Kontrast (wizja) - Contrast (vision)

Kontrast w lewej połowie obrazu jest mniejszy niż w prawej połowie.
Kontrast w sześciu wersjach zdjęcia kamienistego brzegu zwiększa się zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Kontrast to różnica w luminancji lub kolorze, która sprawia, że ​​obiekt (lub jego reprezentacja na obrazie lub wyświetlaczu) jest rozróżnialna. W wizualnym postrzeganiu świata rzeczywistego kontrast zależy od różnicy w kolorze i jasności obiektu i innych obiektów w tym samym polu widzenia . Ludzki układ wzrokowy jest bardziej wrażliwy na kontrast niż absolutna luminancja ; podobnie możemy postrzegać świat niezależnie od ogromnych zmian oświetlenia w ciągu dnia lub z miejsca na miejsce. Maksymalny kontrast obrazu to współczynnik kontrastu lub zakres dynamiczny .

Biologiczna wrażliwość na kontrast

Według Campbella i Robsona (1968) funkcja wrażliwości na kontrast dla człowieka wykazuje typowy kształt filtra pasmowo-przepustowego, który osiąga szczyt przy około 4 cyklach na stopień, a czułość spada po obu stronach piku. To odkrycie doprowadziło wielu do stwierdzenia, że ​​ludzki układ wzrokowy jest najbardziej czuły w wykrywaniu różnic kontrastu występujących przy 4 cyklach na stopień. Jednak twierdzenie o wrażliwości na częstotliwości jest problematyczne, biorąc pod uwagę na przykład, że zmiany odległości nie wydają się wpływać na odpowiednie wzorce percepcyjne (jak zauważono na przykład w podpisie rysunku Solomona i Pelli (1994). Odnosząc się konkretnie do liter, nie dokonują obiektywnego rozróżnienia między tymi i innymi kształtami. Względną niewrażliwość efektów kontrastu na odległość (a tym samym częstotliwość przestrzenną) można również zaobserwować przez przypadkową inspekcję paradygmatycznej kraty zamiatającej, jak można tutaj zaobserwować

Odcięcie wysokiej częstotliwości reprezentuje optyczne ograniczenia zdolności układu wzrokowego do rozwiązywania szczegółów i zwykle wynosi około 60 cykli na stopień. Odcięcie wysokiej częstotliwości jest związane z gęstością upakowania komórek fotoreceptorowych siatkówki : drobniejsza macierz może rozdzielić drobniejsze siatki.

Spadek niskiej częstotliwości wynika z bocznego hamowania w komórkach zwojowych siatkówki . Typowa komórka zwojowa siatkówki ma środkowy region z pobudzeniem lub zahamowaniem oraz region otaczający z przeciwnym znakiem. Dzięki zastosowaniu grubych siatek jasne pasma padają na obszar hamujący i pobudzający komórki zwojowej, powodując boczne zahamowanie i odpowiadając za spadek niskiej częstotliwości funkcji wrażliwości na kontrast u człowieka.

Jednym ze zjawisk eksperymentalnych jest hamowanie niebieskiego na obrzeżach, jeśli niebieskie światło jest wyświetlane na białym tle, co prowadzi do żółtego otoczenia. Żółty pochodzi z hamowania niebieskiego w otoczeniu przez środek. Ponieważ biały minus niebieski jest czerwony i zielony, to miesza się, aby stać się żółtym.

Na przykład w przypadku graficznych wyświetlaczy komputerowych kontrast zależy od właściwości źródła obrazu lub pliku oraz właściwości wyświetlacza komputera, w tym jego zmiennych ustawień. W przypadku niektórych ekranów ważny jest również kąt między powierzchnią ekranu a linią wzroku obserwatora.

Formuła

Wizerunek katedry Notre Dame widziana z wieży Eiffla
Ten sam obraz, z dodanym globalnym kontrastem i lokalnym kontrastem ( ostrym ), zwiększonym przez nieostre maskowanie .
Dłoń trzymająca wielokolorowy liść
Ten sam obraz z większym kontrastem i nasyceniem
Zdjęcie liścia z kilkoma kolorami - dolny obraz ma 11% wzrost nasycenia i około 10% wzrost kontrastu.

Istnieje wiele możliwych definicji kontrastu. Niektóre zawierają kolor; inni nie. Travnikova ubolewa: „Taka wielość pojęć kontrastu jest niezwykle niewygodna. Komplikuje rozwiązanie wielu zastosowanych problemów i utrudnia porównanie wyników opublikowanych przez różnych autorów”.

W różnych sytuacjach używane są różne definicje kontrastu. W tym przypadku kontrast luminancji jest używany jako przykład, ale wzory można również zastosować do innych wielkości fizycznych. W wielu przypadkach definicje kontrastu przedstawiają stosunek typu

Uzasadnieniem tego jest to, że mała różnica jest nieistotna, jeśli średnia luminancja jest wysoka, podczas gdy ta sama mała różnica ma znaczenie, jeśli średnia luminancja jest niska (patrz prawo Webera-Fechnera ). Poniżej podano niektóre typowe definicje.

Kontrast Webera

Kontrast Webera jest definiowany jako

z i reprezentujące odpowiednio luminancję cech i tła. Miara jest również określana jako ułamek Webera , ponieważ jest to termin stały w prawie Webera . Kontrast Webera jest powszechnie stosowany w przypadkach, gdy małe cechy występują na dużym jednolitym tle, tj. Gdy średnia luminancja jest w przybliżeniu równa luminancji tła.

Michelson kontrast

Kontrast Michelsona (znany również jako widzialność ) jest powszechnie stosowany we wzorach, w których zarówno jasne, jak i ciemne cechy są równoważne i zajmują podobne części powierzchni (np. Siatki sinusoidalne ). Kontrast Michelsona jest definiowany jako

z i reprezentujące najwyższą i najniższą luminancję. Mianownik reprezentuje dwukrotność średniej maksymalnej i minimalnej luminancji.

Ta forma kontrastu jest skutecznym sposobem ilościowego określenia kontrastu dla funkcji okresowych f ( x ) i jest również znana jako modulacja m f okresowego sygnału f . Modulacja określa ilościowo względną wielkość, o jaką amplituda (lub różnica) ( f max - f min ) / 2 f różni się od wartości średniej (lub tła) ( f max + f min ) / 2. Ogólnie rzecz biorąc, m f odnosi się do kontrastu okresowego sygnału f w stosunku do jego średniej wartości. Jeśli m f = 0, to f nie ma kontrastu. Jeśli dwie funkcje okresowe f i g mają tę samą wartość średnią, to f ma większy kontrast niż g, jeśli m f > m g .

Kontrast RMS

Średnia kwadratowa (RMS) kontrast nie zależy od częstotliwości kątowej treści lub rozkładu przestrzennego kontrastu w obrazie. Kontrast RMS definiuje się jako odchylenie standardowe intensywności pikseli :

gdzie intensywność są -te -tego elementu obrazu dwuwymiarowego wielkości przez . to średnie natężenie wszystkich wartości pikseli w obrazie. Zakłada się, że intensywność pikseli obrazu jest znormalizowana w zakresie .

Wrażliwość na kontrast

Wrażliwość na kontrast jest miarą zdolności rozróżniania luminancji o różnych poziomach w statycznym obrazie . Wrażliwość na kontrast różni się u poszczególnych osób, osiągając maksimum w wieku około 20 lat i przy częstotliwościach kątowych wynoszących około 2–5 cykli na stopień. Ponadto może się zmniejszać z wiekiem, a także z powodu innych czynników, takich jak zaćma i retinopatia cukrzycowa.

Na tym obrazie amplituda kontrastu zależy tylko od współrzędnej pionowej, a częstotliwość przestrzenna zależy tylko od współrzędnej poziomej. W przypadku średniej częstotliwości wymagany jest mniejszy kontrast niż w przypadku wysokiej lub niskiej częstotliwości, aby wykryć fluktuację sinusoidalną.

Wrażliwość na kontrast i ostrość wzroku

Wykres log-log funkcji przestrzennej wrażliwości na kontrast dla luminancji i kontrastu chromatycznego

Ostrość wzroku to parametr często używany do oceny ogólnego widzenia. Jednak zmniejszona wrażliwość na kontrast może powodować pogorszenie funkcji widzenia pomimo normalnej ostrości wzroku. Na przykład niektóre osoby z jaskrą mogą osiągnąć 20/20 wzroku na badaniu ostrości wzroku, ale mają trudności z codziennymi czynnościami , takimi jak prowadzenie samochodu nocą.

Jak wspomniano powyżej, wrażliwość na kontrast opisuje zdolność układu wzrokowego do rozróżniania jasnych i ciemnych elementów statycznego obrazu. Ostrość wzroku można zdefiniować jako kąt, pod jakim można rozróżnić dwa punkty jako oddzielne, ponieważ obraz jest wyświetlany ze 100% kontrastem i jest rzutowany na dołek siatkówki. Tak więc, gdy optometrysta lub okulista ocenia ostrość wzroku pacjenta za pomocą karty Snellena lub innej mapy ostrości , obraz docelowy jest wyświetlany z wysokim kontrastem, np. Czarne litery o malejącej wielkości na białym tle. Późniejsze badanie wrażliwości na kontrast może wykazać trudności ze zmniejszonym kontrastem (przy użyciu np. Wykresu Pelli-Robsona, który składa się z jednakowej wielkości, ale coraz bardziej bladoszarych liter na białym tle).

Aby ocenić wrażliwość pacjenta na kontrast, można zastosować jedno z kilku badań diagnostycznych. Większość wykresów w gabinecie okulisty lub optometrysty przedstawia obrazy o różnym kontraście i częstotliwości kątowej . Pacjent ogląda sekwencyjnie równoległe paski o różnej szerokości i kontraście, zwane siatkami fal sinusoidalnych. Szerokość słupków i ich odległość od siebie reprezentują częstotliwość kątową, mierzoną w cyklach na stopień (cpd lub cyc / deg).

Badania wykazały, że średnia częstotliwość kątowa, około 5–7 cykli na stopień, jest optymalnie wykrywana przez większość osób, w porównaniu z częstotliwościami kątowymi niskiego lub wysokiego poziomu. Próg kontrastu można określić jako minimalny kontrast, które mogą być rozwiązane przez pacjenta. Czułość kontrastu jest równa 1 / próg kontrastu.

Korzystając z wyników badania wrażliwości na kontrast, można wykreślić krzywą wrażliwości na kontrast, z częstotliwością kątową na poziomie i progiem kontrastu na osi pionowej. Znany również jako funkcja wrażliwości na kontrast (CSF), wykres przedstawia normalny zakres wrażliwości na kontrast i wskaże zmniejszoną wrażliwość na kontrast u pacjentów, którzy znajdują się poniżej normalnej krzywej. Niektóre wykresy zawierają „odpowiedniki ostrości wrażliwości na kontrast”, przy czym niższe wartości ostrości mieszczą się w obszarze pod krzywą. U pacjentów z prawidłową ostrością wzroku i towarzyszącą zmniejszoną wrażliwością na kontrast obszar pod krzywą służy jako graficzne przedstawienie deficytu wzroku. Może to być spowodowane tym upośledzeniem wrażliwości na kontrast, że pacjenci mają trudności z prowadzeniem pojazdów nocą, wchodzeniem po schodach i innymi czynnościami życia codziennego, w których kontrast jest zmniejszony.

Wykres przedstawia zależność między wrażliwością na kontrast a częstotliwością przestrzenną. Obrazy podobne do celu są reprezentatywne dla organizacji neuronów w centrum-otoczenie, z obwodowym hamowaniem przy niskich, średnich i wysokich częstotliwościach przestrzennych. Wykorzystano za zgodą dr . Briana Wandella .

Niedawne badania wykazały, że wzorce sinusoidalne o średniej częstotliwości są optymalnie wykrywane przez siatkówkę dzięki rozmieszczeniu neuronalnych pól recepcyjnych w otoczeniu centrum i otoczenia. Przy pośredniej częstotliwości kątowej szczyt (jaśniejsze słupki) wzoru jest wykrywany przez środek pola odbiorczego, podczas gdy doliny (ciemniejsze słupki) są wykrywane przez hamujący obwód pola odbiorczego. Z tego powodu niskie i wysokie częstotliwości kątowe wywołują impulsy pobudzające i hamujące poprzez nakładanie się szczytów i dolin częstotliwości w środku i na obrzeżu neuronalnego pola odbiorczego . Inne czynniki środowiskowe, fizjologiczne i anatomiczne wpływają na neuronalne przekazywanie wzorców sinusoidalnych, w tym na adaptację .

Zmniejszona wrażliwość na kontrast wynika z wielu etiologii, w tym zaburzeń siatkówki, takich jak zwyrodnienie plamki związane z wiekiem (ARMD), niedowidzenie , nieprawidłowości soczewek, takie jak zaćma , a także dysfunkcje nerwowe wyższego rzędu, w tym udar i choroba Alzheimera . W świetle mnogości etiologii prowadzących do obniżenia wrażliwości na kontrast, testy wrażliwości na kontrast są przydatne w charakteryzowaniu i monitorowaniu dysfunkcji, a mniej pomocne w wykrywaniu choroby.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne