El contraste es la diferencia de luminancia o color que hace que un objeto (o su representación en una imagen o pantalla) sea visible sobre un fondo de diferente luminancia o color. El sistema visual humano es más sensible al contraste que a la luminancia absoluta; Podemos percibir el mundo de manera similar independientemente de los grandes cambios de iluminación a lo largo del día o de un lugar a otro. [1] El contraste máximo de una imagen es la relación de contraste o rango dinámico . Las imágenes con una relación de contraste cercana a la relación de contraste máxima posible de su medio experimentan una conservación del contraste , en la que cualquier aumento del contraste en algunas partes de la imagen debe necesariamente dar como resultado una disminución del contraste en otras partes. Iluminar una imagen aumentará el contraste en las áreas oscuras pero disminuirá el contraste en las áreas brillantes, mientras que oscurecer la imagen tendrá el efecto contrario. La función Bleach Bypass destruye el contraste tanto en las partes más oscuras como en las más brillantes de una imagen, al tiempo que mejora el contraste de luminancia en áreas de brillo intermedio.
Campbell y Robson (1968) demostraron que la función de sensibilidad al contraste humana muestra una forma típica de filtro de paso de banda con un pico de alrededor de 4 ciclos por grado (cpd o cyc/deg), con una sensibilidad que cae a ambos lados del pico. [2] Esto se puede observar cambiando la distancia de visión desde 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 estrechas (alta frecuencia espacial) a barras anchas (baja frecuencia espacial) a lo ancho de la rejilla.
El corte de alta frecuencia representa las limitaciones ópticas de la capacidad del sistema visual para resolver detalles y normalmente es de aproximadamente 60 ciclos/grado. El 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 . [ cita necesaria ] El campo receptivo típico de una célula ganglionar de la retina 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 la luz azul se muestra contra el blanco, dando lugar a un entorno amarillo. El amarillo se deriva de la inhibición del azul en el entorno por el centro. Dado que el blanco menos el azul es rojo y verde, esto se mezcla para convertirse en amarillo. [3]
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.
Hay muchas definiciones posibles de contraste. Algunos incluyen color; Otros no lo hacen. La científica rusa NP 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". [4] [5]
Se utilizan varias definiciones de contraste en diferentes situaciones. Aquí se utiliza el contraste de luminancia como ejemplo, pero las fórmulas también se pueden aplicar a otras cantidades físicas. En muchos casos, las definiciones de contraste representan una relación 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 es importante si la luminancia promedio es baja (consulte la ley de Weber-Fechner ). A continuación se dan algunas definiciones comunes.
El contraste de Weber se define como
con y representando la luminancia de las características y el fondo, respectivamente. [4] 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 habitualmente en casos en los que están presentes pequeñas características sobre un fondo grande y uniforme, es decir, cuando la luminancia media es aproximadamente igual a la luminancia del fondo.
El contraste de Michelson [6] (también conocido como visibilidad ) se usa comúnmente para patrones donde tanto las características brillantes como las oscuras son equivalentes y ocupan fracciones similares del área (por ejemplo, rejillas de onda sinusoidal ). El contraste de Michelson se define como [4]
con y representando la luminancia más alta y más baja. El denominador representa el doble del promedio de las luminancias máxima y mínima. [7]
Esta forma de contraste es una forma eficaz de cuantificar el contraste de funciones periódicas f ( x ) y también se conoce como 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 promedio (o fondo) ( f max + f min )/2. En general, m f se refiere al contraste de la señal periódica f con respecto a 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 > mg . [8]
El contraste cuadrático medio (RMS) 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 : [4]
donde las intensidades son el -ésimo -ésimo elemento de la imagen bidimensional de tamaño por . es la intensidad promedio de todos los valores de píxeles de la imagen. Se supone que la imagen tiene las intensidades de píxeles normalizadas en el rango .
La sensibilidad al contraste es una medida de la capacidad de ver diferentes luminancias en una imagen estática . La sensibilidad al contraste varía con la edad y aumenta hasta un máximo alrededor de los 20 años en frecuencias espaciales de aproximadamente 2 a 5 ciclos/grado; el envejecimiento atenúa progresivamente la sensibilidad al contraste después de este pico. La sensibilidad al contraste también se ve reducida por otros factores como las cataratas y la retinopatía diabética. [9] En la figura de la rejilla de barrido a continuación, a una distancia de visualización normal, las barras en el medio parecen ser las más largas debido a su frecuencia espacial óptima; mientras que a una distancia de visión lejana, las barras visibles más largas se desplazan a las barras originalmente anchas (ahora con la misma frecuencia espacial que las barras intermedias a una distancia de lectura).
La agudeza visual es un parámetro que se utiliza frecuentemente 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 una agudeza visual normal. [10] Por ejemplo, algunas personas con glaucoma pueden alcanzar una visión de 20/20 en los exámenes de agudeza visual, 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 oscuros 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 100% de contraste y se proyecta sobre la fóvea de la retina. [11] Por lo tanto, cuando un optometrista u oftalmólogo evalúa la agudeza visual de un paciente usando una tabla de Snellen o alguna otra tabla de agudeza , 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 dificultades con la disminución del contraste (utilizando, por ejemplo, la tabla de Pelli-Robson, que consta de 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 puede utilizar uno de varios exámenes de diagnóstico. La mayoría de los gráficos en el consultorio de un oftalmólogo u optometrista mostrarán imágenes de contraste y frecuencia espacial variables . 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 representan la frecuencia espacial, 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 espacial de nivel medio, aproximadamente 5 a 7 ciclos/grado, en comparación con las frecuencias espaciales de nivel bajo o alto. [12] El umbral de contraste se puede definir como el contraste mínimo que puede resolver el paciente. La sensibilidad al contraste normalmente se expresa como el recíproco del umbral de contraste para la detección de un patrón determinado (es decir, 1 ÷ umbral de contraste). [13]
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), 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 la 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. [14]
Estudios recientes han demostrado que la retina detecta de manera óptima los patrones sinusoidales de frecuencia intermedia debido a la disposición central-envolvente de los campos receptivos neuronales. [15] En una frecuencia espacial intermedia, el pico (barras más brillantes) del patrón se detecta en el centro del campo receptivo, mientras que los valles (barras más oscuras) se detectan en la periferia inhibidora del campo receptivo. Por esta razón, las frecuencias espaciales bajas y altas provocan impulsos excitadores e inhibidores mediante la superposición de picos y valles de frecuencia en el centro y la periferia del campo receptivo neuronal . [16] Otros factores ambientales, [17] fisiológicos y anatómicos influyen en la transmisión neuronal de patrones sinusoidales, incluida la adaptación . [18]
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), la ambliopía , anomalías del cristalino, como las cataratas , y por disfunción neuronal de orden superior, incluidos los accidentes cerebrovasculares y la enfermedad de Alzheimer . [19] 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.
Blackwell [20] realizó un estudio a gran escala de los umbrales de contraste de luminancia en la década de 1940, utilizando un procedimiento de elección forzada. Se presentaron discos de varios tamaños y luminancias en diferentes posiciones sobre fondos en una amplia gama de luminancias de adaptación, y los sujetos tenían que indicar dónde creían que se estaba mostrando el disco. Después de la combinación estadística de los resultados (90.000 observaciones realizadas por siete observadores), el umbral para un tamaño de objetivo y una 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 umbral de contraste. A través de ellos se trazaron curvas suaves y se tabularon los valores. Los datos resultantes se han utilizado ampliamente en áreas como la iluminación y la seguridad vial. [22]
Un estudio separado realizado por Knoll et al [23] 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 [24] propuso una fórmula matemática para la curva de umbral resultante , con ramas separadas para la visión escotópica y fotópica. Weaver [25] utilizó la fórmula de Hecht para modelar la visibilidad de las estrellas a simple vista. Schaefer [26] utilizó más tarde la misma fórmula para modelar la visibilidad estelar a través de un telescopio.
Crumey [21] 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. En cambio, Crumey construyó un modelo más preciso y general aplicable a los datos de Blackwell y Knoll et al. El modelo de Crumey cubre todos los niveles de luz, desde cero luminancia de fondo hasta niveles de luz diurna, y en lugar de ajustar parámetros se basa en una linealidad subyacente relacionada con la ley de Ricco . Crumey lo utilizó para modelar la visibilidad astronómica de objetivos de tamaño arbitrario y para estudiar los efectos de la contaminación lumínica.
Tipos de imágenes de prueba [27]
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