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대비 (그림)

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목차

1. 개요

대비는 이미지의 가장 어두운 부분과 가장 밝은 부분 사이의 휘도 차이를 의미하는 용어이다. 사진 및 영상 기술에서 명암 차이가 클수록 대비가 높아지고, 중간 색이 뭉개지는 반면, 대비가 낮으면 명암 차이가 줄어들어 중간 색이 뚜렷해진다. 대비는 미켈슨 대비, 대비비, 베버 대비, RMS 대비 등 다양한 방식으로 정량화되며, 디스플레이, 디지털 카메라, 시각 시스템 등 다양한 분야에서 활용된다. 생물학적 대비 감도는 시각 시스템의 세부 사항을 구별하는 능력과 관련이 있으며, 대비 감도와 시력은 연령에 따라 변화한다.

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대비 (그림)
시각적 대비
정의밝기 또는 색상의 가시적인 차이
관련 연구시각 피질에서 이미지의 밝기 변화가 대비 감도에 영향을 미친다는 연구가 있음 Cell Reports

2. 용어의 기원

'대비'라는 용어는 영어의 'Contrast'에서 유래했으며, 17세기에 파인 아트(미술) 용어로 처음 사용되었다.[1] 이는 프랑스어 'contraste' 또는 'contraster'에서 유래했으며, 다시 중세 라틴어(이탈리아어를 거쳐)를 거쳐 라틴어 'contra' (~에 대하여)와 'stare' (세우다, 놓다)에서 기원했다.[1]

3. 사진 및 영상 기술에서의 대비

사진 및 영상 기기(카메라, 디스플레이)에서 대비는 가장 어두운 부분과 가장 밝은 부분의 휘도 차이를 가리킨다.

높은 대비는 명암 차이를 크게하여 밝은 부분과 어두운 부분을 뚜렷하게 하지만, 중간 색조가 뭉개지는 경향이 있다. 반대로 낮은 대비는 명암 차이를 줄여 중간 색조를 풍부하게 하지만, 밝은 부분과 어두운 부분이 뚜렷하지 않게 된다.

최근 디스플레이와 디지털 카메라 기술의 발전으로 이미지의 대비를 조절하는 것이 일반화되었다.

3. 1. 대비의 정량적 정의

대비를 정량적으로 표현하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 상황에 따라 다른 정의가 사용된다. 이미지나 영상 관련 기기(카메라, 디스플레이)의 기술 용어, 공업 용어, 촬영 기술로는 가장 어두운 부분과 가장 밝은 부분의 휘도 차이를 가리키는 것이 일반적이다. 시각 자극을 다룰 때는 '''미켈슨 대비'''를, 디스플레이 등을 다룰 때는 '''대비비'''를 사용하는 경우가 많다.

3. 1. 1. 미켈슨 대비 (Michelson Contrast)

미켈슨 명암비(가시성이라고도 함)는 밝고 어두운 특징이 동일하고 면적이 비슷한 부분을 차지하는 패턴(예: 사인파 격자)에 일반적으로 사용된다.[8] 시각 자극을 다룰 때 등에는, 다음의 미켈슨 대비를 사용하는 경우가 많다.

:\frac{L_\mathrm{max}-L_\mathrm{min}}{L_\mathrm{max}+L_\mathrm{min}}

''L''max와 ''L''min은 이미지 내 휘도 값의 최댓값과 최솟값이다.[6] 분모는 최대 휘도와 최소 휘도의 평균의 두 배를 나타낸다.[9]

이 형태의 명암비는 주기 함수 f(x)의 명암비를 정량화하는 효과적인 방법이며 주기 신호 f의 변조 m_{f}라고도 한다. 변조는 f의 진폭(또는 차이) (f_{\text{max}}-f_\text{min})/2가 평균값(또는 배경) (f_{\text{max}}+f_\text{min})/2에서 얼마나 두드러지는지 상대적인 양을 정량화한다.

일반적으로 m_{f}는 평균값을 기준으로 주기 신호 f의 명암비를 나타낸다. m_{f}=0이면 f에는 명암비가 없다. 두 주기 함수 f와 g가 동일한 평균값을 갖는 경우 m_{f}>m_{g}이면 f가 g보다 명암비가 더 크다.[10]

3. 1. 2. 대비비 (Contrast Ratio)

디스플레이를 다룰 때에는 '''대비비''' (''L''max / ''L''min)를 사용하는 경우가 많다. 디스플레이에서 ''L''max는 흰색을 표시했을 때의 휘도, ''L''min은 검은색을 표시했을 때의 휘도이다.[6][7]

3. 1. 3. 베버 대비 (Weber Contrast)

베버 대비는 크고 균일한 배경에 작은 특징이 존재하는 경우에 사용되며, 다음 공식으로 정의된다.[6]

:

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



여기서 I와 I_\mathrm{b}는 각각 특징과 배경의 휘도를 나타낸다. 이 척도는 베버의 법칙에서 상수로 나타나기 때문에 '베버 분수'라고도 불린다.

3. 1. 4. RMS 대비 (RMS Contrast)

제곱 평균 제곱근(RMS) 대비는 이미지의 공간 주파수 내용이나 대비의 공간 분포에 의존하지 않는다. RMS 대비는 픽셀 강도의 표준 편차로 정의된다.[6]

:\sqrt{\frac{1}{M N}\sum_{i=0}^{N-1}\sum_{j=0}^{M - 1}\left(I_{ij} - \bar{I}\right)^2}

여기서 강도 I_{ij}는 크기가 M x N인 2차원 이미지의 i번째 j번째 요소이다. \bar{I}는 이미지의 모든 픽셀 값의 평균 강도이다. 이미지 I의 픽셀 강도는 [0,1] 범위로 정규화된 것으로 가정한다.

4. 생물학적 대비 감도

캠벨과 롭슨(Campbell and Robson, 1968)의 연구에 따르면, 인간의 대비 감도 함수는 약 4도당 주기(cpd 또는 cyc/deg)에서 최고점에 도달하고, 최고점 양쪽에서 감소하는 전형적인 대역 통과 필터 형태를 보인다.[3] 이는 격자의 시청 거리를 변경하여 관찰할 수 있다.

이미지의 왼쪽 절반의 대비는 오른쪽 절반보다 낮다.


고주파 차단은 시각 시스템이 세부 사항을 해결하는 능력의 광학적 한계를 나타내며, 일반적으로 약 60 cpd이다. 이는 망막 광수용체 세포의 밀도와도 관련이 있다. 더 미세한 매트릭스는 더 미세한 격자를 해결할 수 있다. 저주파 감소는 망막 신경절 세포 내의 측면 억제 때문이다.[4] 전형적인 망막 신경절 세포의 수용 영역은 빛이 세포를 흥분시키거나 억제하는 중앙 영역과 빛이 반대 효과를 갖는 주변 영역으로 구성된다. 흰색 배경에 파란색 빛이 표시될 때 주변부에서 파란색이 억제되어 노란색 주변이 나타나는 실험 현상도 있다. 노란색은 중심에 의해 주변부의 파란색이 억제되어 나타나며, 흰색에서 파란색을 빼면 빨간색과 녹색이 혼합되어 나타난다.[5]

그래픽 컴퓨터 디스플레이의 경우, 대비는 그림 소스 또는 파일의 속성과 가변 설정을 포함한 컴퓨터 디스플레이의 속성에 따라 달라진다. 일부 화면의 경우, 화면 표면과 관찰자의 시선 사이의 시야각도 중요하다.

이 "스윕 격자" 이미지에서 대비 진폭은 수직 좌표에만 의존하고, 공간 주파수는 수평 좌표에만 의존한다. 중간 주파수에서는 막대를 감지하기 위해 고주파 또는 저주파보다 적은 대비가 필요하다.


명도 및 색상 대비에 대한 공간 대비 감도 함수의 로그-로그 플롯


이 그래프는 대비 감도와 공간 주파수 간의 관계를 보여준다. 대상과 같은 이미지는 저, 중, 고 공간 주파수에서 주변 억제를 갖는 뉴런의 중심-주변 조직을 나타낸다. ''Brian Wandell, PhD의 허가를 받아 사용했다.''

4. 1. 대비 감도와 시력

대비 감도는 정적인 이미지에서 서로 다른 휘도를 구별하는 능력이다.[11] 이는 연령에 따라 변화하며, 20세 전후에 공간 주파수가 약 2~5 사이클일 때 최고조에 달했다가 점차 감소한다. 백내장, 당뇨병성 망막병증 등은 대비 감도를 감소시키는 요인이다.[11]

시력은 전반적인 시력을 평가하는 데 자주 사용되지만, 정상적인 시력에도 불구하고 대비 감도가 감소하면 시각 기능이 저하될 수 있다.[12] 예를 들어, 녹내장 환자 중 일부는 시력 검사에서 좋은 결과를 얻을 수 있지만, 야간 운전과 같은 일상생활에 어려움을 겪을 수 있다.

대비 감도는 정적 이미지의 밝고 어두운 구성 요소를 구별하는 시각 시스템의 능력을 설명한다. 시력은 이미지가 100% 대비로 표시되고 망막의 중심와에 투사되므로 두 점을 분리된 것으로 구별할 수 있는 각도로 정의할 수 있다.[13] 검안사 또는 안과의사가 스넬렌 시력표 또는 다른 시력표를 사용하여 환자의 시력을 평가할 때, 대상 이미지는 높은 대비로 표시된다.

환자의 대비 감도를 평가하기 위해 여러 진단 검사 중 하나를 사용할 수 있다. 안과의사 또는 검안사의 진료실에 있는 대부분의 차트는 다양한 대비와 공간 주파수의 이미지를 표시한다. 사인파 격자라고 하는 다양한 너비와 대비의 평행 막대를 환자가 순차적으로 보게 된다. 막대의 너비와 막대 간의 거리는 공간 주파수를 나타내며, 이는 도당 사이클로 측정된다.

연구에 따르면 대비 감도는 2-5 cpd의 공간 주파수에서 최대이며, 낮은 공간 주파수에서는 감소하고 높은 공간 주파수에서는 빠르게 감소한다. 인간 시각 시스템의 상한은 약 60 cpd이다. 작은 글자를 올바르게 식별하려면 글자 크기가 약 18-30 cpd여야 한다.[14] 대비 역치는 환자가 구별할 수 있는 최소 대비로 정의할 수 있다. 대비 감도는 일반적으로 주어진 패턴의 감지에 대한 역치 대비의 곱셈 역수로 표현된다(즉, 1 ÷ 대비 역치).[15]

대비 감도 검사 결과를 사용하여 수평 축에 공간 주파수를, 수직 축에 대비 역치를 사용하여 대비 감도 곡선을 그릴 수 있다. 대비 감도 함수(CSF)라고도 하는 이 플롯은 대비 감도의 정상 범위를 보여주고, 정상 곡선 아래로 떨어지는 환자의 경우 대비 감도 감소를 나타낸다. 정상적인 시력과 동반된 대비 감도 감소가 있는 환자에서 곡선 아래 영역은 시각적 결손의 그래픽 표현으로 작용한다. 이러한 대비 감도 장애로 인해 환자는 야간 운전, 계단 오르기 및 기타 대비가 감소하는 일상생활 활동에 어려움을 겪을 수 있다.[16]

최근 연구에 따르면 중간 주파수 사인파 패턴은 신경 수용장의 중심-주변 배열로 인해 망막에서 최적으로 감지된다.[17] 중간 공간 주파수에서 패턴의 피크(더 밝은 막대)는 수용장의 중심에서 감지되는 반면, 골(어두운 막대)은 수용장의 억제 주변부에서 감지된다. 이러한 이유로 저주파수 및 고주파수는 신경 수용장의 중심과 주변부에서 주파수 피크와 골이 겹쳐서 흥분성 및 억제성 임펄스를 유발한다.[18]

대비 감도 감소는 연령 관련 황반 변성, 약시, 백내장과 같은 렌즈 이상, 뇌졸중 및 알츠하이머병을 포함한 고차 신경 기능 장애 등 여러 원인에서 발생한다.[21]

4. 2. 대비 역치

대비 역치는 사람이 구별할 수 있는 최소한의 대비를 의미한다. 1940년대에 블랙웰(Blackwell)은 강제 선택 절차를 사용하여 휘도 대비 임계값에 대한 대규모 연구를 수행했다.[22] 다양한 크기와 휘도의 원반을 여러 적응 휘도의 배경에 제시하고, 피험자가 원반이 표시되는 위치를 선택하도록 했다. 7명의 관찰자가 90,000번의 관찰을 통해 통계적으로 결과를 집계하여, 주어진 대상 크기와 휘도에 대한 임계값을 50% 검출 수준의 베버 대비로 정의했다. 이 실험에서는 개별 대비 수준 집합을 사용하여 임계 대비의 개별 값을 도출했다. 이 값을 바탕으로 부드러운 곡선을 그리고 표로 정리했으며, 이 데이터는 조명 공학 및 도로 안전 분야에서 널리 사용되었다.[24]



Knoll 외[25]는 별도의 연구에서 피험자가 광원의 밝기를 조절하여 간신히 보이는 수준을 찾는 방식으로 점광원에 대한 임계값을 조사했다. 헤흐트(Selig Hecht)[26]는 결과 임계값 곡선에 대한 수학 공식을 제안했으며, 암순응 시각과 명순응 시각에 대해 별도의 분기를 두었다. 헤흐트의 공식은 위버[27]가 별의 육안 가시성을, 섀퍼(Bradley Schaefer)[28]가 망원경을 통한 별의 가시성을 모델링하는 데 사용했다.

크루미(Andrew Crumey)[23]는 헤흐트의 공식이 낮은 광도 수준에서 데이터와 잘 맞지 않아 별의 가시성을 모델링하는 데 적합하지 않다고 지적했다. 대신 크루미는 블랙웰 데이터와 Knoll 등의 데이터를 모두 적용할 수 있는 더 정확하고 일반적인 모델을 제시했다. 크루미의 모델은 0 배경 휘도에서 주간 수준까지 모든 광도 수준을 포괄하며, 매개변수 조정 대신 리코의 법칙과 관련된 기본적인 선형성에 기반한다. 크루미는 이를 통해 임의의 크기의 대상에 대한 천문학적 가시성을 모델링하고 빛 공해의 영향을 연구했다.

5. 한국 문화와 대비

한국의 전통 예술과 건축에서도 대비는 중요한 미적 요소로 활용되어 왔다. 예를 들어, 단청의 강렬한 색상 대비, 한옥의 흰 벽과 검은 기와의 대비, 수묵화의 먹의 농담 대비 등은 한국 전통 미학의 특징을 잘 보여준다.

6. 테스트 이미지

다음은 대비 감도를 측정하기 위해 사용되는 몇 가지 테스트 이미지 유형이다.[29]

테스트 이미지 유형
펠리-롭슨 대비 감도 차트
리건 차트
아덴 격자 차트
캠벨-롭슨 대비 감도 차트[30]



참조

[1] 간행물 Measuring contrast sensitivity 2013-09
[2] 간행물 Image luminance changes contrast sensitivity in visual cortex 2021-02-02
[3] 간행물 Application of Fourier analysis to the visibility of gratings 1968
[4] 서적 Visual Responses of Ganglion Cells http://www.ncbi.nlm.[...] University of Utah Health Sciences Center 2024-04-17
[5] 문서 eye, human. Encyclopædia Britannica 2008
[6] 간행물 Contrast in Complex Images http://www.eri.harva[...] 2009-02-16
[7] 서적 Efficiency of Visual Search Mashinostroyeniye 1984
[8] 서적 Studies in Optics U. of Chicago Press 1927
[9] 웹사이트 Luminance Contrast http://colorusage.ar[...] 2018-04-05
[10] 서적 Medical Imaging Signals and Systems 2006
[11] 웹사이트 The Contrast Sensitivity Function http://vision.psy.mq[...] 2008-10-06
[12] 간행물 Contrast sensitivity evaluation in a population-based study in Shahroud, Iran 2012-03
[13] 문서 Optics lecture University of Southern California 2013-03-06
[14] 서적 Emergent Techniques for Assessment of Visual Performance https://www.ncbi.nlm[...] National Academies Press (US) 1985
[15] 간행물 Contrast sensitivity and the detection of moving patterns and features 2014-02-19
[16] 문서 Age-related change in contrast sensitivity among Australian male adults: Florey Adult Male Ageing Study 2012-03-16
[17] 서적 Foundations of Vision https://foundationso[...] Sinauer Associates, Inc 2019-03-05
[18] 문서 Contrast sensitivity of MT receptive field centers and surrounds 2011-10
[19] 간행물 Mechanistic modeling of vertebrate spatial contrast sensitivity and acuity at low luminance http://researchonlin[...] 2012-05
[20] 문서 Temporal expectation enhances contrast sensitivity by phase entrainment of low-frequency oscillations in visual cortex 2013-02-27
[21] 문서 Visual contrast sensitivity in Alzheimer's disease, mild cognitive impairment, and older adults with cognitive complaints 2013-04
[22] 간행물 Blackwell, H.R., JOSA 36, p624 (1946) https://doi.org/10.1[...] 1946
[23] 간행물 Crumey, A., MNRAS 442, 2600–2619 (2014) https://doi.org/10.1[...] 2014
[24] 서적 Light Pollution Handbook Springer 2004
[25] 문서 JOSA, 36, p480 (1946) 1946
[26] 문서 JOSA, 37, p59 (1947) 1947
[27] 문서 PASP, 59, p232 (1947) 1947
[28] 문서 PASP, 102, p212
[29] 웹사이트 Contrast Sensitivity https://www.ncbi.nlm[...] 2023-06-11
[30] 간행물 The Curve Visible on the Campbell-Robson Chart Is Not the Contrast Sensitivity Function Frontiers Media SA 2021-03-09
[31] 문서 Oxford Dictionary
[32] 서적 Studies in Optics U. of Chicago Press 1927


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