Kontrast (Vision)

Der Kontrast in der linken Hälfte des Bildes ist niedriger als der in der rechten Hälfte.
Die Menge an Kontrast in sechs Versionen von a felsige Kueste Das Foto erhöht sich im Uhrzeigersinn.

Kontrast ist der Unterschied in Luminanz oder Farbe Das macht ein Objekt (oder seine Darstellung in einem Bild oder eine Anzeige) unterscheidbar. Im visuelle Wahrnehmung der realen Welt wird Kontrast durch den Unterschied in der bestimmt Farbe und Helligkeit des Objekts und anderer Objekte innerhalb desselben Sichtfeld. Das menschliche visuelle System ist empfindlicher gegenüber Kontrast als absolut Luminanz; Wir können die Welt ähnlich wahrnehmen, unabhängig von den enormen Veränderungen der Beleuchtung über den Tag oder von Ort zu Ort. Das Maximum Kontrast eines Bildes ist das Kontrastverhältnis oder Dynamikbereich. Bilder mit einem Kontrastverhältnis in der Nähe des maximal möglichen Kontrastverhältnisses ihres Mediums erfahren a Kontrastschutz, wobei jede Zunahme des Kontrasts in einigen Teilen des Bildes notwendigerweise zu einer Abnahme des Kontrasts an anderer Stelle führen muss. Das Aufhellen eines Bildes erhöht den Kontrast in dunklen Bereichen, verringert jedoch den Kontrast in hellen Bereichen, während die Verdunkelung des Bildes den gegenteiligen Effekt hat. Bleichbypass Zerstört Kontrast sowohl in den dunkelsten als auch in hellsten Teilen eines Bildes und verbessert den Luminanzkontrast in Bereichen mit mittlerer Helligkeit.

Biologische Kontrastempfindlichkeit

Laut Campbell und Robson (1968) der Mensch Kontrastempfindlichkeitsfunktion zeigt eine typische Bandpassfilter Formart bei etwa 4 Zyklen pro Grad, wobei die Empfindlichkeit zu beiden Seiten des Peaks abfällt.[1] Diese Erkenntnis hat viele dazu gebracht, den Menschen zu behaupten visuelles System ist am empfindlichsten bei der Erkennung von Kontrastunterschieden bei 4 Zyklen pro Grad.[2][3] Die Behauptung der Frequenzempfindlichkeit ist jedoch problematisch, da beispielsweise Änderungen der Entfernung die relevanten Wahrnehmungsmuster nicht beeinflussen scheinen (wie beispielsweise in der Bildunterschrift an Solomon und Pelli (1994) angegeben (1994)[4] Während sich die letzteren Autoren speziell auf Buchstaben beziehen, machen sie keine objektive Unterscheidung zwischen diesen und anderen Formen. Die relative Unempfindlichkeit der Kontrasteffekte gegenüber der Entfernung (und damit somit räumliche Frequenz) kann auch durch eine gelegentliche Inspektion eines paradigmantischen Sweep -Gitters beobachtet werden, wie dies beobachtet werden kann hier

Der Hochfrequenz-Grenzwert repräsentiert die optisch Einschränkungen der Fähigkeit des visuellen Systems zu beschließen Details und sind in der Regel etwa 60 Zyklen pro Grad. Der Hochfrequenz-Grenzwert hängt mit der Packdichte der Packungsdichte zusammen Netzhaut Photorezeptorzellen: Eine feinere Matrix kann feinere Gitter lösen.

Der Niederfrequenzabfall ist darauf zurückzuführen laterale Hemmung innerhalb der Retinalganglionzellen. Eine typische Ganglionzelle der Netzhaut präsentiert eine Zentralregion mit Anregung oder Hemmung und eine Umgebungsregion mit dem entgegengesetzten Vorzeichen. Durch die Verwendung grobe Gitter fallen die hellen Banden sowohl auf die Hemmung als auch auf die exzitatorische Region der Ganglionzelle, was zu einer lateralen Hemmung führt und den niederfrequenten Abfall der menschlichen Kontrastempfindlichkeitsfunktion erklärt.

Ein experimentelles Phänomen ist die Hemmung von Blau in der Peripherie, wenn blaues Licht gegen Weiß angezeigt wird, was zu einer gelben Umgebung führt. Das Gelb wird von der Hemmung von Blau in der Umgebung durch das Zentrum abgeleitet. Da weiße Minus blau rot und grün ist, werden dies gelb.[5]

Bei grafischen Computeranzeigen hängt der Kontrast beispielsweise von den Eigenschaften der Bildquelle oder -datei und den Eigenschaften der Computeranzeige, einschließlich der variablen Einstellungen, ab. Für einige Bildschirme ist der Winkel zwischen der Bildschirmoberfläche und der Sichtlinie des Beobachters ebenfalls wichtig.

Formel

Ein Bild der Notre Dame -Kathedrale, wie aus dem aus gesehen wird Eiffelturm
Das gleiche Bild mit zusätzlichem globalem Kontrast und lokalem Kontrast (Kontrast (Akutanz) erhöht sich durch Unscharfmaskierung.
A hand holding a multi-color leaf
The same image with greater contrast and saturation
Ein Foto eines Blattes mit mehreren Farben - das untere Bild hat einen Sättigungsschub von 11% und der Kontrast um etwa 10%.

Es gibt viele mögliche Kontrastdefinitionen. Einige enthalten Farbe; andere nicht. Travnikova beklagt: "Eine solche Vielzahl von Kontrastvorstellungen ist äußerst unpraktisch. Es erschwert die Lösung vieler angewandter Probleme und erschwert es, die von verschiedenen Autoren veröffentlichten Ergebnisse zu vergleichen."[6]

In verschiedenen Situationen werden verschiedene Kontrastdefinitionen verwendet. Hier, Luminanz Der Kontrast wird als Beispiel verwendet, aber die Formeln können auch auf andere physikalische Größen angewendet werden. In vielen Fällen stellen die Kontrastdefinitionen ein Verhältnis des Typs dar

Die Begründung dahinter ist, dass ein kleiner Unterschied vernachlässigbar ist, wenn die durchschnittliche Luminanz hoch ist, während dieselbe kleine Differenz wichtig ist, wenn die durchschnittliche Luminanz niedrig ist (siehe Weber -Fechner -Gesetz). Im Folgenden werden einige gemeinsame Definitionen angegeben.

Weber -Kontrast

Weber -Kontrast ist definiert als

mit und Darstellung der Luminanz der Merkmale bzw. des Hintergrunds. Die Maßnahme wird auch als als bezeichnet Weber -Fraktion, da es der Begriff ist, der konstant ist in Webers Gesetz. Der Weber -Kontrast wird üblicherweise in Fällen verwendet, in denen kleine Merkmale auf einem großen einheitlichen Hintergrund vorhanden sind, d. H. Wenn die durchschnittliche Luminanz ungefähr der Hintergrundluminanz entspricht.

Michelson -Kontrast

Michelson -Kontrast[7] (auch bekannt als die Sichtweite) wird üblicherweise für Muster verwendet, bei denen sowohl helle als auch dunkle Merkmale gleichwertig sind und ähnliche Fraktionen des Bereichs aufnehmen (z. Sinuswellengitter). Der Michelson -Kontrast wird definiert als

mit und die höchste und niedrigste Luminanz darstellen. Der Nenner repräsentiert doppelt so hoch wie der Durchschnitt der maximalen und minimalen Luminanzen.[8]

Diese Kontrastform ist ein effektiver Weg, um den Kontrast für periodische Funktionen zu quantifizieren f(x) und ist auch als Modulation bekannt mf eines periodischen Signals f. Modulation quantifiziert die relative Menge, durch die die Amplitude (oder Differenz) (Differenz) (fMaxfMindest)/2 von f fällt vom Durchschnittswert (oder Hintergrund) ab (fMax + fMindest)/2. Im Algemeinen, mf bezieht sich auf den Kontrast des periodischen Signals f relativ zu seinem Durchschnittswert. Wenn mf = 0, dann f hat keinen Kontrast. Wenn zwei periodische Funktionen f und g dann den gleichen Durchschnittswert haben, dann f hat mehr Kontrast als g wenn mf > mg.[9]

RMS -Kontrast

Quadratischer Mittelwert (RMS) Kontrast hängt nicht vom Winkelfrequenzgehalt oder der räumlichen Verteilung des Kontrasts im Bild ab. RMS -Kontrast ist definiert als die Standardabweichung der Pixel Intensitäten:[10]

wo Intensitäten sind die -Th -Die Element des zweidimensionalen Bildbildes der Größe durch . ist die durchschnittliche Intensität aller Pixelwerte im Bild. Das Bild Es wird angenommen, dass seine Pixelintensitäten im Bereich normalisiert sind .

Kontrastempfindlichkeit

Kontrastempfindlichkeit ist ein Maß für die Fähigkeit, dazwischen zu erkennen Luminanzen von verschiedenen Ebenen in einer statischen Ebene Bild. Die Kontrastempfindlichkeit variiert zwischen Individuen und erreicht ein Maximum im Alter von ungefähr 20 Jahren und bei Winkelfrequenzen von etwa 2–5 Zyklen pro Grad. Darüber hinaus kann es mit dem Alter und auch aufgrund anderer Faktoren wie Katarakte und diabetischer Retinopathie sinken.[11]

In diesem Bild hängt die Kontrastamplitude nur von der vertikalen Koordinate ab, und die räumliche Frequenz hängt nur von der horizontalen Koordinate ab. Für die mittlere Frequenz wird weniger Kontrast benötigt als bei hoher oder niedriger Frequenz, um die sinusförmige Schwankung zu erkennen.

Kontrastempfindlichkeit und Sehschärfe

Log-Log-Diagramm der räumlichen Kontrastempfindlichkeitsfunktionen für Luminanz und chromatischer Kontrast

Sehschärfe ist ein Parameter, der häufig zur Bewertung des Gesamtsehens verwendet wird. Eine verminderte Kontrastempfindlichkeit kann jedoch trotz normaler Sehschärfe eine verminderte visuelle Funktion verursachen.[12] Zum Beispiel einige Personen mit Glaukom kann 20/20 Sehvermögen bei Schärfeprüfungen erzielen, aber damit zu kämpfen haben Aktivitäten des täglichen Lebenswie nachts fahren.

Wie oben erwähnt, beschreibt die Kontrastempfindlichkeit die Fähigkeit des visuellen Systems, helle und schwache Komponenten eines statischen Bildes zu unterscheiden. Die Sehschärfe kann als der Winkel definiert werden, mit dem man zwei Punkte als getrennt auflösen kann, da das Bild mit 100% Kontrast angezeigt wird und auf die Fovea der Netzhaut projiziert wird.[13] So wenn ein Optiker oder Augenarzt bewertet die Sehschärfe eines Patienten mit a Snellen -Diagramm oder ein anderer SchärfekarteDas Zielbild wird mit hohem Kontrast angezeigt, z. B. schwarze Buchstaben mit abnehmender Größe auf einem weißen Hintergrund. Eine nachfolgende Untersuchung der Kontrastempfindlichkeit kann Schwierigkeiten mit vermindertem Kontrast zeigen (unter Verwendung des Pelli-Robson-Diagramms, das aus einheitlichen, aber zunehmend hellgrauen Buchstaben auf einem weißen Hintergrund besteht).

Um die Kontrastempfindlichkeit eines Patienten zu bewerten, kann eine von mehreren diagnostischen Untersuchungen verwendet werden. Die meisten Diagramme in einem Ophthalmologen oder Optikerbüro zeigen Bilder von unterschiedlichem Kontrast und Winkelfrequenz. Parallele Balken unterschiedlicher Breite und Kontrast, die als Sinuswellengitter bezeichnet werden, werden vom Patienten nacheinander angesehen. Die Breite der Stäbe und ihr Abstand voneinander repräsentieren die Winkelfrequenz, gemessen in Zyklen pro Grad (CPD oder Cyc/Grad).

Studien haben gezeigt, dass die Winkelfrequenz mit mittlerer Ebene, ungefähr 5–7 Zyklen pro Grad, von den meisten Personen optimal nachgewiesen wird, verglichen mit Winkelfrequenzen mit niedriger oder hoher Ebene.[14] Das Kontrastschwelle kann als der minimale Kontrast definiert werden, der vom Patienten aufgelöst werden kann. Die Kontrastempfindlichkeit ist gleich 1/Kontrastschwelle.

Unter Verwendung der Ergebnisse einer Kontrastempfindlichkeitsuntersuchung kann eine Kontrastempfindlichkeitskurve mit einer Winkelfrequenz auf der horizontalen und Kontrastschwelle auf der vertikalen Achse aufgetragen werden. Das Diagramm auch als Kontrastempfindlichkeitsfunktion (CSF) bezeichnet, zeigt den normalen Bereich der Kontrastempfindlichkeit und zeigt eine verminderte Kontrastempfindlichkeit bei Patienten an, die unter die normale Kurve fallen. Einige Graphen enthalten „Kontrastempfindlichkeitsschärfeäquivalente“, wobei die Werte mit niedrigeren Schärfe in der Fläche unter der Kurve fallen. Bei Patienten mit normaler Sehschärfe und gleichzeitiger reduzierter Kontrastempfindlichkeit dient der Bereich unter der Kurve als grafische Darstellung des visuellen Defizits. Dies kann an dieser Beeinträchtigung bei der Kontrastempfindlichkeit zurückzuführen sein, dass Patienten nachts Schwierigkeiten haben, zu fahren, Treppen zu steigen und andere Aktivitäten des täglichen Lebens, in dem der Kontrast verringert wird.[15]

Die Grafik zeigt die Beziehung zwischen Kontrastempfindlichkeit und räumlicher Frequenz. Die zielähnlichen Bilder sind repräsentativ für die Organisation von Neuronen in der Mitte mit einer peripheren Hemmung bei niedrigen, mittleren und hohen räumlichen Frequenzen. Verwendet mit Genehmigung von Brian Wandell, PhD.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass Sinusmuster mit mittlerer Frequenz durch die Retina aufgrund der zentralen Anordnung der neuronalen Empfängnisfelder optimal detasiert werden.[16] In einer mittleren Winkelfrequenz wird der Peak (hellere Balken) des Musters durch die Mitte des Empfangsfeldes nachgewiesen, während die Tröge (dunklere Balken) durch die inhibitorische Peripherie des Empfangsfeldes nachgewiesen werden. Aus diesem Grund lösen niedrige und hohe Winkelfrequenzen exzitatorische und hemmende Impulse, indem überlappende Frequenzpeaks und Mulden im Zentrum und die Peripherie des Neuronals überlappten Empfängliches Feld.[17] Andere Umwelt,[18] Physiologische und anatomische Faktoren beeinflussen die neuronale Übertragung von sinusförmigen Mustern, einschließlich Anpassung.[19]

Eine verminderte Kontrastempfindlichkeit ergibt sich aus mehreren Ätiologien, einschließlich Netzhautstörungen wie z. Altersbedingte Makuladegeneration (ARMD), Amblyopie, Objektivanomalien, wie z. Kataraktund durch neuronale Dysfunktion höherer Ordnung, einschließlich streicheln und Alzheimer-Krankheit.[20] Angesichts der Vielzahl von Ätiologien, die zu einer verminderten Kontrastempfindlichkeit führen, sind Kontrastempfindlichkeitstests nützlich bei der Charakterisierung und Überwachung von Funktionsstörungen und weniger hilfreich beim Erkennung von Krankheiten.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Campbell, F. W. & Robson, J. G. (1968). "Anwendung der Fourier -Analyse auf die Sichtbarkeit von Gittern". Journal of Physiology. 197 (3): 551–566. doi:10.1113/jphysiol.1968.sp008574. PMC 1351748. PMID 5666169. Archiviert von das Original Am 2011-05-28. Abgerufen 2011-02-12.
  2. ^ S. A. Klein, T. Carney, L. Barghout-Stein & C. W. Tyler (1997, Juni). Sieben Modelle der Maskierung. In elektronischer Bildgebung'97 (S. 13-24). Internationale Gesellschaft für Optik und Aerodynamik.
  3. ^ Barghout-Stein, Lauren. Über Unterschiede zwischen peripherer und fovealer Mustermaskierung. Diss. Universität von Kalifornien, Berkeley, 1999.
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  7. ^ Michelson, A. (1927). Studien in Optik. U. of Chicago Press.
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Externe Links