Контраст (зрение)

Видимая разница в яркости или цвете

Шесть вариантов фотографии скалистого берега с постепенным увеличением уровня контрастности, по часовой стрелке, начиная с левого нижнего угла.

Контрастность — это разница в яркости или цвете , которая делает объект (или его представление на изображении или дисплее) видимым на фоне другой яркости или цвета. ^[1] Зрительная система человека более чувствительна к контрасту, чем к абсолютной яркости; таким образом, мы можем воспринимать мир одинаково, несмотря на значительные изменения освещенности в течение дня или в разных местах. ^[2]

Максимальный контраст изображения называется коэффициентом контрастности или динамическим диапазоном . В 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. Осветление изображения увеличивает контраст в более темных областях, но уменьшает его в более ярких областях; и наоборот, затемнение изображения будет иметь противоположный эффект. Обход отбеливателя снижает контраст в самых темных и самых ярких частях изображения, одновременно увеличивая контраст яркости в областях промежуточной яркости .

Биологическая контрастная чувствительность

Кэмпбелл и Робсон (1968) показали, что функция контрастной чувствительности человека демонстрирует типичную форму полосового фильтра с пиком около 4 циклов на градус (cpd или cyc/deg), при этом чувствительность падает по обе стороны от пика. ^[3] Это можно наблюдать, изменяя расстояние просмотра от «решетки развертки » (показанной ниже), показывающей множество полос синусоидальной решетки, которые переходят от высокого к низкому контрасту вдоль полос и переходят от узких (высокая пространственная частота) к широким (низкая пространственная частота) полосам по всей ширине решетки.

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

Высокочастотный предел отражает оптические ограничения способности зрительной системы различать детали и обычно составляет около 60 циклов в день. Высокочастотный предел также связан с плотностью упаковки фоторецепторных клеток сетчатки : более тонкая матрица может разрешать более тонкие решетки.

Низкочастотный спад обусловлен латеральным торможением в ганглиозных клетках сетчатки . ^[4] Рецептивное поле типичной ганглиозной клетки сетчатки состоит из центральной области, в которой свет либо возбуждает, либо подавляет клетку, и окружающей области, в которой свет оказывает противоположное действие.

Одним из экспериментальных явлений является подавление синего на периферии, если синий свет отображается на белом, что приводит к желтому окружению. Желтый цвет получается из подавления синего на окружении центром. Поскольку белый минус синий дает красный и зеленый, это смешивается и становится желтым. ^[5]

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 взгляда наблюдателя.

Количественные оценки

Вид на собор Парижской Богоматери с Эйфелевой башни

То же изображение с добавленным глобальным контрастом и локальным контрастом ( резкостью ), увеличенным за счет нерезкого маскирования

Существует множество возможных определений контраста. Некоторые включают цвет, другие нет. Русский ученый Н. П. Травникова  [d] сетует: «Такое многообразие понятий контраста крайне неудобно. Оно затрудняет решение многих прикладных задач и затрудняет сравнение результатов, опубликованных разными авторами». ^{[6] [7]}

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

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

Обоснованием этого является то, что небольшая разница незначительна, если средняя яркость высока, в то время как та же самая небольшая разница имеет значение, если средняя яркость низкая (см. закон Вебера-Фехнера ). Ниже приведены некоторые общие определения.

Вебер контраст

Контраст Вебера определяется как ^[6]

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

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

Контраст Майкельсона

Контраст Майкельсона ^[8] (также известный как видимость ) обычно используется для шаблонов, где как яркие, так и темные элементы эквивалентны и занимают схожие доли площади (например, синусоидальные решетки ). Контраст Майкельсона определяется как ^[6]

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

где и представляет самую высокую и самую низкую яркость. Знаменатель представляет собой удвоенное среднее значение максимальной и минимальной яркости. ^[9] ${\displaystyle I_{\mathrm {max} }}$ ${\displaystyle I_{\mathrm {min} }}$

Эта форма контраста является эффективным способом количественной оценки контраста для периодических функций и также известна как модуляция периодического сигнала . Модуляция количественно определяет относительную величину, на которую амплитуда (или разность) выделяется из среднего значения (или фона) . ${\displaystyle f(x)}$ ${\displaystyle m_{f}}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle (f_{\text{max}}-f_{\text{min}})/2}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle (f_{\text{max}}+f_{\text{min}})/2}$

В общем случае относится к контрасту периодического сигнала относительно его среднего значения. Если , то не имеет контраста. Если две периодические функции и имеют одинаковое среднее значение, то имеет больший контраст, чем если . ^[10] ${\displaystyle m_{f}}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle m_{f}=0}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle m_{f}>m_{g}}$

Среднеквадратичный контраст

Среднеквадратичный (RMS) контраст не зависит от пространственной частоты или пространственного распределения контраста в изображении. Среднеквадратичный контраст определяется как стандартное отклонение интенсивности пикселей : [ ^6]

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

где интенсивности - это -й -й элемент двумерного изображения размером . - это средняя интенсивность всех значений пикселей в изображении. Предполагается, что изображение имеет интенсивности пикселей, нормализованные в диапазоне . ${\displaystyle I_{ij}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle j}$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle {\bar {I}}}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle [0,1]}$

Контрастная чувствительность

Контрастная чувствительность является мерой способности различать различные яркости в статическом изображении . Она меняется с возрастом, увеличиваясь до максимума около 20 лет на пространственных частотах около 2–5 циклов в день; затем старение постепенно ослабляет контрастную чувствительность за пределами этого пика. Такие факторы, как катаракта и диабетическая ретинопатия, также снижают контрастную чувствительность. ^[11] На рисунке решетки развертки ниже, на обычном расстоянии просмотра, полосы в середине кажутся самыми длинными из-за их оптимальной пространственной частоты. Однако на дальнем расстоянии просмотра самые длинные видимые полосы смещаются к тому, что изначально было широкими полосами, теперь совпадая с пространственной частотой средних полос на расстоянии чтения.

На этом изображении "решетки развертки" 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 полосы.

Контрастная чувствительность и острота зрения

Острота зрения — это параметр, который часто используется для оценки общего зрения. Однако сниженная контрастная чувствительность может привести к снижению зрительной функции, несмотря на нормальную остроту зрения. ^[12] Например, некоторые люди с глаукомой могут достичь зрения 20/20 при проверке остроты зрения, но при этом испытывать трудности с повседневной деятельностью , например, вождением автомобиля в ночное время.

Как упоминалось выше, контрастная чувствительность описывает способность зрительной системы различать яркие и тусклые компоненты статического изображения. Остроту зрения можно определить как угол, под которым можно различить две точки как отдельные, поскольку изображение отображается со 100% контрастом и проецируется на фовеа сетчатки. ^[13] Таким образом, когда оптометрист или офтальмолог оценивает остроту зрения пациента с помощью таблицы Снеллена или какой-либо другой таблицы остроты зрения , целевое изображение отображается с высоким контрастом, например, черные буквы уменьшающегося размера на белом фоне. Последующее обследование контрастной чувствительности может продемонстрировать трудности с уменьшением контраста (используя, например, таблицу Пелли–Робсона, которая состоит из одинаковых по размеру, но все более бледных серых букв на белом фоне).

Для оценки контрастной чувствительности пациента может использоваться один из нескольких диагностических тестов. Большинство таблиц в кабинете офтальмолога или оптометриста будут показывать изображения с различной контрастностью и пространственной частотой . Параллельные полосы различной ширины и контрастности, известные как синусоидальные решетки, последовательно просматриваются пациентом. Ширина полос и их расстояние друг от друга представляют пространственную частоту, измеряемую в циклах на градус.

Логарифмический график функций чувствительности пространственного контраста для яркости и хроматического контраста

Исследования показали, что контрастная чувствительность максимальна для пространственных частот 2-5 cpd, падает для более низких пространственных частот и быстро падает для более высоких пространственных частот. Верхний предел для системы зрения человека составляет около 60 cpd. Для правильной идентификации маленьких букв размер буквы должен быть около 18-30 cpd. ^[14] Порог контрастности можно определить как минимальный контраст, который может быть разрешен пациентом. Контрастная чувствительность обычно выражается как обратная величина порогового контраста для обнаружения заданного шаблона (т. е. 1 ÷ порог контрастности). ^[15]

Используя результаты исследования контрастной чувствительности, можно построить кривую контрастной чувствительности с пространственной частотой по горизонтальной оси и порогом контрастности по вертикальной оси. Также известный как функция контрастной чувствительности (CSF), график демонстрирует нормальный диапазон контрастной чувствительности и будет указывать на сниженную контрастную чувствительность у пациентов, которые попадают ниже нормальной кривой. Некоторые графики содержат «эквиваленты остроты контрастной чувствительности», при этом более низкие значения остроты попадают в область под кривой. У пациентов с нормальной остротой зрения и сопутствующей сниженной контрастной чувствительностью область под кривой служит графическим представлением дефицита зрения. Из-за этого нарушения контрастной чувствительности у пациентов могут возникнуть трудности с вождением автомобиля ночью, подъемом по лестнице и другими видами повседневной деятельности, при которых контрастность снижена. ^[16]

Недавние исследования продемонстрировали, что синусоидальные паттерны средней частоты оптимально обнаруживаются сетчаткой благодаря центрально-окружному расположению нейронных рецептивных полей. ^[17] В промежуточной пространственной частоте пик (более яркие полосы) паттерна обнаруживается центром рецептивного поля, в то время как впадины (более темные полосы) обнаруживаются тормозной периферией рецептивного поля. По этой причине низкие и высокие пространственные частоты вызывают возбуждающие и тормозные импульсы путем перекрытия частотных пиков и впадин в центре и периферии нейронного рецептивного поля . [ ^18] Другие экологические, ^[19] физиологические и анатомические факторы влияют на нейронную передачу синусоидальных паттернов, включая адаптацию . ^[20]

График демонстрирует связь между контрастной чувствительностью и пространственной частотой. Изображения, похожие на мишень, представляют организацию нейронов «центр-окружение» с периферическим торможением на низких, промежуточных и высоких пространственных частотах. Используется с разрешения Брайана Уонделла, доктора философии .

Снижение контрастной чувствительности возникает по нескольким причинам, включая нарушения сетчатки, такие как возрастная макулярная дегенерация (ВМД), амблиопия , аномалии хрусталика, такие как катаракта , а также из-за дисфункции нейронов более высокого порядка, включая инсульт и болезнь Альцгеймера . ^[21] В свете множества причин, приводящих к снижению контрастной чувствительности, тесты на контрастную чувствительность полезны для характеристики и мониторинга дисфункции и менее полезны для выявления заболеваний.

Порог контрастности

Пороговые данные из Таблицы 8 Блэквелла (1946) ^[22], отображенные на Рисунке 4 Круми (2014). ^[23] Кривые соответствуют яркостям фона в диапазоне от 3,426 × 10 ⁻⁵ кд м ⁻² (вверху) до 3,426 × 10 ³ кд м ⁻² (внизу) с интервалом в одну логарифмическую единицу.

Масштабное исследование порогов контраста яркости было проведено в 1940-х годах Блэквеллом ^[22] с использованием процедуры принудительного выбора. Диски разных размеров и яркостей предъявлялись в разных положениях на фоне в широком диапазоне яркостей адаптации, и испытуемые должны были указать, где, по их мнению, демонстрируется диск. После статистического объединения результатов (90 000 наблюдений семью наблюдателями) порог для заданного размера цели и яркости был определен как уровень контраста Вебера, при котором уровень обнаружения составлял 50%. В эксперименте использовался дискретный набор уровней контрастности, что приводило к дискретным значениям порогового контраста. Через них были проведены плавные кривые, а значения сведены в таблицу. Полученные данные широко использовались в таких областях, как светотехника и безопасность дорожного движения. ^[24]

Отдельное исследование Кнолля и др ^{. [25]} изучало пороги для точечных источников, требуя от испытуемых изменять яркость источника, чтобы найти уровень, на котором он был едва виден. Математическая формула для результирующей пороговой кривой была предложена Хехтом [ 26 ^] с отдельными ветвями для скотопического и фотопического зрения. Формула Хехта была использована Уивером ^[27] для моделирования видимости звезд невооруженным глазом. Та же формула была позже использована Шефером ^[28] для моделирования видимости звезд через телескоп.

Crumey ^[23] показал, что формула Хехта очень плохо соответствовала данным при низких уровнях освещенности, поэтому не подходила для моделирования звездной видимости. Вместо этого Crumey построил более точную и общую модель, применимую как к данным Блэквелла, так и к данным Кнолла и др. Модель Crumey охватывает все уровни освещенности, от нулевой фоновой яркости до уровней дневного света, и вместо настройки параметров основана на базовой линейности, связанной с законом Рикко . Crumey использовал ее для моделирования астрономической видимости для целей произвольного размера и для изучения эффектов светового загрязнения.

Тестовые изображения

Типы тестовых изображений ^[29]

• Таблица контрастной чувствительности Пелли-Робсона
• Диаграмма Регана
• Диаграмма решетки Ардена
• Таблица контрастной чувствительности Кэмпбелла-Робсона ^[30]

Смотрите также

• Острота
• Цветовая слепота
• Коэффициент контрастности
• Контрастность дисплея
• Проверка зрения
• Оптическое разрешение
• Психофизика
• Рентгеноконтрастный
• Пространственная частота
• Острота зрения

Ссылки

1. Пелли, Денис Г.; Бекс, Питер (сентябрь 2013 г.). «Измерение контрастной чувствительности». Vision Research . 90 : 10–14. doi :10.1016/j.visres.2013.04.015. PMC  3744596. PMID  23643905 .
2. Рахими-Насрабади, Хамед; Джин, Цзяньчжун; Мазаде, Рис; Понс, Кармен; Наджафян, Сохраб; Алонсо, Хосе-Мануэль (2021-02-02). «Яркость изображения изменяет контрастную чувствительность в зрительной коре». Cell Reports . 34 (5): 108692. doi :10.1016/j.celrep.2021.108692. PMC 7886026 . PMID  33535047. 
3. Кэмпбелл, Ф. В.; Робсон, Дж. Г. (1968). «Применение анализа Фурье к видимости решеток». Журнал физиологии . 197 (3): 551–566. doi :10.1113/jphysiol.1968.sp008574. PMC 1351748. PMID 5666169  . 
4. Нельсон, Ральф (1995), Колб, Хельга; Фернандес, Эдуардо; Нельсон, Ральф (ред.), «Визуальные реакции ганглиозных клеток», Webvision: Организация сетчатки и визуальной системы , Солт-Лейк-Сити (Юта): Центр медицинских наук Университета штата Юта, PMID  21413404 , получено 17 апреля 2024 г.
5. "глаз, человек".Encyclopaedia Britannica. 2008. Encyclopaedia Britannica 2006 Ultimate Reference Suite DVD
6. E. Peli (октябрь 1990 г.). "Контраст в сложных изображениях" (PDF) . Журнал оптического общества Америки A . 7 (10): 2032–2040. Bibcode :1990JOSAA...7.2032P. doi :10.1364/JOSAA.7.002032. PMID  2231113. S2CID  1434077. Архивировано из оригинала (PDF) 21.05.2016 . Получено 16.02.2009 .
7. Н. П. Травникова (1984). Эффективность визуального поиска . стр. 4. Машиностроение. Москва, СССР, Отчет DTIC AD-B157 308
8. Майкельсон, А. (1927). Исследования по оптике . Издательство Чикагского университета.
9. Доктор философии, Лоуренс Аренд. «Контраст яркости». colorusage.arc.nasa.gov . Получено 5 апреля 2018 г. .
10. Принс, Джерри Л., Линкс, Джонатан М. Медицинские сигналы и системы визуализации , (2006). стр. 65, гл. 3 Качество изображения, 3.2 Контрастность, 3.2.1 Модуляция.
11. Питер Вендерот. "Функция контрастной чувствительности". Архивировано из оригинала 2008-07-20 . Получено 06.10.2008 .
12. Хашеми, Х; Хабазхуб, М; Джафарзадехпур, Э; Эмамян, МХ; Шариати, М; Фотоухи, А (март 2012 г.). «Оценка контрастной чувствительности в популяционном исследовании в Шахруде, Иран». Офтальмология . 119 (3): 541–6. doi :10.1016/j.ophtha.2011.08.030. ПМИД  22153705.
13. Садун, А.А. Лекция по оптике от 03.06.2013. Университет Южной Калифорнии.
14. Комитет по зрению Национального исследовательского совета (США). Новые методы оценки визуальной производительности. Вашингтон (округ Колумбия): National Academies Press (США); 1985. ФУНКЦИЯ КОНТРАСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ. Доступно по адресу: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK219042/
15. О'Кэрролл, Дэвид К.; Видерман, Стивен Д. (2014-02-19). «Контрастная чувствительность и обнаружение движущихся узоров и особенностей». Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 369 (1636): 20130043. doi :10.1098/rstb.2013.0043. ISSN  0962-8436. PMC 3886331 . PMID  24395970. 
16. Sia DI, Martin S, Wittert G, Casson RJ. «Возрастные изменения контрастной чувствительности среди взрослых мужчин Австралии: исследование старения взрослых мужчин Флори». Acta Ophthalmol. 16 марта 2012 г.
17. Wandell, BA Основы зрения. Глава 5: Ретинальное представительство. 1995. Sinauer Associates, Inc. Доступно по адресу https://foundationsofvision.stanford.edu/chapter-5-the-retinal-representation/#centersurround 03/05/2019.
18. Tsui JM, Pack CC. «Контрастная чувствительность центров и окрестностей рецептивных полей МТ». J Neurophysiol. 2011 октябрь;106(4):1888-900.
19. Джарвис, Дж. Р.; Уотс, К. М. (май 2012 г.). «Механистическое моделирование пространственной контрастной чувствительности и остроты зрения позвоночных при низкой яркости». Vis Neurosci . 29 (3): 169–81. doi :10.1017/s0952523812000120. PMID  22569345. S2CID  11602776.
20. Cravo AM, Rohenkohl G, Wyart V, Nobre AC. «Временное ожидание усиливает контрастную чувствительность путем фазовой синхронизации низкочастотных колебаний в зрительной коре». J Neurosci. 2013 27 февраля;33(9):4002-10.
21. Risacher SL, Wudunn D, Pepin SM, MaGee TR, McDonald BC, Flashman LA, Wishart HA, Pixley HS, Rabin LA, Paré N, Englert JJ, Schwartz E, Curtain JR, West JD, O'Neill DP, Santulli RB, Newman RW, Saykin AJ. «Визуальная контрастная чувствительность при болезни Альцгеймера, умеренных когнитивных нарушениях и у пожилых людей с когнитивными жалобами». Neurobiol Aging. 2013 апрель;34(4):1133-44.
22. BLACKWELL HR (1946). "Blackwell, HR, JOSA 36, p624 (1946)". Журнал оптического общества Америки . 36 (11): 624–643. doi :10.1364/JOSA.36.000624. PMID  20274431.
23. Crumey, A., MNRAS 442, 2600–2619 (2014)
24. Нарисада, К., Шрёдер, Д. Справочник по световому загрязнению. Springer 2004.
25. Нолл, Х.А., Тузи, Р., Халберт, Э.О., JOSA, 36, стр. 480 (1946).
26. Хехт, С., JOSA, 37, стр. 59 (1947).
27. Уивер, HF, PASP, 59, стр. 232 (1947)
28. Шефер, BE, PASP, 102, стр. 212
29. Контрастная чувствительность Кирандип Каур; Бхарат Гурнани в Национальной медицинской библиотеке. Последнее обновление: 11 июня 2023 г.
30. Тардиф, Джессика; Уотсон, Маркус Р.; Джиаски, Дебора; Госселин, Фредерик (2021-03-09). «Кривая, видимая на диаграмме Кэмпбелла-Робсона, не является функцией контрастной чувствительности». Frontiers in Neuroscience . 15. Frontiers Media SA. doi : 10.3389/fnins.2021.626466 . ISSN  1662-453X. PMC 7985182. PMID 33767608  . 

Внешние ссылки

• Подробная информация о яркостном контрасте