Contraste (visión)

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 .

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 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 el 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.

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

${\displaystyle {\frac {\mbox{Diferencia de luminancia}}{\mbox{Luminancia promedio}}}.}$

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.

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} }}$

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 {máximo}}}$${\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) . ${\estilo de visualización f(x)}$$Estilo de visualización m_ {f}$${\estilo de visualización f}$${\displaystyle (f_{\text{máx}}-f_{\text{mín}})/2}$${\estilo de visualización f}$${\displaystyle (f_{\text{máx}}+f_{\text{mín}})/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]$Estilo de visualización m_ {f}$${\estilo de visualización f}$${\displaystyle m_{f}=0}$${\estilo de visualización f}$${\estilo de visualización f}$${\estilo de visualización g}$${\estilo de visualización f}$${\estilo de visualización g}$${\displaystyle m_{f}>m_{g}}$

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]

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

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 .$Estilo de visualización I_{ij}}$${\estilo de visualización i}$${\estilo de visualización j}$${\estilo de visualización M}$${\estilo de visualización N}$${\displaystyle {\bar {I}}}$${\displaystyle I}$${\estilo de visualización [0,1]}$

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.

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.

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 ser resuelto por 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]

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.

^{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 ellos 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.

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]

• Detalles sobre el contraste de luminancia