Контрастность в физике и цифровой обработке изображений — это количественно определяемое свойство, используемое для описания разницы во внешнем виде между элементами в поле зрения . Она тесно связана с воспринимаемой яркостью объектов и обычно определяется конкретными формулами, включающими яркости стимулов. Например, контрастность можно количественно определить как ΔL/L вблизи порога яркости, известном как контраст Вебера , [1] или как L H /L L при гораздо более высоких яркостях. [2] Кроме того, контрастность может быть результатом различий в цветности , которые определяются колориметрическими характеристиками, такими как цветовая разница ΔE в CIE 1976 UCS (единообразное цветовое пространство).
Понимание контрастности имеет решающее значение в таких областях, как технологии визуализации и отображения , где она существенно влияет на качество визуализации визуального контента . Контрастность электронных визуальных дисплеев зависит от типа используемого механизма управления сигналом , который может быть как аналоговым, так и цифровым. Этот механизм напрямую влияет на то, насколько хорошо дисплей отображает изображения в различных условиях. Кроме того, на контрастность влияют окружающее освещение и направление наблюдения зрителя , что может изменить воспринимаемую яркость и точность цветопередачи.
«Контраст яркости» — это отношение между более высокой яркостью, L H , и более низкой яркостью, L L , которое определяет обнаруживаемый признак. Это отношение, часто называемое коэффициентом контрастности , CR, (на самом деле являющееся коэффициентом яркости ), часто используется для высоких яркостей и для спецификации контрастности электронных визуальных устройств отображения . Контраст яркости (коэффициент), CR, — это безразмерное число , часто обозначаемое добавлением «:1» к значению частного (например, CR = 900:1).
с 1 ≤ CR ≤
«Коэффициент контрастности» CR = 1 означает отсутствие контраста.
Контраст также может быть определен с помощью контрастной модуляции (или контраста Майкельсона ), C M , определяемого как:
при 0 ≤ C M ≤ 1.
C M = 0 означает отсутствие контраста.
Другое определение контраста представляет собой практическое применение контраста Вебера [3], иногда встречающегося в области электронных дисплеев, K или C W , и выглядит следующим образом:
при 0 ≤ C W ≤ 1.
C W = 0 означает отсутствие контраста, в то время как максимальный контраст C Wmax равен единице или, что более часто описывается в процентах, например, по Майкельсону, 100%.
Модификация Вебера, разработанная Хваунгом/Пели, добавляет смещение бликов к знаменателю для более точного моделирования компьютерных дисплеев. [4] Таким образом, модифицированный Вебер выглядит следующим образом:
Это более точно моделирует потерю контрастности, возникающую при более низкой яркости дисплея из-за условий внешнего освещения.
Две части поля зрения могут иметь одинаковую яркость, но их цвет ( хроматичность ) различен. Такой цветовой контраст может быть описан расстоянием в подходящей системе цветности (например, CIE 1976 UCS, CIELAB , CIELUV).
Метрикой цветового контраста, часто используемой в области электронных дисплеев, является цветовая разница ΔE*uv или ΔE*ab.
При измерении значений яркости, используемых для оценки контрастности, активная область экрана дисплея часто полностью устанавливается в одно из оптических состояний, для которого необходимо определить контрастность, например, полностью белое (R=G=B=100%) и полностью черное (R=G=B=0%), а яркость измеряется одно за другим (последовательно во времени).
Этот способ подходит только тогда, когда устройство отображения не демонстрирует эффекты загрузки , что означает, что яркость тестового шаблона меняется в зависимости от размера тестового шаблона. Такие эффекты загрузки можно обнаружить в дисплеях с ЭЛТ и в плазменных панелях . Небольшой тестовый шаблон (например, шаблон окна 4%), отображаемый на этих устройствах, может иметь значительно более высокую яркость, чем соответствующий полноэкранный шаблон, поскольку ток питания может быть ограничен специальными электронными схемами. [ необходима цитата ]
Любые два тестовых шаблона, которые не полностью идентичны, можно использовать для оценки контраста между ними. Когда один тестовый шаблон включает полностью яркое состояние (полный белый, R=G=B=100%), а другой — полностью темное состояние (полный черный, R=G=B=0%), результирующий контраст называется контрастом полного размаха . Этот контраст является наивысшим (максимальным) контрастом, которого может достичь дисплей. Если в техническом описании вместе с заявлением о контрасте не указан тестовый шаблон, скорее всего, он будет относиться к контрасту полного размаха . [ необходима цитата ]
Стандартная процедура оценки контрастности выглядит следующим образом: [ необходима ссылка ]
Когда яркость и/или цветность измеряются до того, как оптический отклик установится в стабильном устойчивом состоянии, вместо статического контраста измеряется некий вид переходного контраста . [ необходима ссылка ]
Когда содержимое изображения быстро меняется, например, во время показа видео или фильма, оптическое состояние дисплея может не достичь предполагаемого стабильного состояния из-за медленного отклика, и, таким образом, видимый контраст уменьшается по сравнению со статическим контрастом. [ необходима цитата ]
Это метод повышения контрастности ЖК-экранов.
ЖК-экраны включают в себя блок подсветки, который постоянно излучает свет, и ЖК-панель перед ним, которая модулирует передачу света в зависимости от интенсивности и цветности. Для повышения контрастности таких ЖК-экранов подсветка может быть (глобально) затемнена, когда отображаемое изображение темное (т. е. не содержит высокоинтенсивных данных изображения), в то время как данные изображения численно корректируются и адаптируются к уменьшенной интенсивности подсветки. Таким образом, темные области в темных изображениях могут быть улучшены, а контраст между последующими кадрами может быть существенно увеличен. [5] Также контраст внутри одного кадра может быть намеренно расширен в зависимости от гистограммы изображения (некоторые спорадические блики на изображении могут быть вырезаны или подавлены). Для реализации метода динамического управления контрастностью таким образом, который приятен для зрительной системы человека (например, не должно быть вызвано никаких эффектов мерцания).
Контрастность в отдельных кадрах ( одновременная контрастность ) может быть увеличена, если подсветка может быть локально затемнена. Это может быть достигнуто с помощью блоков подсветки, которые реализованы с помощью массивов светодиодов. [6] ЖК-дисплеи с высоким динамическим диапазоном (HDR) используют эту технику для реализации (статических) значений контрастности в диапазоне CR > 100.000. [7]
Для измерения максимально возможной контрастности темное состояние тестируемого дисплея не должно быть искажено светом из окружающей среды, поскольку даже небольшие приращения ΔL в знаменателе отношения (L H + ΔL) / (L L + ΔL) приводят к значительному уменьшению этого коэффициента. Вот почему большинство коэффициентов контрастности, используемых в рекламных целях, измеряются в условиях темной комнаты (освещенность E DR ≤ 1 лк). [ необходима цитата ]
Все эмиссионные электронные дисплеи (например, ЭЛТ, плазменные дисплеи) теоретически не излучают свет в черном состоянии (R=G=B=0%), и поэтому в условиях темной комнаты, когда окружающий свет не отражается от поверхности дисплея в устройство измерения освещенности, яркость черного состояния равна нулю, а контрастность становится бесконечной. [ необходима ссылка ]
Когда эти дисплеи используются вне полностью темного помещения, например, в гостиной (освещенность около 100 люкс) или в офисе (освещенность минимум 300 люкс), окружающий свет отражается от поверхности дисплея, увеличивая яркость темного состояния и, таким образом, значительно снижая контрастность. [ необходима цитата ]
Совершенно новый телевизионный экран, реализованный с использованием технологии OLED, имеет коэффициент контрастности для темной комнаты CR = 1.000.000 (один миллион). В реальной ситуации применения при освещенности 100 лк коэффициент контрастности снижается до ~350, при 300 лк он снижается до ~120. [8]
Контраст, который можно ощутить или измерить при наличии окружающего освещения, кратко называется «окружающий контраст». [9] Особый вид «окружающего контраста» — это контраст в условиях наружного освещения, когда освещенность может быть очень интенсивной (до 100 000 люкс). Контраст, видимый в таких условиях, называется «дневной контраст». [10]
Поскольку темные области дисплея всегда искажаются отраженным светом, разумные значения «контраста окружающей среды» могут быть достигнуты только в том случае, если дисплей снабжен эффективными мерами по уменьшению отражений с помощью антибликовых и/или противобликовых покрытий. [ необходима цитата ]
Когда отображается тестовый шаблон, содержащий области с разной яркостью и/или цветностью (например, шахматный шаблон), и наблюдатель видит разные области одновременно, кажущийся контраст называется параллельным контрастом (термин одновременный контраст уже принят для другого эффекта). Значения контраста, полученные из двух последовательно отображаемых полноэкранных шаблонов, могут отличаться от значений, оцененных из шахматного шаблона с теми же оптическими состояниями. Это несоответствие может быть вызвано неидеальными свойствами экрана дисплея (например, перекрестными помехами, ореолом и т. д.) и/или проблемами с рассеянным светом в устройстве измерения света. [ необходима цитата ]
Когда устанавливается контраст между двумя оптическими состояниями, которые воспринимаются или измеряются одно за другим, этот контраст называется последовательным контрастом . Контраст между двумя полноэкранными образцами (полноэкранный контраст) всегда является последовательным контрастом . [ необходима цитата ]
В зависимости от характера тестируемого дисплея (прямой просмотр или проекция) контрастность оценивается как частное значений яркости (прямой просмотр) или как частное значений освещенности (проекционные дисплеи), если свойства проекционного экрана отделены от свойств проектора. В последнем случае проецируется шахматный рисунок с полностью белыми и полностью черными прямоугольниками, а освещенность измеряется в центре прямоугольников. [11] Стандарт ANSI IT7.215-1992 определяет тестовые рисунки и места измерений, а также способ получения светового потока из измерений освещенности, однако он не определяет величину, называемую «ANSI-люмен». [ необходима цитата ]
Если в измерение включены отражательные свойства проекционного экрана (обычно зависящие от направления), то яркость, отраженная от центров прямоугольников, должна быть измерена для (набора) определенных направлений наблюдения .
Яркость , контрастность и цветность ЖК-экранов обычно изменяются в зависимости от направления наблюдения (т.е. направления просмотра ). Изменение электрооптических характеристик в зависимости от направления просмотра можно измерить последовательно путем механического сканирования конуса просмотра ( гониоскопический подход) или путем одновременных измерений на основе коноскопии . [12]
