Kontrast
Edmund Optics Inc.

Kontrast

Autoren: Gregory Hollows, Nicholas James

Dies ist der Abschnitt 2.3 des Leitfadens zur Bildverarbeitung.

Der Kontrast gibt an, wie gut Schwarz von Weiß bei einer bestimmten Auflösung unterschieden werden kann. Damit ein Bild gut aufgelöst erscheint, müssen die schwarzen Details schwarz und die weißen Details weiß erscheinen (siehe Abbildung 1). Je mehr die Schwarz-Weiß-Informationen in die mittleren Grautöne tendieren, desto geringer ist der Kontrast bei dieser Frequenz. Je größer der Intensitätsunterschied zwischen einer hellen und einer dunklen Linie ist, desto besser ist der Kontrast. Dies mag zwar offensichtlich erscheinen, ist aber von entscheidender Bedeutung.

Skizze: Der Übergang von Schwarz zu Weiß und deren Kontraste
Abbildung 1: Der Übergang von Schwarz zu Weiß ist ein hoher Kontrast, während mittlere Grautöne einen niedrigeren Kontrast haben.

Der Kontrast bei einer gegebenen Frequenz kann mit Gleichung 1 berechnet werden, wobei Imax die maximale Intensität (normalerweise in Pixel-Graustufenwerten, wenn eine Kamera verwendet wird) und Imin die minimale Intensität ist:

(1)$$ \text{% Kontrast} = \left[ \frac{I_{\text{max}} - I_{\text{min}}}{I_{\text{max}} + I_{\text{min}}} \right] \times 100 \text{%} $$
(1)
$$ \text{% Kontrast} = \left[ \frac{I_{\text{max}} - I_{\text{min}}}{I_{\text{max}} + I_{\text{min}}} \right] \times 100 \text{%} $$

Objektiv, Kamerasensor und Beleuchtung spielen eine wichtige Rolle bei der Erzeugung eines bestimmten Bildkontrasts. Jede einzelne Komponente kann den Gesamtkontrast des Systems bei einer gegebenen Auflösung beeinträchtigen, wenn sie nicht korrekt und auf die anderen Komponenten abgestimmt angewendet wird.

Kontrastgrenzen für Objektive

Das Kontrastverhalten eines Objektivs wird üblicherweise als Prozentsatz des Objektkontrasts, der unter der Annahme idealer Beleuchtungsverhältnisse abgebildet wird, definiert. Angaben zur Auflösung sind bedeutungslos, wenn sie nicht bei einem bestimmten Kontrast spezifiziert sind. Das Beispiel im Abschnitt Auflösung nimmt eine perfekte Abbildung des Objekts an, mit scharfen, auf das Pixel genauen Übergängen am Objektrand. Dies ist jedoch in der Praxis nie der Fall. Aufgrund der Beschaffenheit des Lichts kann selbst ein perfekt entwickeltes und gefertigtes Objektiv die Auflösung und den Kontrast eines Objekts nicht vollständig wiedergeben. Zum Beispiel erscheinen, wie in Abbildung 2 gezeigt, selbst wenn das Objektiv beugungsbegrenzt arbeitet (siehe auch Das Airy-Scheibchen und die Beugungsgrenze), die Ränder der Punkte im Bild verschwommen. An dieser Stelle verliert die Berechnung der Auflösung eines Systems durch einfaches Zählen von Pixeln an Genauigkeit und kann sogar völlig ineffektiv sein.


Betrachten Sie erneut die zwei nahe beieinanderliegenden Punkte aus Abbildung 2, die durch ein Objektiv abgebildet werden. Wenn die Punkte weit voneinander entfernt sind (bei einer niedrigen Frequenz), sind die Punkte deutlich voneinander getrennt, wenn auch an den Rändern etwas unscharf. Mit zunehmender Annäherung (die eine Erhöhung der Auflösung darstellt) überlagern sich die Unschärfen, bis die Punkte nicht mehr getrennt voneinander wahrgenommen werden können. Das tatsächliche Auflösungsvermögen des Systems hängt von der Fähigkeit des Bildgebungssystems ab, den Raum zwischen den Punkten zu erkennen. Selbst wenn zwischen den Punkten genügend Pixel vorhanden sind, können sie nicht ohne weiteres als zwei getrennte Details aufgelöst werden, wenn die Punkte aufgrund des fehlenden Kontrasts miteinander verschmelzen. Daher ist das Auflösungsvermögen des Systems von vielen Faktoren abhängig, wie beispielsweise von Unschärfen, die durch Beugung und andere Abbildungsfehler verursacht werden, dem Punktabstand sowie der Fähigkeit der Sensoren Kontraste zu erfassen.

Zwei Punkte bei geringer und hoher Frequenz durch dasselbe Objektiv
Abbildung 2: Zwei Punkte werden durch dasselbe Objektiv abgebildet. Das obere Objektiv bildet Objekte bei einer geringen Frequenz, das untere Objektiv bei einer hohen Frequenz ab.
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