Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для более широкого освещения этой темы см. Контрастность дисплея .
Контраст в левой половине изображения ниже, чем в правой половине.
В шести версиях фотографии скалистого берега контрастность увеличивается по часовой стрелке.

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

Биологическая контрастная чувствительность [ править ]

Согласно Кэмпбеллу и Робсону (1968), функция контрастной чувствительности человека показывает типичную форму полосового фильтра с пиком примерно 4 цикла на градус, при этом чувствительность падает по обе стороны от пика. [1] Это открытие побудило многих утверждать, что зрительная система человека наиболее чувствительна в обнаружении различий контрастности, возникающих при 4 циклах на градус пространственной частоты, на которой люди могут обнаруживать более низкие различия контрастности, чем на любой другой угловой частоте. [2] [3]Тем не менее, требование чувствительности частот проблематично с учетом, например, что изменения расстояния, похоже , не влияют на соответствующие восприятия модели (как отмечено, например, в подписи к рисунку на Соломона и Пелли (1994) [4] В то время как Последние авторы ссылаются именно на буквы, 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 решетки качания. здесь

Высокочастотная отсечка представляет собой оптические ограничения способности зрительной системы распознавать детали и обычно составляет около 60 циклов на градус. Отсечка высоких частот связана с плотностью упаковки фоторецепторных клеток сетчатки : более тонкая матрица может разрешить более мелкие решетки.

Низкая частота высадка из - за боковое торможение в пределах 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 - это красный и зеленый, он смешивается и становится желтым. [5]

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 обзора наблюдателя.

Формула [ править ]

Изображение собора Нотр-Дам, вид с Эйфелевой башни
То же изображение с добавленным глобальным контрастом и локальной контрастностью ( резкостью ), увеличенной за счет нерезкого маскирования .
Фотография листа с несколькими цветами - нижнее изображение имеет усиление насыщенности на 11% и увеличение контраста примерно на 10%.

Есть много возможных определений контраста. Некоторые включают цвет; другие нет. Травникова сетует: «Такое разнообразие представлений о контрасте крайне неудобно. Оно усложняет решение многих прикладных задач и затрудняет сравнение результатов, опубликованных разными авторами». [6]

В разных ситуациях используются разные определения контраста. Здесь в качестве примера используется яркостный контраст, но формулы также могут применяться к другим физическим величинам. Во многих случаях определения контраста представляют собой соотношение типа

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

Контраст Вебера [ править ]

Контраст Вебера определяется как

с и, представляющими 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 [ править ]

Контраст Майкельсона [7] (также известный как видимость ) обычно используется для рисунков, в которых как яркие, так и темные элементы эквивалентны и занимают примерно одинаковые доли площади (например, синусоидальные решетки ). Контраст Майкельсона определяется как

с и представляющим самой высокой и низкой яркостью. Знаменатель представляет собой удвоенное среднее значение максимальной и минимальной яркости. [8]

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, тоf не имеет контраста. Если две периодические функции f и g имеют одинаковое среднее значение, тогда f имеет больший контраст, чем g, если m f > m g . [9]

RMS контраст [ править ]

Среднеквадратичный (RMS) контраст не зависит от содержания угловой частоты или пространственного распределения контраста в изображении. RMS-контраст определяется как стандартное отклонение яркости пикселей : [10]

где интенсивности - это -й элемент двумерного изображения размером by . - средняя интенсивность всех значений пикселей в изображении. Изображения предполагается иметь свои интенсивности пикселей , нормализованные в диапазоне .

Контрастная чувствительность [ править ]

Контрастная чувствительность - это мера способности различать яркость разных уровней в статическом изображении . Контрастная чувствительность варьируется от человека к человеку, достигая максимума примерно к 20 годам и при угловых частотах около 2–5 циклов на градус. Кроме того, он может уменьшаться с возрастом, а также из-за других факторов, таких как катаракта и диабетическая ретинопатия. [11]

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 [ править ]

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 вызвать снижение зрительной функции, несмотря на нормальную остроту зрения. [12] Например, некоторые люди с глаукомой могут достичь зрения 20/20 на экзаменах на остроту зрения, но при этом испытывать трудности в повседневной жизни , например, 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. [13] Таким образом, когда оптометрист или офтальмолог оценивает остроту зрения пациента, используя таблицу Снеллена или другую таблицу остроты зрения., целевое изображение отображается с высоким контрастом, например, черные буквы уменьшающегося размера на белом фоне. Последующее исследование контрастной чувствительности может продемонстрировать трудности с уменьшением контрастности (например, с использованием диаграммы Пелли-Робсона, которая состоит из одинаковых по размеру, но все более бледно-серых букв на белом фоне).

Чтобы оценить контрастную чувствительность пациента, можно использовать одно из нескольких диагностических исследований. Большинство диаграмм в кабинете офтальмолога или оптометриста содержат изображения с разной контрастностью и угловой частотой . Пациент последовательно рассматривает параллельные стержни различной ширины и контрастности, известные как синусоидальные решетки. Ширина полос и расстояние между ними представляют угловую частоту, измеряемую в циклах на градус (cpd или cyc / deg).

Исследования показали, что угловая частота среднего уровня, приблизительно 5-7 циклов на градус, оптимально обнаруживается большинством людей по сравнению с угловыми частотами низкого или высокого уровня. [14] пороговый контраст может быть определена как минимальное отличие , которые могут быть решены с помощью пациента. 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. Возможно, из-за этого нарушения контрастной чувствительности пациенты испытывают трудности с вождением в ночное время,подъем по лестнице и другие повседневные занятия, в которых снижается контраст.[15]

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. [16] На промежуточной угловой частоте пик (более яркие полосы) рисунка обнаруживается центром воспринимающего поля, в то время как впадины (более темные столбцы) обнаруживаются тормозной периферией воспринимающего поля. По этой причине низкие и высокие угловые частоты вызывают возбуждающие и тормозящие импульсы, перекрывая пики и впадины частот в центре и на периферии рецептивного поля нейронов . [17] Прочие экологические аспекты, [18]физиологические и анатомические факторы влияют на передачу нейронами синусоидальных паттернов, включая адаптацию . [19]

Снижение контрастной чувствительности возникает из-за нескольких этиологий, включая нарушения сетчатки, такие как возрастная макулярная дегенерация (ARMD), амблиопия , аномалии хрусталика, такие как катаракта , и нейронная дисфункция более высокого порядка, включая инсульт и болезнь Альцгеймера . [20] В свете множества этиологий, приводящих к снижению контрастной чувствительности, тесты на контрастную чувствительность полезны для характеристики и мониторинга дисфункции и менее полезны для выявления заболевания.

См. Также [ править ]

  • Острота
  • Дальтонизм
  • Радиоконтраст
  • Контрастность

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Campbell, FW & Robson, JG (1968). «Применение анализа Фурье к видимости решеток» . Журнал физиологии . 197 (3): 551–566. DOI : 10.1113 / jphysiol.1968.sp008574 . PMC  1351748 . PMID  5666169 . Архивировано из оригинала на 2011-05-28 . Проверено 12 февраля 2011 .
  2. Перейти ↑ Klein, SA, Carney, T., Barghout-Stein, L., & Tyler, CW (1997, июнь). Семь моделей маскировки. In Electronic Imaging'97 (стр. 13-24). Международное общество оптики и аэродинамики.
  3. Перейти ↑ Barghout-Stein, Lauren. О различиях между маскировкой периферического и фовеального рисунка. Дисс. Калифорнийский университет, Беркли, 1999.
  4. ^ Соломон, JA; Пелли, Д.Г. (1994). «Визуальный фильтр, опосредующий идентификацию букв». Природа . 369 (6479): 395–397. DOI : 10.1038 / 369395a0 .
  5. ^ "глаз, человек". Британская энциклопедия. 2008. DVD Encyclopdia Britannica Ultimate Reference Suite 2006 г.
  6. Перейти ↑ Travnikova, NP (1985). Эффективность визуального поиска . стр.4. Машиностроение.
  7. ^ Михельсон, А. (1927). Исследования по оптике . U. of Chicago Press.
  8. ^ Доктор философии, Лоуренс Аренд. «Контраст яркости» . colorusage.arc.nasa.gov . Проверено 5 апреля 2018 года .
  9. Перейти ↑ Prince, Jerry L., Links, Jonathan M. Medical Imaging Signals and Systems , (2006). стр. 65 Канал 3 Качество изображения, 3.2 Контрастность, 3.2.1 Модуляция.
  10. ↑ Э. Пели (октябрь 1990 г.). «Контраст в сложных изображениях» (PDF) . Журнал Оптического общества Америки A . 7 (10): 2032–2040. DOI : 10.1364 / JOSAA.7.002032 . Архивировано из оригинального (PDF) 21 мая 2016 года . Проверено 16 февраля 2009 .
  11. ^ Питер Вендерот. «Функция контрастной чувствительности» . Архивировано из оригинала на 2008-07-20 . Проверено 6 октября 2008 .
  12. ^ Хашеми, H; Хабазхооб, М; Джафарзадехпур, Э; Emamian, MH; Шариати, М; Fotouhi, A (март 2012 г.). «Оценка контрастной чувствительности в популяционном исследовании в Шахруд, Иран». Офтальмология . 119 (3): 541–6. DOI : 10.1016 / j.ophtha.2011.08.030 .
  13. ^ Sadun, AA Оптика лекции по 03/06/2013. Университет Южной Калифорнии.
  14. ^ Leguire LE, Algaze A, Kashou NH, Lewis J, Rogers GL, Roberts C. «Взаимосвязь между фМРТ, контрастной чувствительностью и остротой зрения». Brain Res. 2011 7 января; 1367: 162-9.
  15. ^ Sia DI, Мартин S, Виттерт G, Кассон RJ. «Возрастное изменение контрастной чувствительности у взрослых мужчин в Австралии: Исследование старения взрослых мужчин Флори». Acta Ophthalmol. 2012 16 марта.
  16. ^ Ванделл, Б. А. Основы видения. Глава 5: Представление сетчатки. 1995. Sinauer Associates, Inc. Доступ по адресу https://foundationsofvision.stanford.edu/chapter-5-the-retinal-presentation/#centersurround, 05.03.2019.
  17. ↑ Tsui JM, Pack CC. «Контрастная чувствительность МТ-рецептивных центров поля и окружения». J Neurophysiol. 2011 Октябрь; 106 (4): 1888-900.
  18. ^ Джарвис, младший; Wathes, CM (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 .
  19. ^ Cravo AM, Rohenkohl G, Wyart V, Нобре AC. «Временное ожидание увеличивает контрастную чувствительность за счет фазового увлечения низкочастотных колебаний в зрительной коре». J Neurosci. 2013 27 февраля; 33 (9): 4002-10.
  20. ^ Risacher SL, Wudunn D, Пепин SM, Маги TR, McDonald BC, Flashman Л.А., Wishart HA, Пиксли HS, Рабин LA, Паре N, Englert JJ, Шварц Е, занавес JR, Запад JD, O'Neill DP, Сантулли RB , Ньюман RW, Сайкин AJ. «Визуальная контрастная чувствительность при болезни Альцгеймера, легких когнитивных нарушениях и пожилых людях с когнитивными жалобами». Neurobiol Aging. 2013 Апрель; 34 (4): 1133-44.

Внешние ссылки [ править ]

  • Подробная информация о контрасте яркости