. Последующее исследование контрастной чувствительности может продемонстрировать трудности с уменьшением контраста (например, с использованием диаграммы Пелли-Робсона, которая состоит из одинаковых по размеру, но все более бледно-серых букв на белом фоне).

Для оценки контрастной чувствительности пациента можно использовать одно из нескольких диагностических исследований. Большинство диаграмм в кабинете офтальмолога или оптометриста содержат изображения различной контрастности и угловой частоты. Пациент последовательно рассматривает параллельные стержни различной ширины и контрастности, известные как синусоидальные решетки. Ширина полос и расстояние между ними представляют собой угловую частоту, измеряемую в циклах на градус (cpd или cyc / deg).

Исследования показали, что угловая частота среднего уровня, примерно 5–7 циклов на градус, оптимально определяется большинством людей по сравнению с угловыми частотами низкого или высокого уровня. Порог контрастности можно определить как минимальную контрастность, которую может разрешить пациент. Контрастная чувствительность равна 1 / порог контраста.

Используя результаты исследования контрастной чувствительности, можно построить кривую контрастной чувствительности с угловой частотой по горизонтали и порогом контрастности по вертикальной оси. Также известный как функция контрастной чувствительности (CSF), график демонстрирует нормальный диапазон контрастной чувствительности и будет указывать на снижение контрастной чувствительности у пациентов, которые падают ниже нормальной кривой. Некоторые графики содержат «эквиваленты остроты зрения 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 изображением дефицита зрения. Это может быть из-за этого нарушения контрастной чувствительности, что пациенты испытывают трудности с вождением в ночное время, подъемом по лестнице и другими повседневными действиями, в которых контраст снижен.

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

Недавние исследования продемонстрировали, что синусоидальные паттерны промежуточной частоты оптимально обнаруживаются сетчаткой благодаря расположению нейрональных рецептивных полей по центру и окружающему пространству. На промежуточной угловой частоте пик (более яркие полосы) рисунка обнаруживается центром воспринимающего поля, а впадины (более темные полосы) обнаруживаются тормозной периферией воспринимающего поля. По этой причине низкие и высокие угловые частоты вызывают возбуждающие и тормозящие импульсы, перекрывая пики и впадины частоты в центре и на периферии нейронального рецептивного поля. Другие факторы окружающей среды, физиологические и анатомические факторы влияют на нейронную передачу синусоидальных паттернов, включая адаптацию.

Снижение контрастной чувствительности возникает из-за нескольких этиологий, включая заболевания сетчатки, такие как возрастная дегенерация желтого пятна (ARMD), амблиопия, аномалии хрусталика, такие как катаракта, и нервная дисфункция более высокого порядка, включая инсульт и болезнь Альцгеймера. В свете множества этиологий, ведущих к снижению контрастной чувствительности, тесты на контрастную чувствительность полезны для характеристики и мониторинга дисфункции и менее полезны для выявления заболевания.

• Резкость
• Дальтонизм
• Радиоконтраст
• Коэффициент контрастности

• Подробная информация о контрасте яркости