El contraste , en física e imágenes digitales , es una propiedad cuantificable que se utiliza para describir la diferencia de apariencia entre elementos dentro de un campo visual . Está estrechamente relacionado con el brillo percibido de los objetos y normalmente se define mediante fórmulas específicas que involucran las luminancias de los estímulos. Por ejemplo, el contraste se puede cuantificar como ΔL/L cerca del umbral de luminancia, conocido como contraste de Weber , [1] o como L H /L L en luminancias mucho más altas. [2] Además, el contraste puede resultar de diferencias en cromaticidad , que se especifican mediante características colorimétricas como la diferencia de color ΔE en el UCS (Espacio de color uniforme) CIE 1976 .
Comprender el contraste es fundamental en campos como las tecnologías de visualización y procesamiento de imágenes , donde afecta significativamente la calidad de la reproducción del contenido visual . El contraste de las pantallas visuales electrónicas se ve influenciado por el tipo de mecanismo de control de señal utilizado, que puede ser analógico o digital. Este mecanismo influye directamente en la calidad de la reproducción de imágenes en distintas condiciones. Además, el contraste se ve afectado por la iluminación ambiental y la dirección de observación del espectador , que pueden alterar el brillo percibido y la precisión del color.
El "contraste de luminancia" es la relación entre la luminancia más alta, L H , y la luminancia más baja, L L , que definen la característica que se va a detectar. Esta relación, a menudo denominada relación de contraste , CR, (que en realidad es una relación de luminancia ), se utiliza a menudo para luminancias altas y para la especificación del contraste de dispositivos de visualización electrónicos . El contraste de luminancia (relación), CR, es un número adimensional , que a menudo se indica añadiendo ":1" al valor del cociente (p. ej., CR = 900:1).
con 1 ≤ CR ≤
Una "relación de contraste" de CR = 1 significa que no hay contraste.
El contraste también se puede especificar mediante la modulación de contraste (o contraste de Michelson ), C M , definida como:
con 0 ≤ C M ≤ 1.
C M = 0 significa que no hay contraste.
Otra definición de contraste es una aplicación práctica del contraste de Weber , [3] que a veces se encuentra en el campo de las pantallas electrónicas, K o C W , es:
con 0 ≤ C W ≤ 1.
C W = 0 significa que no hay contraste, mientras que el contraste máximo, C Wmax, es igual a uno, o más comúnmente descrito como un porcentaje como Michelson, 100%.
Una modificación de Weber realizada por Hwaung/Peli agrega una compensación de deslumbramiento al denominador para modelar con mayor precisión las pantallas de computadora. [4] Por lo tanto, el Weber modificado es:
Esto modela con mayor precisión la pérdida de contraste que ocurre en la luminancia de pantalla más oscura debido a las condiciones de luz ambiental.
Dos partes de un campo visual pueden tener la misma luminancia, pero su color ( cromaticidad ) es diferente. Este contraste de color se puede describir mediante una distancia en un sistema de cromaticidad adecuado (por ejemplo, CIE 1976 UCS, CIELAB , CIELUV).
Una métrica para el contraste de color que se utiliza a menudo en el campo de las pantallas electrónicas es la diferencia de color ΔE*uv o ΔE*ab.
Durante la medición de los valores de luminancia utilizados para la evaluación del contraste, el área activa de la pantalla se ajusta a menudo completamente a uno de los estados ópticos para los que se debe determinar el contraste, por ejemplo, completamente blanco (R=G=B=100%) y completamente negro (R=G=B=0%) y la luminancia se mide uno tras otro (secuencial en el tiempo).
Esta forma de proceder es adecuada únicamente cuando el dispositivo de visualización no presenta efectos de carga , lo que significa que la luminancia del patrón de prueba varía con el tamaño del patrón de prueba. Dichos efectos de carga se pueden encontrar en pantallas CRT y en PDP . Un patrón de prueba pequeño (por ejemplo, un patrón de ventana del 4 %) mostrado en estos dispositivos puede tener una luminancia significativamente mayor que el patrón de pantalla completa correspondiente porque la corriente de suministro puede estar limitada por circuitos electrónicos especiales. [ cita requerida ]
Se pueden utilizar dos patrones de prueba cualesquiera que no sean completamente idénticos para evaluar el contraste entre ellos. Cuando un patrón de prueba comprende el estado completamente brillante (blanco total, R=G=B=100%) y el otro el estado completamente oscuro (negro total, R=G=B=0%), el contraste resultante se denomina contraste de oscilación completa . Este contraste es el más alto (máximo) que puede alcanzar la pantalla. Si no se especifica ningún patrón de prueba en una hoja de datos junto con una declaración de contraste, lo más probable es que se refiera al contraste de oscilación completa . [ cita requerida ]
El procedimiento estándar para la evaluación del contraste es el siguiente: [ cita requerida ]
Cuando se miden la luminancia y/o la cromaticidad antes de que la respuesta óptica se haya establecido en un estado estable, se ha medido algún tipo de contraste transitorio en lugar del contraste estático . [ cita requerida ]
Cuando el contenido de la imagen cambia rápidamente, por ejemplo durante la visualización de un vídeo o una película, el estado óptico de la pantalla puede no alcanzar el estado estable previsto debido a la respuesta lenta y, por lo tanto, el contraste aparente se reduce en comparación con el contraste estático. [ cita requerida ]
Esta es una técnica para ampliar el contraste de las pantallas LCD.
Las pantallas LCD comprenden una unidad de retroiluminación que emite luz de forma permanente y un panel LCD situado delante de ella que modula la transmisión de la luz con respecto a la intensidad y la cromaticidad. Para aumentar el contraste de dichas pantallas LCD, la retroiluminación se puede atenuar (globalmente) cuando la imagen que se va a visualizar es oscura (es decir, no comprende datos de imagen de alta intensidad) mientras que los datos de imagen se corrigen numéricamente y se adaptan a la intensidad reducida de la retroiluminación. De esta forma, se pueden mejorar las regiones oscuras de las imágenes oscuras y se puede aumentar sustancialmente el contraste entre fotogramas posteriores. [5] También se puede ampliar intencionadamente el contraste dentro de un fotograma en función del histograma de la imagen (se pueden cortar o suprimir algunos puntos destacados esporádicos de una imagen). Se requiere un procesamiento de señal digital considerable para la implementación de la técnica de control de contraste dinámico de una forma que sea agradable para el sistema visual humano (por ejemplo, no se deben inducir efectos de parpadeo).
El contraste dentro de los cuadros individuales ( contraste simultáneo ) se puede aumentar cuando la luz de fondo se puede atenuar localmente. Esto se puede lograr con unidades de luz de fondo que se realizan con matrices de LED. [6] Las pantallas LCD de alto rango dinámico (HDR) utilizan esa técnica para lograr valores de contraste (estáticos) en el rango de CR > 100.000. [7]
Para medir el mayor contraste posible, el estado oscuro de la pantalla bajo prueba no debe verse alterado por la luz del entorno, ya que incluso pequeños incrementos ΔL en el denominador de la relación (L H + ΔL) / (L L + ΔL) producen una reducción considerable de ese cociente. Esta es la razón por la que la mayoría de las relaciones de contraste utilizadas para fines publicitarios se miden en condiciones de sala oscura (iluminancia E DR ≤ 1 lx). [ cita requerida ]
En teoría, todas las pantallas electrónicas emisoras (por ejemplo, CRT, PDP) no emiten luz en el estado negro (R=G=B=0%) y, por lo tanto, en condiciones de cuarto oscuro sin luz ambiental reflejada desde la superficie de la pantalla hacia el dispositivo de medición de luz, la luminancia del estado negro es cero y, por lo tanto, el contraste se vuelve infinito. [ cita requerida ]
Cuando estas pantallas de visualización se utilizan fuera de una habitación completamente oscura, por ejemplo en la sala de estar (iluminancia de aproximadamente 100 lx) o en una situación de oficina (iluminancia mínima de 300 lx), la luz ambiental se refleja desde la superficie de la pantalla, lo que se suma a la luminancia del estado oscuro y, por lo tanto, reduce considerablemente el contraste. [ cita requerida ]
Una pantalla de televisión bastante novedosa realizada con tecnología OLED se especifica con una relación de contraste en sala oscura CR = 1.000.000 (un millón). En una situación de aplicación realista con una iluminancia de 100 lx, la relación de contraste se reduce a ~350, con 300 lx se reduce a ~120. [8]
El contraste que se puede experimentar o medir en presencia de iluminación ambiental se denomina, en pocas palabras, "contraste ambiental". [9] Un tipo especial de "contraste ambiental" es el contraste en condiciones de iluminación exterior, cuando la iluminancia puede ser muy intensa (hasta 100.000 lx). El contraste aparente en tales condiciones se denomina "contraste de luz diurna". [10]
Dado que las áreas oscuras de una pantalla siempre se ven dañadas por la luz reflejada, solo se pueden mantener valores de "contraste ambiental" razonables cuando la pantalla está provista de medidas eficientes para reducir los reflejos mediante recubrimientos antirreflejos y/o antideslumbrantes. [ cita requerida ]
Cuando se muestra un patrón de prueba que contiene áreas con diferente luminancia y/o cromaticidad (por ejemplo, un patrón de tablero de ajedrez), y un observador ve las diferentes áreas simultáneamente, el contraste aparente se denomina contraste concurrente (el término contraste simultáneo ya se utiliza para un efecto diferente). Los valores de contraste obtenidos a partir de dos patrones de pantalla completa mostrados posteriormente pueden ser diferentes de los valores evaluados a partir de un patrón de tablero de ajedrez con los mismos estados ópticos. Esa discrepancia puede deberse a propiedades no ideales de la pantalla de visualización (por ejemplo, diafonía, halación, etc.) y/o a problemas de luz difusa en el dispositivo de medición de luz. [ cita requerida ]
Cuando se establece un contraste entre dos estados ópticos que se perciben o miden uno después del otro, este contraste se denomina contraste sucesivo . El contraste entre dos patrones de pantalla completa (contraste de pantalla completa) siempre es un contraste sucesivo . [ cita requerida ]
Dependiendo de la naturaleza de la pantalla bajo prueba (visión directa o proyección), el contraste se evalúa como un cociente de valores de luminancia (visión directa) o como un cociente de valores de iluminancia (pantallas de proyección) si las propiedades de la pantalla de proyección están separadas de las del proyector. En el último caso, se proyecta un patrón de tablero de ajedrez con rectángulos completamente blancos y completamente negros y la iluminancia se mide en el centro de los rectángulos. [11] La norma ANSI IT7.215-1992 define patrones de prueba y lugares de medición, y una forma de obtener el flujo luminoso a partir de mediciones de iluminancia; sin embargo, no define una cantidad denominada "lumen ANSI". [ cita requerida ]
Si las propiedades reflectantes de la pantalla de proyección (que normalmente dependen de la dirección) se incluyen en la medición, la luminancia reflejada desde los centros de los rectángulos debe medirse para un (conjunto de) direcciones de observación específicas .
La luminancia , el contraste y la cromaticidad de las pantallas LCD suelen variar con la dirección de observación (es decir, la dirección de visualización ). La variación de las características electroópticas con la dirección de visualización se puede medir secuencialmente mediante el escaneo mecánico del cono de visualización ( enfoque gonioscópico ) o mediante mediciones simultáneas basadas en conoscopia . [12]
