Контраст (зрение)

Разница в яркости и/или цвете, которая делает объекты визуально различимыми.

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

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. Зрительная система человека более чувствительна к контрасту, чем к абсолютной яркости; мы можем воспринимать мир одинаково, независимо от огромных изменений освещенности в течение дня или от места к месту. ^[1] Максимальная контрастность изображения — это коэффициент контрастности или динамический диапазон . Изображения с коэффициентом контрастности, близким к максимально возможному коэффициенту контрастности их среды, испытывают сохранение контраста , при этом любое увеличение контраста в некоторых частях изображения обязательно должно приводить к уменьшению контраста в других местах. Осветление изображения увеличит контраст в темных областях, но уменьшит контраст в ярких областях, а затемнение изображения будет иметь противоположный эффект. Обход отбеливания разрушает контраст как в самых темных, так и в самых ярких частях изображения, одновременно увеличивая яркостной контраст в областях средней яркости.

Биологическая контрастная чувствительность

Кэмпбелл и Робсон (1968) показали, что функция контрастной чувствительности человека 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. ^[2] Это можно наблюдать, изменяя расстояние просмотра от «решетки развертки» (показанной ниже), показывающей множество стержней синусоидальной решетки, контрастность которых меняется от высокого к низкому контрасту вдоль стержней, а также от узкого (высокая пространственная частота) к широкие (низкой пространственной частоты) полосы по ширине решетки.

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

Снижение низкой частоты обусловлено латеральным торможением внутри ганглиозных клеток сетчатки . ^{[ нужна цитация ]} Рецептивное поле типичной ганглиозной клетки сетчатки включает центральную область, в которой свет либо возбуждает, либо подавляет клетку, и окружающую область, 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. ^[3]

Например, в случае графических компьютерных дисплеев контраст 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

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  [д] сетует: «Такая множественность понятий контраста крайне неудобна. Она усложняет решение многих прикладных задач и затрудняет сравнение результатов, публикуемых разными авторами». ^{[4] [5]}

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

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

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

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

с и представляющими яркость объектов и фона соответственно. ^[4] Эту меру также называют 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. ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I_{\mathrm {b} }}$

Контраст Майкельсона

Контраст Майкельсона ^[6] (также известный как видимость ) обычно используется для образцов, в которых как яркие, так и темные детали эквивалентны и занимают одинаковые доли площади (например, синусоидальные решетки ). Контраст Майкельсона определяется как ^[4]

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

с и представляющими самую высокую и самую низкую яркость. Знаменатель представляет собой удвоенное среднее значение максимальной и минимальной яркости. ^[7] ${\displaystyle I_{\mathrm {max} }}$ ${\displaystyle I_{\mathrm {min} }}$

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 . ^[8]

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 : ^[4]

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

где интенсивности – это -й -й элемент двумерного изображения размером в . — это средняя интенсивность всех значений пикселей изображения. Предполагается, что интенсивность пикселей изображения нормализована 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 — это мера способности видеть различную яркость на статическом изображении . Контрастная чувствительность меняется с возрастом, увеличиваясь до максимума около 20 лет при пространственной частоте около 2–5 циклов/град; После этого пика старение постепенно снижает контрастную чувствительность. Контрастную чувствительность также снижают другие факторы, такие как катаракта и диабетическая ретинопатия. ^[9] На рисунке развертки ниже, на обычном расстоянии просмотра, полосы в середине кажутся самыми длинными из-за их оптимальной пространственной частоты; тогда как на дальнем расстоянии просмотра самые длинные видимые полосы смещаются к первоначально широким полосам (теперь с той же пространственной частотой, что и средние полосы 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.

Логарифмический график функций пространственной контрастной чувствительности для яркости и хроматического контраста

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. ^[10] Например, некоторые люди с глаукомой могут достичь остроты 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. ^[11] 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 (cpd или цикл/град).

Исследования показали, что пространственная частота среднего уровня, примерно 5–7 циклов/градус, оптимально обнаруживается большинством людей по сравнению с пространственными частотами низкого или высокого уровня. ^[12] Порог контрастности можно определить как минимальный контраст, который может разрешить пациент. Контрастная чувствительность обычно выражается как величина, обратная пороговому контрасту для обнаружения данного паттерна (т. е. 1 ÷ порог контрастности). ^[13]

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. ^[14]

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 .

Недавние исследования показали, что синусоидальные паттерны промежуточной частоты оптимально обнаруживаются сетчаткой благодаря центрально-окружному расположению рецептивных полей нейронов. ^[15] На промежуточной пространственной частоте пик (более светлые полосы) паттерна обнаруживается центром рецептивного поля, а впадины (более темные полосы) обнаруживаются тормозной периферией рецептивного поля. 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 нейрона . ^[16] Другие факторы окружающей среды, ^[17] физиологические и анатомические факторы влияют на нейрональную передачу синусоидальных паттернов, включая адаптацию . ^[18]

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 . ^[19] В свете 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) ^[20] представлены в виде рисунка 4 Крами (2014). ^[21] Кривые соответствуют фоновой яркости 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 яркостного контраста было проведено в 1940-х годах Блэквеллом ^[20] 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. ^[22]

В отдельном исследовании Нолла и др. ^[23] изучались пороговые значения для точечных источников, требуя от испытуемых варьировать яркость источника, чтобы найти уровень, на котором он был только виден. Математическая формула результирующей пороговой кривой была предложена Хехтом [ ^24] с отдельными ветвями для скотопического и фотопического зрения. Формула Хекта была использована Уивером ^[25] для моделирования видимости звезд невооруженным глазом. Эту же формулу позже использовал Шефер ^[26] для моделирования видимости звезд в телескоп.

Крами ^[21] показал, что формула Хекта 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 ^[27]

• Таблица контрастной чувствительности Пелли-Робсона
• Диаграмма Ригана
• Диаграмма решетки Ардена
• Таблица контрастной чувствительности Кэмпбелла-Робсона ^[28]

Смотрите также

• Острота
• Дальтонизм
• Контрастность
• Контрастность дисплея
• Осмотр глаз
• Оптическое разрешение
• Психофизика
• Радиоконтраст
• Пространственная частота
• Острота зрения

Рекомендации

1. Рахими-Насрабади, Хамед; Цзинь, Цзяньчжун; Мазаде, Рис; Понс, Кармен; Наджафян, Сохраб; Алонсо, Жозе-Мануэль (2 февраля 2021 г.). «Яркость изображения меняет контрастную чувствительность зрительной коры». Сотовые отчеты . 34 (5): 108692. doi :10.1016/j.celrep.2021.108692. ПМК  7886026 . ПМИД  33535047.
2. Кэмпбелл, ФРВ; Робсон, Дж. Г. (1968). «Применение анализа Фурье к видимости решеток». Журнал физиологии . 197 (3): 551–566. doi : 10.1113/jphysical.1968.sp008574. ПМЦ 1351748 . 
3. «глаз человека». Британская энциклопедия. 2008. Британская энциклопедия, DVD Ultimate Reference Suite, 2006 г.
4. Э. Пели (октябрь 1990 г.). «Контраст в сложных изображениях» (PDF) . Журнал Оптического общества Америки А. 7 (10): 2032–2040. Бибкод : 1990JOSAA...7.2032P. doi : 10.1364/JOSAA.7.002032. PMID  2231113. Архивировано из оригинала (PDF) 21 мая 2016 г. Проверено 16 февраля 2009 г.
5. Н. П. Травникова (1984). Эффективность визуального поиска . п.4. Машиностроение. Москва, СССР, Отчет ДТИК AD-B157 308
6. Майкельсон, А. (1927). Исследования по оптике . Университет Чикаго Пресс.
7. Доктор философии, Лоуренс Аренд. «Яркостной контраст». colorusage.arc.nasa.gov . Проверено 5 апреля 2018 г.
8. Принс, Джерри Л., Линкс, Джонатан М. Сигналы и системы медицинской визуализации , (2006). стр. 65 Глава 3 Качество изображения, 3.2 Контраст, 3.2.1 Модуляция.
9. Питер Вендерот. «Функция контрастной чувствительности». Архивировано из оригинала 20 июля 2008 г. Проверено 6 октября 2008 г.
10. 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.
11. Садун А.А. Лекция по оптике от 06.03.2013. Университет Южной Калифорнии.
12. Легуайр Л.Е., Альгазе А., Касоу Н.Х., Льюис Дж., Роджерс Г.Л., Робертс К. «Взаимосвязь между фМРТ, контрастной чувствительностью и остротой зрения». Мозговой Рес. 7 января 2011 г.; 1367: 162-9.
13. О'Кэрролл, Дэвид С.; Видерман, Стивен Д. (19 февраля 2014 г.). «Контрастная чувствительность и обнаружение движущихся структур и особенностей». Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 369 (1636): 20130043. doi :10.1098/rstb.2013.0043. ISSN  0962-8436. ПМЦ 3886331 . ПМИД  24395970. 
14. Сиа Д.И., Мартин С., Виттерт Г., Кассон Р.Дж. «Возрастное изменение контрастной чувствительности среди взрослых мужчин в Австралии: исследование старения взрослых мужчин Флори». Акта Офтальмол. 2012, 16 марта.
15. Ванделл, бакалавр основ видения. Глава 5: Представление на сетчатке. 1995. Sinauer Associates, Inc. Доступ по адресу https://foundationsofvision.stanford.edu/chapter-5-the-retinal-representation/#centersurround, 05.03.2019.
16. Цуй Дж. М., Pack CC. «Контрастная чувствительность центров и окружения рецептивных полей МТ». Дж. Нейрофизиология. Октябрь 2011 г.; 106 (4): 1888-900.
17. Джарвис, младший; Уотс, КМ (май 2012 г.). «Механистическое моделирование пространственной контрастной чувствительности и остроты зрения позвоночных при низкой освещенности». Вис Нейроски . 29 (3): 169–81. дои : 10.1017/s0952523812000120. PMID  22569345. S2CID  11602776.
18. Краво А.М., Роэнкол Г., Вайарт В., Нобре AC. «Временное ожидание повышает контрастную чувствительность за счет фазового смещения низкочастотных колебаний в зрительной коре». Дж. Нейроски. 27 февраля 2013 г.;33(9):4002-10.
19. Рисачер С.Л., Вуданн Д., Пепин С.М., МаГи Т.Р., Макдональд BC, Флэшман Л.А., Уишарт Х.А., Пиксли Х.С., Рабин Л.А., Паре Н., Энглерт Дж.Дж., Шварц Э., Curtain JR, West JD, О'Нил Д.П., Сантулли Р.Б. , Ньюман Р.В., Сайкин А.Дж. «Визуальная контрастная чувствительность при болезни Альцгеймера, легких когнитивных нарушениях и у пожилых людей с когнитивными жалобами». Нейробиол Старение. 34 апреля 2013 г. (4): 1133-44.
20. "Блэквелл, HR, JOSA 36, стр. 624 (1946)" .
21. Крами, А., MNRAS 442, 2600–2619 (2014).
22. Нарисада, К., Шредер, Д. Справочник по световому загрязнению. Спрингер 2004.
23. Нолл, Х.А., Тузи, Р., Халберт, Э.О., JOSA, 36, стр. 480 (1946).
24. Хехт, С., JOSA, 37, стр. 59 (1947).
25. Уивер, HF, PASP, 59, стр. 232 (1947).
26. Шефер, BE, PASP, 102, стр. 212.
27. Контрастная чувствительность Кирандип Каур; Бхарат Гурнани о Национальной медицинской библиотеке. Последнее обновление: 11 июня 2023 г.
28. Тардиф, Джессика; Уотсон, Маркус Р.; Гиаски, Дебора; Госслен, Фредерик (9 марта 2021 г.). «Кривая, видимая на диаграмме Кэмпбелла-Робсона, не является функцией контрастной чувствительности». Границы в неврологии . Фронтирс Медиа С.А. 15 . дои : 10.3389/fnins.2021.626466 . ISSN  1662-453X. ПМЦ 7985182 . 

Внешние ссылки

• Подробности о яркостном контрасте