Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из контрастной чувствительности )
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.

Контрастность - это разница в яркости или цвете, которая делает объект (или его представление на изображении или дисплее) различимым. При 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 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 максимумом примерно 4 цикла на градус, при этом чувствительность падает по обе стороны от пика. [1] Это открытие привело многих к утверждению, что зрительная система человека наиболее чувствительна в обнаружении различий в контрасте, возникающих при 4 циклах на градус. [2] [3] Однако утверждение о частотной чувствительности проблематично, учитывая, например, что изменения расстояния, по-видимому, не влияют на соответствующие модели восприятия (как отмечено, например, в подписи к рисунку к Соломону и Пелли (1994)). ) [4]Хотя последние авторы имеют в виду именно 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, что можно наблюдать здесь.

Отсечка высоких частот 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 попадают как на тормозную, так и на возбуждающую область ганглиозной клетки, что приводит к латеральному торможению и объясняет снижение функции контрастной чувствительности человека на низких частотах.

Одним из экспериментальных явлений является подавление синего цвета на периферии, если синий свет отображается на белом фоне, что приводит к желтому окружению. Желтый возникает из-за подавления синего цвета в окружении центром. Поскольку белый минус синий - это красный и зеленый, они смешиваются и становятся желтыми. [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 контрастности 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 быть применены 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 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 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. Среднеквадратичный 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 угловой частоте 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, вождении 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 с помощью таблицы Снеллена или какой-либо другой диаграммы 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 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 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 контрастности.

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 представлением дефицита зрения. Это может быть из-за этого нарушения контрастной чувствительности, что 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 показали, что синусоидальные паттерны промежуточной частоты оптимально обнаруживаются сетчаткой благодаря расположению рецептивных полей нейронов по центру и окружающему пространству. [16] На промежуточной угловой частоте пик (более яркие полосы) паттерна 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 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 дегенерация желтого пятна (ARMD), амблиопия , аномалии хрусталика, такие как катаракта , и нейронная дисфункция более высокого порядка, включая инсульт и болезнь Альцгеймера . [20] 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.

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. ↑ Травникова, Н.П. (1985). Эффективность визуального поиска . стр.4. Машиностроение.
  7. Перейти ↑ Michelson, A. (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. ^ Принц, Джерри Л., Ссылки, Джонатан М. Сигналы и системы медицинской визуализации , (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. Доступно по адресу https://foundationsofvision.stanford.edu/chapter-5-the-retinal-presentation/#centersurround, 05.03.2019.
  17. ↑ Tsui JM, Pack CC. «Контрастная чувствительность МТ центров рецептивного 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 захвата 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