Contraste (visión)

Diferencia visible en brillo o color.

Seis reproducciones de una fotografía de una costa rocosa con niveles de contraste incrementales, en el sentido de las agujas del reloj desde la parte inferior izquierda

El contraste es la diferencia de luminancia o color que hace que un objeto (o su representación en una imagen o pantalla) sea visible contra un fondo de luminancia o color diferente. El sistema visual humano es más sensible al contraste que a la luminancia absoluta; por lo tanto, podemos percibir el mundo de manera similar a pesar de cambios significativos en la iluminación a lo largo del día o en diferentes lugares. ^[1]

El contraste máximo de una imagen se denomina relación de contraste o rango dinámico . En las imágenes en las que la relación de contraste se acerca al máximo posible para el medio, hay una conservación del contraste . En tales casos, aumentar el contraste en ciertas partes de la imagen dará como resultado necesariamente una disminución del contraste en otras partes. Aclarar una imagen aumenta el contraste en las áreas más oscuras, pero lo disminuye en las áreas más brillantes; por el contrario, oscurecer la imagen tendrá el efecto opuesto. La omisión del blanqueador reduce el contraste en las partes más oscuras y más brillantes de una imagen, al tiempo que mejora el contraste de luminancia en las áreas de brillo intermedio .

Sensibilidad al contraste biológico

Campbell y Robson (1968) demostraron que la función de sensibilidad al contraste humana muestra una forma típica de filtro de paso de banda que alcanza un máximo de alrededor de 4 ciclos por grado (cpd o cyc/deg), con una sensibilidad que cae a cada lado del pico. ^[2] Esto se puede observar cambiando la distancia de visualización de una " rejilla de barrido " (que se muestra a continuación) que muestra muchas barras de una rejilla sinusoidal que van de alto a bajo contraste a lo largo de las barras, y van de barras estrechas (alta frecuencia espacial) a anchas (baja frecuencia espacial) a lo largo del ancho de la rejilla.

El contraste en la mitad izquierda de la imagen es menor que en la mitad derecha.

El límite de corte de alta frecuencia representa las limitaciones ópticas de la capacidad del sistema visual para resolver detalles y, por lo general, es de aproximadamente 60 cpd. El límite de corte de alta frecuencia también 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 . ^{[3] El} campo receptivo de una célula ganglionar de la retina típica comprende una región central en la que la luz excita o inhibe la célula y una región circundante en la que la luz tiene los efectos opuestos.

Un fenómeno experimental es la inhibición del azul en la periferia si se proyecta luz azul contra el blanco, lo que da lugar a un entorno amarillo. El amarillo se deriva de la inhibición del azul en el entorno por parte del centro. Como el blanco menos el azul es rojo y verde, esto se mezcla para convertirse en amarillo. ^[4]

Por ejemplo, en el caso de las pantallas gráficas de ordenador , el contraste depende de las propiedades de la fuente o archivo de imagen y de las propiedades de la pantalla del ordenador, incluidas sus configuraciones variables. En algunas pantallas, el ángulo entre la superficie de la pantalla y la línea de visión del observador también es importante.

Cuantificaciones

Una imagen de la catedral de Notre Dame vista desde la Torre Eiffel

La misma imagen, con contraste global agregado y contraste local ( agudeza ) aumentado mediante máscara de enfoque.

Existen muchas definiciones posibles de contraste. Algunas incluyen el color, otras no. La científica rusa NP Travnikova  [d] se lamenta: "Tal multiplicidad de nociones de contraste es extremadamente incómoda. Complica la solución de muchos problemas aplicados y dificulta la comparación de los resultados publicados por diferentes autores". ^{[5] [6]}

Se utilizan distintas definiciones de contraste en distintas situaciones. Aquí se utiliza el contraste de luminancia como ejemplo, pero las fórmulas también se pueden aplicar a otras magnitudes físicas. En muchos casos, las definiciones de contraste representan una relación del tipo

${\displaystyle {\frac {\mbox{Luminance difference}}{\mbox{Average luminance}}}.}$

La razón 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 (véase la ley de Weber-Fechner ). A continuación, se dan algunas definiciones comunes.

Contraste de Weber

El contraste de Weber se define como ^[5]

${\displaystyle {\frac {I-I_{\mathrm {b} }}{I_{\mathrm {b} }}},}$

con y representando la luminancia de las características y del 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 utiliza comúnmente en casos en los que hay pequeñas características presentes en un fondo grande y uniforme, es decir, donde la luminancia promedio es aproximadamente igual a la luminancia del fondo. ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I_{\mathrm {b} }}$

Contraste de Michelson

El contraste de Michelson ^[7] (también conocido como contraste de visibilidad ) se utiliza comúnmente para patrones en los que tanto las características brillantes como las oscuras son equivalentes y ocupan fracciones similares del área (por ejemplo, rejillas de ondas sinusoidales ). El contraste de Michelson se define como ^[5]

${\displaystyle {\frac {I_{\mathrm {max} }-I_{\mathrm {min} }}{I_{\mathrm {max} }+I_{\mathrm {min} }}},}$

donde y representa la luminancia más alta y más baja. El denominador representa el doble del promedio de las luminancias máxima y mínima. ^[8] ${\displaystyle I_{\mathrm {max} }}$ ${\displaystyle I_{\mathrm {min} }}$

Esta forma de contraste es una manera eficaz de cuantificar el contraste para funciones periódicas y también se conoce como modulación de una señal periódica . La modulación cuantifica la cantidad relativa en la que la amplitud (o diferencia) de se destaca del valor promedio (o fondo) . ${\displaystyle f(x)}$ ${\displaystyle m_{f}}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle (f_{\text{max}}-f_{\text{min}})/2}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle (f_{\text{max}}+f_{\text{min}})/2}$

En general, se refiere al contraste de la señal periódica con respecto a su valor medio. Si , entonces no tiene contraste. Si dos funciones periódicas y tienen el mismo valor medio, entonces tiene más contraste que si . ^[9] ${\displaystyle m_{f}}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle m_{f}=0}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle m_{f}>m_{g}}$

Contraste RMS

El contraste RMS ( raíz cuadrada media ) no depende del contenido de frecuencia espacial ni de la distribución espacial del contraste en la imagen. El contraste RMS se define como la desviación estándar de las intensidades de los píxeles : ^[5]

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

donde las intensidades son el -ésimo -ésimo elemento de la imagen bidimensional de tamaño . es la intensidad promedio de todos los valores de píxeles en la imagen. Se supone que la imagen tiene sus intensidades de píxeles normalizadas en el rango . ${\displaystyle I_{ij}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle j}$ ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle {\bar {I}}}$ ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle [0,1]}$

Sensibilidad al contraste

La sensibilidad al contraste es una medida de la capacidad de discernir diferentes luminancias en una imagen estática . Varía con la edad, aumentando hasta un máximo alrededor de los 20 años en frecuencias espaciales de aproximadamente 2-5 cpd; el envejecimiento atenúa progresivamente la sensibilidad al contraste más allá de este pico. Factores como las cataratas y la retinopatía diabética también reducen la sensibilidad al contraste. ^[10] En la figura de rejilla de barrido a continuación, a una distancia de visualización normal, las barras del medio parecen ser las más largas debido a su frecuencia espacial óptima. Sin embargo, a una distancia de visualización lejana, las barras visibles más largas cambian a lo que originalmente eran las barras anchas, que ahora coinciden con la frecuencia espacial de las barras del medio a la distancia de lectura.

En esta imagen de una "rejilla de barrido", la amplitud del contraste depende únicamente de la coordenada vertical y la frecuencia espacial depende únicamente de la coordenada horizontal. Para frecuencias medias, se necesita menos contraste que para frecuencias altas o bajas para detectar las barras.

Sensibilidad al contraste y agudeza visual

La agudeza visual es un parámetro que se utiliza con frecuencia para evaluar la visión general. Sin embargo, una sensibilidad reducida al contraste puede provocar una disminución de la función visual a pesar de una agudeza visual normal. ^[11] Por ejemplo, algunas personas con glaucoma pueden lograr una visión de 20/20 en exámenes de agudeza visual, pero tener dificultades para realizar 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 distinguir dos puntos como separados, ya que la imagen se muestra con un contraste del 100 % y se proyecta sobre la fóvea de la retina. ^[12] Por lo tanto, cuando un optometrista u oftalmólogo evalúa la agudeza visual de un paciente utilizando una tabla de Snellen o alguna otra tabla de agudeza , la imagen objetivo se muestra con un alto contraste, por ejemplo, letras negras de tamaño decreciente sobre un fondo blanco. Un examen posterior de sensibilidad al contraste puede demostrar dificultad con un contraste disminuido (utilizando, por ejemplo, la tabla de Pelli-Robson, que consiste en letras de tamaño uniforme pero de color gris cada vez más pálido sobre un fondo blanco).

Para evaluar la sensibilidad al contraste de un paciente, se pueden utilizar varios exámenes de diagnóstico. La mayoría de las tablas que se encuentran en el consultorio de un oftalmólogo o un optometrista muestran imágenes con distintos contrastes y frecuencias espaciales . El paciente ve en secuencia barras paralelas de distintos anchos y contrastes, conocidas como rejillas de ondas sinusoidales. El ancho de las barras y la distancia entre ellas representan la frecuencia espacial, medida en ciclos por grado.

Diagrama logarítmico-logarítmico de funciones de sensibilidad al contraste espacial para luminancia y contraste cromático

Los estudios han demostrado que la sensibilidad al contraste es máxima para frecuencias espaciales de 2-5 cpd, disminuyendo para frecuencias espaciales más bajas y disminuyendo rápidamente para frecuencias espaciales más altas. El límite superior para el sistema de visión humano es de aproximadamente 60 cpd. La identificación correcta de letras pequeñas requiere que el tamaño de la letra sea de aproximadamente 18-30 cpd. ^[13] El umbral de contraste se puede definir como el contraste mínimo que puede resolver el paciente. La sensibilidad al contraste se expresa típicamente como el recíproco del contraste umbral para la detección de un patrón dado (es decir, 1 ÷ umbral de contraste). ^[14]

Utilizando los resultados de un examen de sensibilidad al contraste, se puede trazar una curva de sensibilidad al contraste, con la frecuencia espacial en el eje horizontal y el umbral de contraste en el eje vertical. También conocida como función de sensibilidad al contraste (CSF), la gráfica muestra 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 caen en el área bajo la curva. En pacientes con agudeza visual normal y sensibilidad al contraste reducida concomitante, el área bajo la curva sirve como una representación gráfica del déficit visual. Puede ser debido a esta alteración en la sensibilidad al contraste que los pacientes tengan dificultad para conducir de noche, subir escaleras y otras actividades de la vida diaria en las que el contraste está reducido. ^[15]

Estudios recientes han demostrado que los patrones sinusoidales de frecuencia intermedia son detectados óptimamente por la retina debido a la disposición centro-entorno de los campos receptivos neuronales. ^[16] En una frecuencia espacial 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 inhibidora del campo receptivo. Por esta razón, las frecuencias espaciales bajas y altas provocan impulsos excitatorios e inhibidores mediante la superposición de picos y valles de frecuencia en el centro y la periferia del campo receptivo neuronal . ^[17] Otros factores ambientales, ^[18] fisiológicos y anatómicos influyen en la transmisión neuronal de patrones sinusoidales, incluida la adaptación . ^[19]

El gráfico muestra la relación entre la sensibilidad al contraste y la frecuencia espacial. Las imágenes similares a dianas son representativas de la organización centro-entorno de las neuronas, con inhibición periférica en frecuencias espaciales bajas, intermedias y altas. Utilizado con autorización de Brian Wandell, PhD .

La disminución de la sensibilidad al contraste surge de múltiples etiologías, incluidos trastornos de la retina como la degeneración macular relacionada con la edad (DMAE), ambliopía , anomalías del cristalino, como cataratas , y disfunción neuronal de orden superior, incluidos los accidentes cerebrovasculares y la enfermedad de Alzheimer . ^[20] En vista 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 el seguimiento de la disfunción, y menos útiles en la detección de enfermedades.

Umbral de contraste

Datos de umbral de la Tabla 8 de Blackwell (1946) ^[21] graficados como Figura 4 de Crumey (2014). ^[22] Las curvas son para luminancias de fondo que van desde 3,426 × 10 ⁻⁵ cd m ⁻² (arriba) a 3,426 × 10 ³ cd m ⁻² (abajo) en intervalos de una unidad logarítmica.

^{En la década de 1940, Blackwell [21]} realizó un estudio a gran escala de los umbrales de contraste de luminancia utilizando un procedimiento de elección forzada. Se presentaron discos de diversos tamaños y luminancias en diferentes posiciones contra fondos con una amplia gama de luminancias de adaptación y los sujetos tenían que indicar dónde creían que se estaba mostrando el disco. Después de la agrupación estadística de los resultados (90.000 observaciones realizadas por siete observadores), el umbral para un tamaño de objetivo y luminancia determinados se definió como el nivel de contraste de Weber en el que había un nivel de detección del 50%. El experimento empleó un conjunto discreto de niveles de contraste, lo que dio como resultado valores discretos de contraste de umbral. Se dibujaron curvas suaves a través de estos y se tabularon los valores. Los datos resultantes se han utilizado ampliamente en áreas como la ingeniería de iluminación y la seguridad vial. ^[23]

Un estudio independiente de Knoll et al ^[24] investigó los umbrales para fuentes puntuales al exigir a los sujetos que variaran el brillo de la fuente para encontrar el nivel en el que era apenas visible. Hecht ^[25] propuso una fórmula matemática para la curva de umbral resultante con ramas separadas para la visión escotópica y fotópica. Weaver ^[26] utilizó la fórmula de Hecht para modelar la visibilidad de las estrellas a simple vista. Schaefer ^[27] utilizó más tarde la misma fórmula para modelar la visibilidad estelar a través de un telescopio.

Crumey ^[22] demostró que la fórmula de Hecht se ajustaba muy mal a los datos en niveles bajos de luz, por lo que no era realmente adecuada para modelar la visibilidad estelar. Crumey, en cambio, construyó un modelo más preciso y general aplicable tanto a los datos de Blackwell como a los de Knoll et al. El modelo de Crumey cubre todos los niveles de luz, desde la luminancia de fondo cero hasta los niveles de luz diurna, y en lugar de un ajuste de parámetros se basa en una linealidad subyacente relacionada con la ley de Ricco . Crumey lo utilizó para modelar la visibilidad astronómica para objetivos de tamaño arbitrario y para estudiar los efectos de la contaminación lumínica.

Imágenes de prueba

Tipos de imágenes de prueba ^[28]

• Tabla de sensibilidad al contraste de Pelli-Robson
• Gráfico de Regan
• Tabla de rejillas Arden
• Tabla de sensibilidad al contraste de Campbell-Robson ^[29]

Véase también

• Agudeza
• Daltonismo
• Relación de contraste
• Contraste de pantalla
• Examen de la vista
• Resolución óptica
• Psicofísica
• Contraste radiológico
• Frecuencia espacial
• Agudeza visual

Referencias

1. Rahimi-Nasrabadi, Hamed; Jin, Jianzhong; Mazade, Reece; Pons, Carmen; Najafian, Sohrab; Alonso, Jose-Manuel (2021-02-02). "La luminancia de la imagen cambia la sensibilidad al contraste en la corteza visual". Cell Reports . 34 (5): 108692. doi :10.1016/j.celrep.2021.108692. PMC  7886026 . PMID  33535047.
2. Campbell, FW; Robson, JG (1968). "Aplicación del análisis de Fourier a la visibilidad de las rejillas". Revista de fisiología . 197 (3): 551–566. doi :10.1113/jphysiol.1968.sp008574. PMC 1351748 . PMID  5666169. 
3. Nelson, Ralph (1995), Kolb, Helga; Fernández, Eduardo; Nelson, Ralph (eds.), "Respuestas visuales de las células ganglionares", Webvision: The Organization of the Retina and Visual System , Salt Lake City (UT): Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Utah, PMID  21413404 , consultado el 17 de abril de 2024
4. "ojo, humano". Encyclopædia Britannica. 2008. Encyclopædia Britannica 2006 Ultimate Reference Suite DVD
5. E. Peli (octubre de 1990). "Contraste en imágenes complejas" (PDF) . Journal of the Optical Society of America A . 7 (10): 2032–2040. Bibcode :1990JOSAA...7.2032P. doi :10.1364/JOSAA.7.002032. PMID  2231113. S2CID  1434077. Archivado desde el original (PDF) el 2016-05-21 . Consultado el 2009-02-16 .
6. NP Travnikova (1984). Eficiencia de la búsqueda visual . p. 4. Mashinostroyeniye. Moscú, URSS, DTIC Report AD-B157 308
7. Michelson, A. (1927). Estudios en óptica . U. de Chicago Press.
8. Ph.D., Lawrence Arend. "Luminance Contrast". colorusage.arc.nasa.gov . Consultado el 5 de abril de 2018 .
9. Prince, Jerry L., Links, Jonathan M. Señales y sistemas de imágenes médicas , (2006). pág. 65 Cap. 3 Calidad de imagen, 3.2 Contraste, 3.2.1 Modulación.
10. Peter Wenderoth. "La función de sensibilidad al contraste". Archivado desde el original el 20 de julio de 2008. Consultado el 6 de octubre de 2008 .
11. Hashemi, H; Khabazkhoob, M; Jafarzadehpur, E; Emaian, MH; Shariati, M; Fotouhi, A (marzo de 2012). "Evaluación de la sensibilidad al contraste en un estudio poblacional en Shahroud, Irán". Oftalmología . 119 (3): 541–6. doi :10.1016/j.ophtha.2011.08.030. PMID  22153705.
12. Sadun, AA Conferencia sobre Óptica el 6/3/2013. Universidad del Sur de California.
13. Comité de Visión del Consejo Nacional de Investigación (EE. UU.). Técnicas emergentes para la evaluación del rendimiento visual. Washington (DC): National Academies Press (EE. UU.); 1985. FUNCIÓN DE SENSIBILIDAD AL CONTRASTE. Disponible en: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK219042/
14. O'Carroll, David C.; Wiederman, Steven D. (19 de febrero de 2014). "Sensibilidad al contraste y detección de patrones y características en movimiento". Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 369 (1636): 20130043. doi :10.1098/rstb.2013.0043. ISSN  0962-8436. PMC 3886331 . PMID  24395970. 
15. Sia DI, Martin S, Wittert G, Casson RJ. "Cambio relacionado con la edad en la sensibilidad al contraste entre adultos australianos de sexo masculino: Estudio Florey sobre el envejecimiento de varones adultos". Acta Ophthalmol. 16 de marzo de 2012.
16. Wandell, BA Fundamentos de la visión. Capítulo 5: La representación retiniana. 1995. Sinauer Associates, Inc. Consultado en https://foundationsofvision.stanford.edu/chapter-5-the-retinal-representation/#centersurround el 03/05/2019.
17. Tsui JM, Pack CC. "Sensibilidad al contraste de los centros y alrededores del campo receptivo de MT". J Neurophysiol. 2011 Oct;106(4):1888-900.
18. Jarvis, JR; Wathes, CM (mayo de 2012). "Modelado mecanicista de la sensibilidad y agudeza del contraste espacial en vertebrados a baja luminancia". Vis Neurosci . 29 (3): 169–81. doi :10.1017/s0952523812000120. PMID  22569345. S2CID  11602776.
19. Cravo AM, Rohenkohl G, Wyart V, Nobre AC. "La expectativa temporal mejora la sensibilidad al contraste mediante el arrastre de fase de oscilaciones de baja frecuencia en la corteza visual". J Neurosci. 27 de febrero de 2013;33(9):4002-10.
20. Risacher SL, Wudunn D, Pepin SM, MaGee TR, McDonald BC, Flashman LA, Wishart HA, Pixley HS, Rabin LA, Paré N, Englert JJ, Schwartz E, Curtain JR, West JD, O'Neill DP, Santulli RB, Newman RW, Saykin AJ. "Sensibilidad al contraste visual en la enfermedad de Alzheimer, deterioro cognitivo leve y adultos mayores con problemas cognitivos". Neurobiol Aging. Abril de 2013;34(4):1133-44.
21. BLACKWELL HR (1946). "Blackwell, HR, JOSA 36, pág. 624 (1946)". Revista de la Sociedad Óptica de América . 36 (11): 624–643. doi :10.1364/JOSA.36.000624. PMID  20274431.
22. Crumey, A., MNRAS 442, 2600–2619 (2014)
23. Narisada, K., Schreuder, D. Manual sobre contaminación lumínica. Springer 2004.
24. Knoll, HA, Tousey, R., Hulburt, EO, JOSA, 36, p480 (1946)
25. Hecht, S., JOSA, 37, p59 (1947)
26. Weaver, HF, PASP, 59, pág. 232 (1947)
27. Schaefer, BE, PASP, 102, pág. 212
28. Sensibilidad al contraste por Kirandeep Kaur; Bharat Gurnani en la Biblioteca Nacional de Medicina. Última actualización: 11 de junio de 2023.
29. Tardif, Jessica; Watson, Marcus R.; Giaschi, Deborah; Gosselin, Frédéric (9 de marzo de 2021). "La curva visible en el diagrama de Campbell-Robson no es la función de sensibilidad al contraste". Frontiers in Neuroscience . 15 . Frontiers Media SA. doi : 10.3389/fnins.2021.626466 . ISSN  1662-453X. PMC 7985182 . PMID  33767608. 

Enlaces externos

• Detalles sobre el contraste de luminancia