Яркость и контраст

Яркость и контраст являются субъективными характеристиками изображения, воспринимаемыми человеком. Яркость представляет собой характеристику, определяющую то, на сколько сильно цвета пикселей отличаются от чёрного цвета. Например, если оцифрованная фотография сделана в солнечную погоду, то его яркость будет значительной. С другой стороны, если фотография сделана вечером или ночью, то её яркость будет невелика.

Контраст представляет собой характеристику того, насколько большой разброс имеют цвета пикселей изобра­жения. Чем больший разброс имеют значения цветов пикселей, тем больший контраст имеет изображение.

По аналогии с терминами теории вероятностей можно отметить, что яр­кость представ­ляет собой как бы матема­тическое ожидание значений вы­борки, а контраст – дисперсию значений выборки.

Яркость и контраст могут рассматриваться не только для всего изображения, но и для отдельных фрагментов. Таким образом, возникают понятия локальной яркости и локаль­ного контраста.

Часто требуется изменить яркость или контраст изображения. Рассмотрим функцию, областью определения и значений которой являются значения цветовых компонент в мо­дели RGB. Аргументом функции является цвет пикселя исходного изображения. Значе­ние функции представляет собой цвет пикселя обработанного изображения. Для измене­ния яркости/контраста функция применяется для каждого пикселя изображения.

Для нормализации выходных значений функции (они должны принадлежать отрезку [0, 1], как для каждого компонента модели RGB) ис­пользуется так называемая арифметика с насыщением. В арифметике с на­сыщением при возникновении переполнений или заёмов фиксируется наи­большее представимое или наименьшее предста­вимое значения соответ­ст­венно. Например, если в результате преобразования оказывается, что значе­ние ка­кого-либо компонента модели RGB меньше 0, то берётся значение, равное 0. На практике же каждый элемент матрицы изображения с 16777216 цветами представляет собой 24-бит­ное значение, где каждый компонент модели RGB представлен 8 битами. Поэтому вме­сто интервала [0, 1] используется интер­вал [0, 255]. Если яркость и контраст изображения никак не меняются в процессе пре­образования, то функция имеет график, представленный на рис. 2.12 а. Из рисунка видно, что функция в этом случае просто передаёт на выход значе­ние своего аргумента.

Рис. 2.12 Графики яркости

Яркость для рассматриваемой функции представляет собой сдвиг прямой линии в вер­тикальном направлении. Яркость изображения увеличивается пропорционально сдвигу прямой. Если прямая сдвигается вверх (рис. 2.12 б), яркость изображения увеличивается, а если прямая сдвигается вниз (рис. 2.12 в) – уменьшается.

Поскольку используется арифметика с насыщением, то при установке оп­ределённой яр­кости изображения либо оно полностью окажется засвеченным, либо полностью затем­нённым.

При использовании преобразования контраста прямая линия меняет свой наклон. При увеличении контраста изображения (рис. 2.13 а) наклон прямой увеличивается, при уменьшении контраста – уменьшается (рис. 2.13 б). При этом сдвиг прямой в горизонтальном направлении означает, что помимо контраста изменяется и яркость изо­бражения.

Рис. 2.13 Графики контрастности

Комбинации наклона и сдвига прямой позволяют одновременно изменять и яркость, и контраст изображения. Например, на рис. 2.14 представлен гра­фик функции, усиливающей контраст и увеличивающей яркость изобра­же­ния.

Рис. 2.14 Увеличение яркости и контрастности

Преобразование яркости/контраста может быть применено и к отдельным компонентам модели RGB, например, к компоненту красного цвета. Тогда яркость/контраст будут из­меняться только для красного компонента, а для других компонент они останутся неиз­менными. Более того, можно задавать различные преобразования ярко­сти/контраста од­новременно для каждого компонента модели RGB.