コントラスト（視覚）

コントラストとは、異なる輝度や色の背景に対して物体（または画像やディスプレイでのその表現）を見えるようにする輝度や色の違いのことです。 ^[1]人間の視覚系は絶対輝度よりもコントラストに敏感です。そのため、一日を通して、または場所によって照明が大きく変化しても、世界を同じように認識することができます。^[2]

画像の最大コントラストは、コントラスト比またはダイナミック レンジと呼ばれます。コントラスト比が媒体の最大可能値に近い画像では、コントラストが保存されます。このような場合、画像のある部分のコントラストを上げると、必然的に他の部分のコントラストは下がります。画像を明るくすると、暗い部分のコントラストは上がりますが、明るい部分のコントラストは下がります。逆に、画像を暗くすると、逆の効果があります。ブリーチ バイパスは、画像の最も暗い部分と最も明るい部分のコントラストを下げ、中間の明るさの領域の輝度コントラストを高めます。

キャンベルとロブソン (1968) は、人間のコントラスト感度関数は、1 度あたり約 4 サイクル (cpdまたはcyc/deg) でピークに達する典型的なバンドパス フィルターの形状を示し、ピークの両側で感度が低下することを示しました。 ^{[3]これは、バーに沿って高コントラストから低コントラストに変わり、格子の幅全体にわたって狭い (高空間周波数) バーから広い (低空間周波数) バーに変わる}正弦波格子の多数のバーを示す「スイープ格子」(下図参照) から見る距離を変えることで観察できます。

高周波カットオフは、視覚システムの細部を解像する能力の光学的な限界を表し、通常は約 60 cpd です。高周波カットオフは、網膜光受容細胞のパッキング密度にも関連しており、より微細なマトリックスはより微細な格子を解像できます。

低周波の減衰は網膜神経節細胞内の側方抑制によるものです。^[4]典型的な網膜神経節細胞の受容野は、光が細胞を興奮させたり抑制したりする中心領域と、光が反対の効果をもたらす周辺領域で構成されています。

実験的現象の1つは、白い背景に青い光を表示すると、周辺の青が抑制され、周囲が黄色になるというものです。黄色は、中心による周囲の青の抑制から生じます。白から青を引くと赤と緑になるため、これが混ざって黄色になります。^[5]

たとえば、グラフィカルなコンピュータ ディスプレイの場合、コントラストは画像ソースまたはファイルのプロパティと、可変設定を含むコンピュータ ディスプレイのプロパティによって決まります。一部の画面では、画面表面と観察者の視線の間の角度も重要です。

コントラストの定義は多岐にわたる。色を含むものもあれば、含まないものもある。ロシアの科学者NPトラヴニコワ [d]は「コントラストの概念がこれほど多様であることは非常に不便だ。多くの応用問題の解決が複雑になり、異なる著者が発表した結果を比較することが難しくなる」と嘆く。^{[6] [7]}

コントラストの定義は状況によって様々です。ここでは輝度コントラストを例としていますが、他の物理量にもこの式を適用できます。多くの場合、コントラストの定義は次のような比率を表します。

${\displaystyle {\frac {\mbox{輝度差}}{\mbox{平均輝度}}}.}$

この背後にある理論的根拠は、平均輝度が高い場合、小さな差は無視できるが、平均輝度が低い場合、同じ小さな差が重要になるということです (ウェーバー・フェヒナーの法則を参照)。以下に、一般的な定義をいくつか示します。

ウェーバーコントラストは次のように定義される^[6]

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

ここで、 と はそれぞれ特徴と背景の輝度を表します。この尺度は、ウェーバーの法則で定数となる項であるため、ウェーバー分率とも呼ばれます。ウェーバーコントラストは、小さな特徴が大きく均一な背景にある場合、つまり平均輝度が背景輝度とほぼ等しい場合によく使用されます。${\displaystyle I}$${\displaystyle I_{\mathrm {b} }}$

マイケルソンコントラスト^{[8] （}可視性としても知られる）は、明るい部分と暗い部分が同等で、面積の同様の割合を占めるパターン（例えば、正弦波格子）によく使用される。マイケルソンコントラストは次のように定義される^[6]。

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

とは最高輝度と最低輝度を表す。分母は最大輝度と最小輝度の平均の2倍を表す。^[9]${\displaystyle I_{\mathrm {max} }}$${\displaystyle I_{\mathrm {分} }}$

この形式のコントラストは、周期関数のコントラストを定量化する効果的な方法であり、周期信号の変調とも呼ばれます。変調は、振幅 (または差)が平均値 (または背景) から目立つ相対量を定量化します。 ${\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}$

一般に、は周期信号の平均値に対するコントラストを指します。 の場合、 にはコントラストがありません。2つの周期関数と が同じ平均値を持つ場合、 は の場合よりもコントラストが高くなります。^[10]${\displaystyle m_{f}}$${\displaystyle f}$${\displaystyle m_{f}=0}$${\displaystyle f}$${\displaystyle f}$${\displaystyle g}$${\displaystyle f}$${\displaystyle g}$${\displaystyle m_{f}>m_{g}}$

二乗平均平方根（RMS）コントラストは、画像内の空間周波数コンテンツやコントラストの空間分布に依存しません。RMSコントラストは、ピクセル強度の標準偏差として定義されます。^[6]

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

ここで、強度は、サイズがの 2 次元画像の - 番目の要素です。は、画像内のすべてのピクセル値の平均強度です。 画像は、範囲 で正規化されたピクセル強度を持っていると想定されます。 ${\displaystyle I_{ij}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle j}$${\displaystyle M}$${\displaystyle N}$${\displaystyle {\bar {I}}}$${\displaystyle I}$${\displaystyle [0,1]}$

コントラスト感度は、静止画像内の異なる輝度を識別する能力の尺度です。これは加齢とともに変化し、約2～5cpdの空間周波数で約20歳で最大になります。その後、加齢によりコントラスト感度はこのピークを超えて徐々に減衰します。白内障や糖尿病性網膜症などの要因もコントラスト感度を低下させます。^[11]下のスイープグレーティングの図では、通常の視聴距離では、中央のバーが一番長く見えますが、これは最適な空間周波数によるものです。しかし、遠距離で見ると、最も長く見えるバーは元々幅の広いバーだったものに移り、読書距離での中央のバーと同じ空間周波数になります。

視力は、全体的な視力を評価するのによく使われるパラメータです。しかし、コントラスト感度の低下により、視力が正常であっても視覚機能が低下する可能性があります。^[12]たとえば、緑内障の患者の中には、視力検査で20/20の視力を達成しても、夜間の運転など日常生活の活動に苦労する人もいます。

前述のように、コントラスト感度は、静止画像の明るい部分と暗い部分を区別する視覚系の能力を表します。視力は、画像が100%のコントラストで表示され、網膜の中心窩に投影されたときに、2つの点を別々に識別できる角度と定義できます。^[13]したがって、検眼士または眼科医がスネレン視力表またはその他の視力表を使用して患者の視力を評価する場合、対象画像は高コントラスト、たとえば白い背景にサイズが小さくなる黒い文字で表示されます。その後のコントラスト感度検査では、コントラストの低下による困難が明らかになる場合があります（たとえば、白い背景に均一なサイズだが徐々に薄い灰色の文字で構成されるペリ・ロブソン視力表を使用）。

患者のコントラスト感度を評価するために、いくつかの診断検査の 1 つが使用されることがあります。眼科医または検眼医のオフィスにあるほとんどのチャートには、さまざまなコントラストと空間周波数の画像が表示されます。幅とコントラストが異なる平行バー (正弦波格子と呼ばれる) が、患者によって順番に表示されます。バーの幅とバー間の距離は、1 度あたりのサイクル数で測定される空間周波数を表します。

研究により、コントラスト感度は 2～5 cpd の空間周波数で最大となり、それより低い空間周波数では低下し、高い空間周波数では急速に低下することが実証されています。人間の視覚システムの上限は約 60 cpd です。小さな文字を正しく識別するには、文字サイズが約 18～30 cpd である必要があります。^[14] コントラスト閾値は、患者が識別できる最小コントラストとして定義できます。コントラスト感度は通常、特定のパターンを検出するための閾値コントラストの逆数(つまり、1 ÷ コントラスト閾値) として表されます。^[15]

コントラスト感度検査の結果を使用して、水平軸に空間周波数、垂直軸にコントラスト閾値を置いたコントラスト感度曲線を描くことができます。コントラスト感度関数 (CSF) としても知られるこのプロットは、コントラスト感度の正常範囲を示し、正常曲線を下回る患者ではコントラスト感度が低下していることを示します。一部のグラフには「コントラスト感度視力相当値」が含まれており、視力の低い値は曲線の下の領域に収まります。正常な視力とそれに伴うコントラスト感度の低下を伴う患者の場合、曲線の下の領域は視覚障害のグラフ表現として機能します。コントラスト感度のこの障害が原因で、患者は夜間の運転、階段の昇降、およびコントラストが低下するその他の日常生活の活動に困難を感じることがあります。^[16]

最近の研究では、中周波数の正弦波パターンは、ニューロン受容野の中心と周囲の配置により、網膜によって最適に検出されることが実証されています。^[17]中間空間周波数では、パターンのピーク（明るいバー）は受容野の中心によって検出され、谷（暗いバー）は受容野の抑制性周辺によって検出されます。このため、低空間周波数と高空間周波数は、ニューロン受容野の中心と周辺で周波数のピークと谷が重なり合うことで、興奮性インパルスと抑制性インパルスを引き起こします。^[18]その他の環境、^{[19]生理学的、解剖学的要因は、}順応を含む正弦波パターンのニューロン伝達に影響を与えます。^[20]

コントラスト感度の低下は、加齢黄斑変性症（ARMD）などの網膜疾患、弱視、白内障などの水晶体異常、脳​​卒中やアルツハイマー病などの高次神経機能障害など、さまざまな病因から生じます。^[21]コントラスト感度の低下につながる病因が多数あることを考慮すると、コントラスト感度検査は機能障害の特徴付けとモニタリングには有用ですが、疾患の検出にはあまり役立ちません。

輝度コントラスト閾値の大規模な研究は、1940年代にブラックウェル^[22]によって強制選択法を用いて行われた。さまざまな大きさと輝度の円盤が、さまざまな順応輝度の背景に対してさまざまな位置で提示され、被験者は円盤が表示されていると思う場所を示さなければならなかった。結果を統計的にプールした後（7人の観察者による90,000回の観察）、特定のターゲットサイズと輝度の閾値は、50%の検出レベルがあるウェーバーコントラストレベルとして定義された。この実験では、離散的なコントラストレベルのセットが使用され、閾値コントラストの離散的な値が得られました。これらの曲線に滑らかな曲線が描かれ、値が表にまとめられました。得られたデータは、照明工学や道路安全などの分野で広く使用されています。^[24]

ノールらによる別の研究^[25]では、被験者に点光源の明るさを変えて、ちょうど見えるレベルを見つけるように要求することで、点光源の閾値を調査しました。結果として得られる閾値曲線の数式は、暗所視と明所視に別々の分岐を持つヘクト^{[26]によって提案されました。ヘクトの式は、ウィーバー[27]}によって肉眼での星の視認性をモデル化するために使用されました。同じ式は、後にシェーファー^[28]によって望遠鏡を通した星の視認性をモデル化するために使用されました。

Crumey ^[23]は、Hechtの式は低光レベルではデータにあまり適合せず、恒星の視程をモデル化するのにはあまり適していないことを示した。Crumeyは代わりに、BlackwellとKnollらの両方のデータに適用できる、より正確で一般的なモデルを構築した。Crumeyのモデルは、背景輝度ゼロから日光レベルまで、すべての光レベルをカバーし、パラメータ調整の代わりに、Riccoの法則に関連する基本的な線形性に基づいている。Crumeyはそれを、任意のサイズのターゲットの天体視程をモデル化し、光害の影響を研究するために使用した。

テスト画像の種類^[29]

• ペリ・ロブソンコントラスト感度チャート
• レーガンチャート
• アーデン格子チャート
• キャンベル・ロブソンコントラスト感度チャート^[30]

• 輝度コントラストの詳細