Contraste (visión) - Contrast (vision)

El contraste en la mitad izquierda de la imagen es menor que en la mitad derecha.
La cantidad de contraste en seis versiones de una foto de la costa rocosa aumenta en el sentido de las agujas del reloj.

El contraste es la diferencia de luminancia o color que hace que un objeto (o su representación en una imagen o pantalla) sea distinguible. En la percepción visual del mundo real, el contraste está determinado por la diferencia en el color y el brillo del objeto y otros objetos dentro del mismo campo de visión . El sistema visual humano es más sensible al contraste que la luminancia absoluta ; podemos percibir el mundo de manera similar independientemente de los grandes cambios en la iluminación durante el día o de un lugar a otro. El contraste máximo de una imagen es la relación de contraste o rango dinámico .

Sensibilidad al contraste biológico

Según Campbell y Robson (1968), la función de sensibilidad de contraste humana muestra una forma típica de filtro de paso de banda con un pico de alrededor de 4 ciclos por grado, con una sensibilidad que cae a ambos lados del pico. Ese hallazgo ha llevado a muchos a afirmar que el sistema visual humano es más sensible para detectar diferencias de contraste que ocurren a 4 ciclos por grado. Sin embargo, la afirmación de la sensibilidad a la frecuencia es problemática dado, por ejemplo, que los cambios de distancia no parecen afectar los patrones perceptivos relevantes (como se observa, por ejemplo, en la leyenda de la figura de Solomon y Pelli (1994). refiriéndose específicamente a letras, no hacen una distinción objetiva entre estas y otras formas. La relativa insensibilidad de los efectos de contraste a la distancia (y por lo tanto a la frecuencia espacial) también puede observarse mediante la inspección casual de una rejilla de barrido paradigmática, como se puede observar aquí

El corte de alta frecuencia representa las limitaciones ópticas de la capacidad del sistema visual para resolver detalles y suele ser de unos 60 ciclos por grado. El corte de alta frecuencia está relacionado con la densidad de empaquetamiento de las células fotorreceptoras de la retina : una matriz más fina puede resolver rejillas más finas.

La caída de baja frecuencia se debe a la inhibición lateral dentro de las células ganglionares de la retina . Una célula ganglionar de la retina típica presenta una región central con excitación o inhibición y una región circundante con el signo opuesto. Mediante el uso de rejillas gruesas, las bandas brillantes caen sobre la región inhibidora y excitadora de la célula ganglionar, lo que produce una inhibición lateral y explica la caída de baja frecuencia de la función de sensibilidad al contraste humana.

Un fenómeno experimental es la inhibición del azul en la periferia si la luz azul se muestra contra el blanco, lo que da lugar a un entorno amarillo. El amarillo se deriva de la inhibición del azul en los alrededores por parte del centro. Dado que el blanco menos el azul es rojo y verde, esto se mezcla para volverse amarillo.

Por ejemplo, en el caso de las pantallas gráficas de computadora, el contraste depende de las propiedades de la fuente o archivo de la imagen y de las propiedades de la pantalla de la computadora, incluida su configuración variable. Para algunas pantallas, el ángulo entre la superficie de la pantalla y la línea de visión del observador también es importante.

Fórmula

Una imagen de la catedral de Notre Dame vista desde la Torre Eiffel
La misma imagen, con contraste global añadido, y el contraste local ( acutancia ) aumentaron mediante el enmascaramiento de enfoque .
Una mano sosteniendo una hoja multicolor.
La misma imagen con mayor contraste y saturación
Una fotografía de una hoja con varios colores: la imagen inferior tiene un aumento de saturación del 11% y un aumento de contraste de alrededor del 10%.

Hay muchas definiciones posibles de contraste. Algunos incluyen color; Otros no lo hacen. Travnikova se lamenta: "Tal multiplicidad de nociones de contraste es extremadamente inconveniente. Complica la solución de muchos problemas aplicados y dificulta la comparación de los resultados publicados por diferentes autores".

Se utilizan varias definiciones de contraste en diferentes situaciones. Aquí, el contraste de luminancia se usa como ejemplo, pero las fórmulas también se pueden aplicar a otras cantidades físicas. En muchos casos, las definiciones de contraste representan una proporción del tipo

La razón detrás de esto es que una pequeña diferencia es insignificante si la luminancia promedio es alta, mientras que la misma pequeña diferencia importa si la luminancia promedio es baja (ver la ley de Weber-Fechner ). A continuación, se dan algunas definiciones comunes.

Contraste de Weber

El contraste de Weber se define como

con y representando la luminancia de las características y el fondo, respectivamente. La medida también se conoce como fracción de Weber , ya que es el término que es constante en la ley de Weber . El contraste de Weber se usa comúnmente en los casos en que están presentes pequeñas características sobre un gran fondo uniforme, es decir, donde la luminancia promedio es aproximadamente igual a la luminancia de fondo.

Contraste de Michelson

El contraste de Michelson (también conocido como visibilidad ) se usa comúnmente para patrones en los que las características brillantes y oscuras son equivalentes y ocupan fracciones similares del área (por ejemplo , rejillas de ondas sinusoidales ). El contraste de Michelson se define como

con y representando la luminancia más alta y más baja. El denominador representa el doble de la media de las luminancias máxima y mínima.

Esta forma de contraste es una forma eficaz de cuantificar el contraste para las funciones periódicas f ( x ) y también se conoce como la modulación m f de una señal periódica f . La modulación cuantifica la cantidad relativa por la cual la amplitud (o diferencia) ( f max - f min ) / 2 de f se destaca del valor medio (o fondo) ( f max + f min ) / 2. En general, m f se refiere al contraste de la señal periódica f en relación con su valor promedio. Si m f = 0, entonces f no tiene contraste. Si dos funciones periódicas f y g tienen el mismo valor promedio, entonces f tiene más contraste que g si m f > m g .

Contraste RMS

El contraste cuadrático medio (RMS) no depende del contenido de frecuencia angular o de la distribución espacial del contraste en la imagen. El contraste RMS se define como la desviación estándar de las intensidades de píxeles :

donde las intensidades son el -ésimo -ésimo elemento de la imagen bidimensional de tamaño por . es la intensidad media de todos los valores de píxeles de la imagen. Se supone que la imagen tiene sus intensidades de píxeles normalizadas en el rango .

Sensibilidad al contraste

La sensibilidad al contraste es una medida de la capacidad de discernir entre luminancias de diferentes niveles en una imagen estática . La sensibilidad al contraste varía entre individuos, alcanzando un máximo aproximadamente a los 20 años de edad y con frecuencias angulares de alrededor de 2 a 5 ciclos por grado. Además, puede disminuir con la edad y también debido a otros factores como las cataratas y la retinopatía diabética.

En esta imagen, la amplitud del contraste depende solo de la coordenada vertical y la frecuencia espacial depende solo de la coordenada horizontal. Para la frecuencia media, se necesita menos contraste que para la frecuencia alta o baja para detectar la fluctuación sinusoidal.

Sensibilidad al contraste y agudeza visual

Gráfico log-log de funciones de sensibilidad de contraste espacial para luminancia y contraste cromático

La agudeza visual es un parámetro que se utiliza con frecuencia para evaluar la visión general. Sin embargo, la disminución de la sensibilidad al contraste puede causar una disminución de la función visual a pesar de la agudeza visual normal. Por ejemplo, algunas personas con glaucoma pueden lograr una visión de 20/20 en los exámenes de agudeza, pero tienen dificultades con las actividades de la vida diaria , como conducir de noche.

Como se mencionó anteriormente, la sensibilidad al contraste describe la capacidad del sistema visual para distinguir los componentes brillantes y tenues de una imagen estática. La agudeza visual se puede definir como el ángulo con el que se pueden resolver dos puntos como separados ya que la imagen se muestra con un contraste del 100% y se proyecta sobre la fóvea de la retina. Por tanto, cuando un optometrista u oftalmólogo evalúa la agudeza visual de un paciente utilizando una tabla de Snellen o alguna otra tabla de agudeza visual , la imagen objetivo se muestra con alto contraste, por ejemplo, letras negras de tamaño decreciente sobre un fondo blanco. Un examen posterior de sensibilidad al contraste puede demostrar dificultad con la disminución del contraste (utilizando, por ejemplo, la tabla de Pelli-Robson, que consta de letras de tamaño uniforme pero cada vez más gris pálido sobre un fondo blanco).

Para evaluar la sensibilidad al contraste de un paciente, se puede utilizar uno de varios exámenes de diagnóstico. La mayoría de las tablas en el consultorio de un oftalmólogo u optometrista mostrarán imágenes de diferentes contrastes y frecuencias angulares . El paciente ve secuencialmente barras paralelas de diferente ancho y contraste, conocidas como rejillas de onda sinusoidal. El ancho de las barras y su distancia entre sí representan la frecuencia angular, medida en ciclos por grado (cpd o cyc / deg).

Los estudios han demostrado que la mayoría de las personas detectan de manera óptima la frecuencia angular de nivel medio, aproximadamente 5-7 ciclos por grado, en comparación con las frecuencias angulares de nivel bajo o alto. El umbral de contraste se puede definir como el contraste mínimo que puede resolver el paciente. La sensibilidad de contraste es igual a 1 / umbral de contraste.

Utilizando los resultados de un examen de sensibilidad al contraste, se puede trazar una curva de sensibilidad al contraste, con frecuencia angular en la horizontal y umbral de contraste en el eje vertical. También conocida como función de sensibilidad al contraste (CSF), el gráfico demuestra el rango normal de sensibilidad al contraste e indicará una sensibilidad al contraste disminuida en pacientes que caen por debajo de la curva normal. Algunos gráficos contienen “equivalentes de agudeza de sensibilidad al contraste”, con valores de agudeza más bajos que se encuentran en el área debajo de la curva. En pacientes con agudeza visual normal y sensibilidad al contraste reducida concomitante, el área bajo la curva sirve como representación gráfica del déficit visual. Puede deberse a esta alteración de la sensibilidad al contraste que los pacientes tengan dificultades para conducir de noche, subir escaleras y otras actividades de la vida diaria en las que se reduce el contraste.

El gráfico demuestra la relación entre la sensibilidad al contraste y la frecuencia espacial. Las imágenes en forma de objetivo son representativas de la organización central circundante de las neuronas, con inhibición periférica a frecuencias espaciales bajas, intermedias y altas. Usado con permiso de Brian Wandell, PhD .

Estudios recientes han demostrado que los patrones sinusoidales de frecuencia intermedia son detectados de manera óptima por la retina debido a la disposición entre el centro y el entorno de los campos receptores neuronales. En una frecuencia angular intermedia, el pico (barras más brillantes) del patrón es detectado por el centro del campo receptivo, mientras que los valles (barras más oscuras) son detectados por la periferia inhibitoria del campo receptivo. Por esta razón, las frecuencias angulares altas y bajas provocan impulsos excitadores e inhibidores mediante la superposición de picos y valles de frecuencia en el centro y la periferia del campo receptivo neuronal . Otros factores ambientales, fisiológicos y anatómicos influyen en la transmisión neuronal de patrones sinusoidales, incluida la adaptación .

La disminución de la sensibilidad al contraste surge de múltiples etiologías, incluidos los trastornos de la retina como la degeneración macular relacionada con la edad (DMAE), la ambliopía , las anomalías del cristalino, como las cataratas , y la disfunción neural de orden superior, como el accidente cerebrovascular y la enfermedad de Alzheimer . A la luz de la multitud de etiologías que conducen a una disminución de la sensibilidad al contraste, las pruebas de sensibilidad al contraste son útiles en la caracterización y seguimiento de la disfunción, y menos útiles en la detección de enfermedades.

Ver también

Referencias

enlaces externos