Contraste de la pantalla

En física e imagen digital , el contraste 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 se define típicamente 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 a luminancias mucho más altas. ^{[ 2 ]} Además, el contraste puede resultar de diferencias en la cromaticidad , que se especifican mediante características colorimétricas como la diferencia de color ΔE en el CIE 1976 UCS (Espacio de Color Uniforme).

Comprender el contraste es fundamental en campos como las tecnologías de imagen y visualización , donde influye significativamente en la calidad de la representación del contenido visual . El contraste de las pantallas electrónicas está condicionado por el tipo de mecanismo de señal utilizado, que puede ser analógico o digital. Este mecanismo afecta directamente la calidad con la que la pantalla reproduce las imágenes en diferentes condiciones. Además, el contraste se ve afectado por la iluminación ambiental y la dirección de observación del espectador , lo que puede 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 a detectar. Esta relación, a menudo denominada índice de contraste (CR), (que en realidad es un índice de luminancia ), se utiliza frecuentemente para altas luminancias y para especificar el contraste de los dispositivos de visualización electrónica . El contraste de luminancia (índice), CR, es un número adimensional , que suele indicarse añadiendo ":1" al valor del cociente (por ejemplo, CR = 900:1).

${\displaystyle CR={\frac {L_{H}}{L_{L}}}}$con 1 ≤ CR ≤${\displaystyle \infty }$

Una "relación de contraste" de CR = 1 significa que no hay contraste.

El contraste también puede especificarse mediante la modulación de contraste (o contraste de Michelson ), C _M , definida como:

${\displaystyle C_{M}={\frac {(L_{H}-L_{L})}{(L_{H}+L_{L})}}}$con 0 ≤ C _M ≤ 1.

CM ₌ 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:

${\displaystyle C_{W}={\frac {(L_{H}-L_{L})}{L_{H}}}}$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 la ecuación de Weber realizada por Hwaung/Peli añade un desplazamiento de brillo al denominador para modelar con mayor precisión las pantallas de ordenador. ^{[ 4 ]} Por lo tanto, la ecuación de Weber modificada es:

${\displaystyle C_{m}W={\frac {(L_{H}-L_{L})}{(L_{H}+0.05)}}}$

Esto modela con mayor precisión la pérdida de contraste que se produce en pantallas con menor luminancia 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 usa frecuentemente 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 evaluar el contraste, el área activa de la pantalla se suele configurar completamente en uno de los estados ópticos para los que se va a determinar el contraste, por ejemplo, completamente blanco (R=G=B=100%) y completamente negro (R=G=B=0%), y la luminancia se mide una tras otra (de forma secuencial en el tiempo).

Este procedimiento solo es adecuado cuando el dispositivo de visualización no presenta efectos de carga , es decir, cuando la luminancia del patrón de prueba varía con su tamaño. Dichos efectos se pueden encontrar en pantallas CRT y 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 correspondiente a pantalla completa, debido a que la corriente de alimentación puede estar limitada por circuitos electrónicos especiales.

Cualquier par de patrones de prueba que no sean completamente idénticos pueden usarse para evaluar el contraste entre ellos. Cuando un patrón de prueba comprende el estado completamente brillante (blanco puro, R=G=B=100%) y el otro el estado completamente oscuro (negro puro, R=G=B=0%), el contraste resultante se denomina contraste de rango completo . Este contraste es el más alto (máximo) que puede alcanzar la pantalla. Si en una hoja de datos no se especifica ningún patrón de prueba junto con una declaración de contraste, lo más probable es que se refiera al contraste de rango completo .

El procedimiento estándar para la evaluación del contraste es el siguiente:

1. Aplique el primer patrón de prueba a la interfaz eléctrica de la pantalla bajo prueba y espere hasta que la respuesta óptica se haya estabilizado en un estado estacionario estable.
2. Mida la luminancia y/o la cromaticidad del primer patrón de prueba y registre el resultado,
3. Aplique el segundo patrón de prueba a la interfaz eléctrica de la pantalla bajo prueba y espere hasta que la respuesta óptica se haya estabilizado en un estado estacionario estable.
4. Mida la luminancia y/o la cromaticidad del segundo patrón de prueba y registre el resultado,
5. Calcule el contraste estático resultante para los dos patrones de prueba utilizando una de las métricas enumeradas anteriormente (CR, C _M o K).

Cuando se mide la luminancia y/o la cromaticidad antes de que la respuesta óptica se haya estabilizado en un estado estacionario estable, se ha medido algún tipo de contraste transitorio en lugar del contraste estático .

Cuando el contenido de la imagen cambia rápidamente, por ejemplo, durante la visualización de contenido de vídeo o películas, el estado óptico de la pantalla puede no alcanzar el estado estable previsto debido a una respuesta lenta y, por lo tanto, el contraste aparente se reduce en comparación con el contraste estático .

Esta es una técnica para aumentar el contraste de las pantallas LCD.

Las pantallas LCD constan de una unidad de retroiluminación que emite luz de forma continua y un panel LCD situado delante de ella que modula la transmisión de luz en función de la intensidad y la cromaticidad. Para aumentar el contraste de estas pantallas, la retroiluminación puede atenuarse (globalmente) cuando la imagen que se va a mostrar es oscura (es decir, no contiene datos de imagen de alta intensidad), mientras que los datos de la imagen se corrigen numéricamente y se adaptan a la intensidad reducida de la retroiluminación. De este modo, se pueden mejorar las zonas oscuras de las imágenes oscuras y aumentar sustancialmente el contraste entre fotogramas consecutivos. ^{[ 5 ]} Además, el contraste dentro de un fotograma puede ampliarse intencionadamente en función del histograma de la imagen (algunos brillos esporádicos en una imagen pueden recortarse o suprimirse). Se requiere un procesamiento de señal digital considerable para implementar la técnica de control de contraste dinámico de forma que resulte agradable al sistema visual humano (por ejemplo, no debe producirse ningún efecto de parpadeo).

El contraste dentro de cada fotograma ( contraste simultáneo ) se puede aumentar cuando la retroiluminación se puede atenuar localmente. Esto se puede lograr con unidades de retroiluminación que utilizan matrices de LED. ^{[ 6 ]} Las pantallas LCD de alto rango dinámico (HDR) utilizan esta técnica para lograr valores de contraste (estático) en el rango de CR > 100.000. ^{[ 7 ]}

Para medir el máximo contraste posible, la pantalla que se está probando no debe verse afectada por la luz ambiental, ya que incluso pequeños incrementos ΔL en el denominador de la relación (L _H + ΔL) / (L _L + ΔL) reducen considerablemente dicho cociente. Por este motivo, la mayoría de las relaciones de contraste utilizadas en publicidad se miden en condiciones de oscuridad (iluminación E _DR ≤ 1 lx).

En teoría, todas las pantallas electrónicas emisivas (por ejemplo, CRT, PDP) no emiten luz en 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.

Cuando estas pantallas se utilizan fuera de una habitación completamente oscura, por ejemplo, en el salón (iluminación aproximada de 100 lx) o en una oficina (iluminación mínima de 300 lx), la luz ambiental se refleja en la superficie de la pantalla, aumentando la luminancia del estado oscuro y reduciendo así considerablemente el contraste.

Una pantalla de televisión bastante novedosa, fabricada con tecnología OLED, tiene una relación de contraste en habitación oscura de CR = 1.000.000 (un millón). En una situación de aplicación real con una iluminancia de 100 lx, la relación de contraste se reduce a ~350, y con 300 lx se reduce a ~120. ^{[ 8 ]}

El contraste que se puede experimentar o medir en presencia de iluminación ambiental se denomina brevemente «contraste ambiental». ^{[ 9 ]} Un tipo especial de «contraste ambiental» es el contraste que se produce en condiciones de iluminación exterior, cuando la iluminancia puede ser muy intensa (hasta 100 000 lx). El contraste aparente en estas condiciones se denomina «contraste diurno». ^{[ 10 ]}

Dado que las zonas oscuras de una pantalla siempre se ven afectadas por la luz reflejada, solo se pueden mantener valores razonables de "contraste ambiental" cuando la pantalla cuenta con medidas eficaces para reducir los reflejos mediante recubrimientos antirreflectantes o antideslumbrantes.

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 consecutivamente pueden ser diferentes de los valores evaluados a partir de un patrón de tablero de ajedrez con los mismos estados ópticos. Esta discrepancia puede deberse a propiedades no ideales de la pantalla (por ejemplo, diafonía, halo, etc.) y/o a problemas de luz parásita en el dispositivo de medición de luz.

Cuando se establece un contraste entre dos estados ópticos que se perciben o miden uno tras otro, este contraste se denomina contraste sucesivo . El contraste entre dos patrones de pantalla completa (contraste de pantalla completa) siempre es un contraste sucesivo .

• contraste de pantallas de visión directa
• contraste de pantallas de proyección

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 se separan de las del proyector. En este 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 ubicaciones de medición, y una forma de obtener el flujo luminoso a partir de mediciones de iluminancia; sin embargo, no define una magnitud denominada "lumen ANSI".

Si se incluyen en la medición las propiedades reflectantes de la pantalla de proyección (que normalmente dependen de la dirección), se debe medir la luminancia reflejada desde los centros de los rectángulos para una (o 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 la conoscopia . ^{[ 12 ]}

• Contraste (visión)
• Visibilidad interferométrica

• Charles Poynton: Cómo reducir la fatiga visual causada por los monitores de vídeo y ordenador.
• Contraste de la pantalla del televisor OLED XEL-1 de Sony con la iluminación ambiental.