Contraste

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O lado esquerdo da imagem tem baixo contraste, a direita tem maior contraste
Alterações na quantidade de contraste em uma foto

Contraste é a diferença de luminância ou cor que torna um objeto (ou sua representação em uma imagem ou tela) distinguível. Na percepção visual do mundo real, o contraste é determinado pela diferença na cor e no brilho do objeto e de outros objetos dentro do mesmo campo de visão. O sistema visual humano é mais sensível ao contraste do que a luminância absoluta; ele pode perceber o mundo da mesma forma, independentemente das grandes mudanças na iluminação ao longo do dia ou de um lugar para outro. O contraste máximo de uma imagem é a taxa de contraste ou a faixa dinâmica.

Sensibilidade biológica ao contraste[editar | editar código-fonte]

De acordo com Campbell e Robson (1968), a função de sensibilidade ao contraste humano mostra uma forma típica de filtro passa-faixa com um pico de cerca de quatro ciclos por grau com a sensibilidade caindo em ambos os lados do pico.[1] Essa descoberta levou muitos a afirmar que o sistema visual humano é mais sensível na detecção de diferenças de contraste que ocorrem em quatro ciclos por grau; ou seja, nessa frequência espacial, os humanos podem detectar diferenças de contraste mais baixas do que em qualquer outra frequência angular.[2][3] No entanto, a alegação de sensibilidade à frequência é problemática, dado que, por exemplo, as mudanças de distância não parecem afetar os padrões perceptivos relevantes (como observado, por exemplo, na legenda da figura de Solomon e Pelli (1994)[4] os últimos autores estão se referindo especificamente às letras, não fazem distinção objetiva entre essas e outras formas. A relativa insensibilidade dos efeitos do contraste à distância (e, portanto, a frequência espacial) também pode ser observada pela inspeção casual de uma grade de varredura paradigmática, como pode ser observado aqui.

O corte de alta frequência representa as limitações ópticas da capacidade do sistema visual de resolver detalhes e é tipicamente de cerca de sessenta ciclos por grau. O corte de alta frequência está relacionado à densidade de empacotamento das células fotorreceptoras da retina: uma matriz mais fina pode resolver grades mais finas.

O declínio de baixa frequência é devido à inibição lateral dentro das células ganglionares da retina. Uma célula ganglionar da retina típica apresenta uma região central com excitação ou inibição e uma região circundante com o sinal oposto. Ao usar grades grosseiras, as bandas brilhantes caem tanto na região inibidora quanto na excitatória da célula ganglionar, resultando em inibição lateral e explicando a queda de baixa frequência da função de sensibilidade ao contraste humano.

Um fenômeno experimental é a inibição do azul na periferia se a luz azul for exibida contra o branco, levando a um ambiente amarelo. O amarelo é derivado da inibição do azul nos arredores pelo centro. Como o branco menos o azul é vermelho e verde, isso se torna amarelo.[5]

Por exemplo, no caso de telas gráficas de computador, o contraste depende das propriedades da fonte ou arquivo da imagem e das propriedades da tela do computador, incluindo suas configurações variáveis. Para algumas telas, o ângulo entre a superfície da tela e a linha de visão do observador também é importante.

Fórmula[editar | editar código-fonte]

Uma imagem da Catedral de Notre Dame, vista da Torre Eiffel
A mesma imagem, com contraste global adicionado, e contraste local (acutância) aumentaram através do mascaramento de nitidez.
A hand holding a multi-color leaf
The same image with greater contrast and saturation
Uma fotografia de uma folha com várias cores — a imagem inferior possui um aumento de 11% na saturação e um aumento de 10% no contraste.

Existem muitas definições possíveis de contraste. Algumas incluem cores; outras não. Travnikova lamenta: "Essa multiplicidade de noções de contraste é extremamente inconveniente. Isso complica a solução de muitos problemas aplicados e dificulta a comparação dos resultados publicados por diferentes autores".[6] Várias definições de contraste são usadas em diferentes situações. Aqui, o contraste da luminância é usado como exemplo, mas as fórmulas também podem ser aplicadas a outras quantidades físicas. Em muitos casos, as definições de contraste representam uma proporção do tipo

A lógica por trás disso é que uma pequena diferença é insignificante se a luminância média for alta, enquanto a mesma pequena diferença importa se a luminância média for baixa (ver lei de Weber-Fechner). Abaixo, são apresentadas algumas definições comuns.

Contraste de Weber[editar | editar código-fonte]

O contraste de Weber é definido como

com e representando a luminância dos recursos e do plano de fundo, respectivamente. A medida também é chamada de fração de Weber, pois o termo é constante na lei de Weber. O contraste de Weber é comumente usado nos casos em que pequenos recursos estão presentes em um grande fundo uniforme, ou seja, onde a luminância média é aproximadamente igual à luminância do fundo.

Contraste de Michelson[editar | editar código-fonte]

O contraste de Michelson[7] (também conhecido como visibilidade) é comumente usado para padrões em que recursos claros e escuros são equivalentes e ocupam frações semelhantes da área (por exemplo, redes de ondas senoidais). O contraste de Michelson é definido como

com e representando a luminância mais alta e mais baixa. O denominador representa o dobro da média das luminâncias máxima e mínima.[8]

Esta forma de contraste é um modo eficaz para quantificar contraste para funções periódicas e também é conhecido como a modulação de um sinal periódico . A modulação quantifica a quantidade relativa pela qual a amplitude (ou diferença) ()/2 de se destaca do valor médio (ou plano de fundo) ()/2. De um modo geral, refere-se a o contraste do sinal periódico em relação ao seu valor médio. Se , então não tem contraste. Se duas funções periódicas f e tiverem o mesmo valor médio, então terá mais contraste que se .[9]

Contraste do valor eficaz[editar | editar código-fonte]

O contraste do valor eficaz não depende do conteúdo da frequência angular ou da distribuição espacial do contraste na imagem. O contraste do valor eficaz é definido como o desvio padrão das intensidades de pixel:[10]

onde intensidades são o -ésimo e o -ésimo elemento da imagem bidimensional de tamanho por . é a intensidade média de todos os valores de pixel na imagem. A imagem presume-se que suas intensidades de pixel sejam normalizadas no intervalo .

Sensibilidade ao contraste[editar | editar código-fonte]

A sensibilidade ao contraste é uma medida da capacidade de discernir entre luminâncias de diferentes níveis em uma imagem estática. A sensibilidade ao contraste varia entre os indivíduos, atingindo o máximo em aproximadamente vinte anos de idade e em frequências angulares de cerca de dois a cinco ciclos por grau. Além disso, pode diminuir com a idade e também devido a outros fatores, como catarata e retinopatia diabética.[11]

Nesta imagem, a amplitude do contraste depende apenas da coordenada vertical, enquanto a frequência espacial depende da coordenada horizontal. Observe que para frequências médias você precisa de menos contraste do que para alta ou baixa frequência para detectar a flutuação sinusoidal

Sensibilidade ao contraste e acuidade visual[editar | editar código-fonte]

A acuidade visual é um parâmetro que é freqüentemente usado para avaliar a visão geral. No entanto, a diminuição da sensibilidade ao contraste pode causar diminuição da função visual, apesar da acuidade visual normal.[12] Por exemplo, alguns indivíduos com glaucoma podem atingir uma visão 20/20 nos exames de acuidade, mas ainda lutam com atividades da vida diária, como dirigir à noite.

Como mencionado acima, a sensibilidade ao contraste descreve a capacidade do sistema visual de distinguir componentes brilhantes e escuros de uma imagem estática. A acuidade visual pode ser definida como o ângulo com o qual se pode resolver dois pontos como separados, dado que a imagem é mostrada com 100% de contraste e é projetada na fóvea da retina.[13] Assim, quando um optometrista ou oftalmologista avalia a acuidade visual de um paciente usando um gráfico de Snellen ou algum outro gráfico de acuidade, a imagem alvo é exibida em alto contraste, por exemplo, letras pretas de tamanho decrescente em um fundo branco. Um exame subseqüente de sensibilidade ao contraste pode demonstrar dificuldade com o contraste diminuído (usando, por exemplo, o gráfico Pelli-Robson, que consiste em letras de tamanho uniforme, mas cada vez mais pálidas em um fundo branco).

Para avaliar a sensibilidade ao contraste do paciente, um dos vários exames diagnósticos pode ser usado. A maioria dos gráficos no consultório do oftalmologista ou do oftalmologista mostrará imagens de contraste variável e frequência angular. Barras paralelas de largura e contraste variados, conhecidas como grades de onda senoidal, são vistas sequencialmente pelo paciente. A largura das barras e sua distância representam frequência angular, medida em ciclos por grau (cpd ou cyc / deg).

Estudos demonstraram que a frequência angular de nível médio, de aproximadamente cinco a sete ciclos por grau, é detectada de maneira ideal pela maioria dos indivíduos, em comparação com frequências angulares de baixo ou alto nível.[14] O limiar de contraste pode ser definido como o contraste mínimo que pode ser resolvido pelo paciente. A sensibilidade ao contraste é igual a 1/limiar de contraste.

Usando os resultados de um exame de sensibilidade ao contraste, uma curva de sensibilidade ao contraste pode ser plotada, com frequência angular na horizontal e limiar de contraste no eixo vertical. Também conhecida como função de sensibilidade ao contraste (CSF), a plotagem demonstra a faixa normal de sensibilidade ao contraste e indicará menor sensibilidade ao contraste em pacientes que caem abaixo da curva normal. Alguns gráficos contêm “equivalentes de acuidade à sensibilidade ao contraste”, com valores mais baixos de acuidade caindo na área sob a curva. Em pacientes com acuidade visual normal e sensibilidade ao contraste reduzida concomitante, a área sob a curva serve como uma representação gráfica do déficit visual. Pode ser por causa dessa deficiência na sensibilidade ao contraste que os pacientes têm dificuldade em dirigir à noite, subir escadas e outras atividades da vida diária nas quais o contraste é reduzido.[15]

O gráfico demonstra a relação entre a sensibilidade ao contraste e a frequência angular. As imagens do tipo alvo são representativas da organização centro-envolvente dos neurônios, com inibição periférica em frequências angulares baixas, intermediárias e altas. Usado com permissão de Brian Wandell, PhD

Estudos recentes demonstraram que os padrões senoidais de frequência intermediária são detectados de forma otimizada pela retina devido ao arranjo central-surround dos campos receptivos neuronais.[16] Em uma frequência angular intermediária, o pico (barras mais claras) do padrão é detectado pelo centro do campo receptivo, enquanto as cavidades (barras mais escuras) são detectadas pela periferia inibitória do campo receptivo. Por esta razão, frequências angulares baixas e altas provocam impulsos excitatórios e inibitórios através da sobreposição de picos e depressões de frequência no centro e na periferia do campo neural receptivo.[17] Outros fatores ambientais,[18] fisiológicos e anatômicos influenciam a transmissão neuronal de padrões senoidais, incluindo a adaptação.[19]

A diminuição da sensibilidade ao contraste decorre de múltiplas etiologias, incluindo distúrbios da retina como Degeneração Macular Relacionada à Idade (DMRI), ambliopia, anormalidades do cristalino, como catarata, e por disfunção neural de ordem superior, incluindo acidente vascular cerebral e doença de Alzheimer.[20] À luz da multiplicidade de etiologias que levam à diminuição da sensibilidade ao contraste, os testes de sensibilidade ao contraste são úteis na caracterização e monitoramento da disfunção e menos úteis na detecção de doenças.

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

  1. Campbell (1968). «Application of Fourier analysis to the visibility of gratings». Journal of Physiology. 197: 551–566. PMC 1351748Acessível livremente. PMID 5666169. doi:10.1113/jphysiol.1968.sp008574 
  2. Klein, S. A., Carney, T., Barghout-Stein, L., & Tyler, C. W. (1997, June). Seven models of masking. In Electronic Imaging'97 (pp. 13-24). International Society for Optics and Aerodynamics.
  3. Barghout-Stein, Lauren. On differences between peripheral and foveal pattern masking. Diss. University of California, Berkeley, 1999.
  4. «The visual filter mediating letter identification». Nature. 369: 395–397. 1994. doi:10.1038/369395a0 
  5. "eye, human."Encyclopædia Britannica. 2008. Encyclopædia Britannica 2006 Ultimate Reference Suite DVD
  6. Travnikova, N. P. (1985). Efficiency of Visual Search. p.4. Mashinostroyeniye.
  7. Michelson, A. (1927). Studies in Optics. U. of Chicago Press.
  8. Ph.D., Lawrence Arend. «Luminance Contrast». colorusage.arc.nasa.gov 
  9. Prince, Jerry L., Links, Jonathan M. Medical Imaging Signals and Systems, (2006). pg 65 Ch 3 Image Quality, 3.2 Contrast, 3.2.1 Modulation.
  10. E. Peli. «Contrast in Complex Images» (PDF). Journal of the Optical Society of America A. 7: 2032–2040. doi:10.1364/JOSAA.7.002032 
  11. Peter Wenderoth. «The Contrast Sensitivity Function». Cópia arquivada em 20 de julho de 2008 
  12. Hashemi H, Khabazkhoob M, Jafarzadehpur E, Emamian MH, Shariati M, Fotouhi A. “Contrast sensitivity evaluation in a population-based study in Shahroud, Iran.” Ophthalmology. 2012 Mar;119(3):541-6.
  13. Sadun, A. A. Optics lecture on 03/06/2013. University of Southern California.
  14. Leguire LE, Algaze A, Kashou NH, Lewis J, Rogers GL, Roberts C. “Relationship among fMRI, contrast sensitivity and visual acuity”. Brain Res. 2011 Jan 7;1367:162-9.
  15. Sia DI, Martin S, Wittert G, Casson RJ. “Age-related change in contrast sensitivity among Australian male adults: Florey Adult Male Ageing Study”. Acta Ophthalmol. 2012 Mar 16.
  16. Wandell, B.A. Foundations of Vision. Chapter 5: The Retinal Representation. 1995. Sinauer Associates, Inc. Accessed at https://foundationsofvision.stanford.edu/chapter-5-the-retinal-representation/#centersurround on 03/05/2019.
  17. Tsui JM, Pack CC. “Contrast sensitivity of MT receptive field centers and surrounds.” J Neurophysiol. 2011 Oct;106(4):1888-900.
  18. Jarvis JR, Wathes CM. “Mechanistic modeling of vertebrate spatial contrast sensitivity and acuity at low luminance.” Vis Neurosci. 2012 May;29(3):169-81.
  19. Cravo AM, Rohenkohl G, Wyart V, Nobre AC. “Temporal expectation enhances contrast sensitivity by phase entrainment of low-frequency oscillations in visual cortex.” J Neurosci. 2013 Feb 27;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. “Visual contrast sensitivity in Alzheimer's disease, mild cognitive impairment, and older adults with cognitive complaints.” Neurobiol Aging. 2013 Apr;34(4):1133-44.

Ligações externas[editar | editar código-fonte]