Контраст (зрение) - Википедия - Contrast (vision)

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

Величина контраста в шести версиях скалистый берег фото увеличивается по часовой стрелке.

Контраст разница в яркость или же цвет который делает объект (или его представление на изображении или дисплее) различимым. В визуальное восприятие реального мира контраст определяется разницей в цвет и яркость объекта и других объектов внутри того же поле зрения. Зрительная система человека более чувствительна к контрасту, чем к абсолютной яркость; мы можем воспринимать мир одинаково, независимо от огромных изменений освещения в течение дня или от места к месту. Максимум контраст изображения - это Контрастность или же динамический диапазон.

Биологическая контрастная чувствительность

Согласно Кэмпбеллу и Робсону (1968), человеческий функция контрастной чувствительности показывает типичный полосовой фильтр форма достигает пика около 4 циклов на градус, при этом чувствительность падает по обе стороны от пика.^[1] Это открытие побудило многих утверждать, что человек зрительная система наиболее чувствителен при обнаружении различий в контрасте, возникающих при 4 циклах на градус, пространственная частота при которой люди могут обнаруживать более низкую разницу в контрасте, чем при любой другой угловой частоте.^[2][3] Однако утверждение о частотной чувствительности проблематично, учитывая, например, что изменения расстояния, по-видимому, не влияют на соответствующие модели восприятия (как, например, отмечено 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 парадигматической решетки качания, что можно наблюдать здесь

Отсечка высоких частот представляет собой оптический ограничения способности зрительной системы разрешить детали и обычно составляет около 60 циклов на градус. Высокочастотная отсечка связана с плотностью упаковки сетчатка фоторецепторные клетки: более тонкая матрица может разрешить более мелкие решетки.

Падение низких частот связано с боковое торможение в пределах ганглиозные клетки 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

Изображение собора Нотр-Дам со стороны Эйфелева башня

То же изображение с добавленным глобальным контрастом и локальным контрастом (острота ) увеличился через нерезкая маскировка.

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, яркость контраст используется в качестве примера, но формулы также могут применяться к другим физическим величинам. Во многих случаях определения контраста представляют собой соотношение типа

${ displaystyle { frac { mbox {Разница яркости}} { mbox {Средняя яркость}}}.}$

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.

Вебер контраст

Контраст Вебера определяется как

${ displaystyle { frac {I-I _ { mathrm {b}}} {I _ { mathrm {b}}}},}$

с ${ displaystyle I}$ и ${ displaystyle I _ { mathrm {b}}}$ представляющие яркость объектов и фона соответственно. Эта мера также упоминается как Фракция Вебера, так как это член, который постоянен в Закон 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

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

${ displaystyle { frac {I _ { mathrm {max}} -I _ { mathrm {min}}} {I _ { mathrm {max}} + I _ { mathrm {min}}}},}$

с ${ displaystyle I _ { mathrm {max}}}$ и ${ displaystyle I _ { mathrm {min}}}$ представляет самую высокую и самую низкую яркость. Знаменатель представляет собой удвоенное среднее значение максимальной и минимальной яркости.^[8]

Эта форма контраста - эффективный способ количественной оценки контраста для периодических функций. ж(Икс) и также известен как модуляция м_ж периодического сигнала ж. Модуляция определяет относительную величину, на которую амплитуда (или разница) (ж_{Максимум} − ж_мин) / 2 из ж выделяется на фоне среднего значения (или фона) (ж_{Максимум} + ж_мин) / 2. В целом, м_ж относится к контрасту периодического сигнала ж относительно его среднего значения. Если м_ж = 0, то ж не имеет контраста. Если две периодические функции ж и грамм имеют одинаковое среднее значение, то ж имеет больше контраста, чем грамм если м_ж > м_грамм.^[9]

RMS контраст

Среднеквадратичное значение (RMS) контраст не зависит от содержания угловой частоты или пространственного распределения контраста в изображении. Среднеквадратичный контраст определяется как стандартное отклонение пиксель интенсивности:^[10]

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

где интенсивности ${ displaystyle I_ {ij}}$ являются ${ displaystyle i}$-го ${ displaystyle j}$-й элемент двухмерного изображения размером ${ displaystyle M}$ к ${ displaystyle N}$. ${ displaystyle { bar {I}}}$ - средняя интенсивность всех значений пикселей в изображении. Изображение ${ displaystyle I}$ предполагается, что его интенсивности пикселей нормированы в диапазоне ${ displaystyle [0,1]}$.

Контрастная чувствительность

Контрастная чувствительность это мера способности различать яркость разных уровней в статике изображение. Контрастная чувствительность варьируется от человека к человеку, достигая максимума примерно в 20-летнем возрасте и в угловые частоты примерно 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

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 глаукома может достичь зрения 20/20 на экзаменах на остроту зрения, но бороться с ежедневные занятия, например, вождение ночью.

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 окулист или же офтальмолог оценивает остроту зрения пациента с помощью Диаграмма Снеллена или какой-то другой диаграмма 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 помощью Диаграмма Пелли-Робсона, состоящий из букв одинакового размера, 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 разной контрастности и угловая частота. 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] В порог контрастности можно определить как минимальный контраст, который может разрешить пациент. 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. Это может быть из-за этого нарушения контрастной чувствительности, что пациенты испытывают трудности с вождением в ночное время, подъемом по лестнице и другими повседневными действиями, при которых контрастность снижается.^[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, 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 нейрона. рецептивное поле.^[17] Прочие экологические,^[18] физиологические и анатомические факторы влияют на передачу нейронами синусоидальных паттернов, включая приспособление.^[19]

Снижение контрастной чувствительности возникает из-за нескольких этиологий, включая такие заболевания сетчатки, как Возрастная дегенерация желтого пятна (ARMD), амблиопия, аномалии хрусталика, такие как катаракта, и нейронной дисфункцией 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.

Смотрите также

• Острота
• Дальтонизм
• Радиоконтраст
• Контрастность

Рекомендации

внешняя ссылка

• Подробная информация о контрасте яркости