10.6 Maximización del contraste

A partir del lisis del registro de los movimientos oculares se infiere que el sistema visual humano se focaliza (atención visual), principalmente, sobre los contornos o bordes físicos de la imagen, ignorando o desatendiendo las regiones que muestran un brillo uniforme (Marr & Hildreth, 1980; Marr 1982; Hildreth 1983). Además, el descubrimiento del mecanismo de la inhibición lateral de la retina (Hartline, Wagner y Ratlif, 1956) y el conocimiento sobre la organización de los campos receptivos retinianos (Hartline, 1938; Kuffler, 1953; Hubel y Wiesel, 1961) permite explicar por qué los bordes son rasgos con alta relevancia informativa. En efecto, las interconexiones de las células que constituyen la retina en humanos y primates determinan la capacidad para extraer información para aquellas áreas de la imagen donde la luminancia cambia bruscamente de claro a oscuro o viceversa, lo cual revela la presencia de bordes. Las células fotorreceptoras (conos y bastones) conectan directamente con dos tipos de células,  procesando la senal visual de modo que el resultado es otra representación, diferente de la matriz de luminancias retiniana, y muy similar a la que produce el llamado operador Laplaciano. Concretamente, si exceptuamos la retina central (donde la correspondencia es uno-a-uno), las senales de numerosos fotorreceptores vecinos confluyen sobre cada una de las células bipolares (3a capa retiniana) promediándose, en éstas, los impulsos excitatorios (signo +), mientras que, las células horizontales (2a capa retiniana), mediante el envío de impulsos inhibitorios (signo '-') producen la substracción (resta) del número de impulsos bioeléctricos de otros puntos vecinos de la imagen (pixeles). Esto es básicamente, la llamada inhibición lateral, la cual nos ayuda a percibir el contraste, facilitando la posterior extracción de límites entre regiones de diferente luminancia y de contornos o bordes. Otro mecanismo similar de inhibición, pero en el dominio temporal, nos permite detectar el movimiento de objetos. Un fenómeno bastante investigado desde el punto de vista psicológico que confirma la existencia del mecanismo de inhibición lateral es la presencia de las llamadas bandas de Mach (Cornsweet, 1970), al observar los sujetos un estímulo como el que se muestra en la Figura 11, superior-izquierda.


FIGURA 11. - Bandas Mach y perfil luminancia.

 

El perfil de Luminancias de esta imagen, obtenido al representar la variación del nivel de gris a lo largo del espacio, consiste en una función escalonada, como la mostrada en la Fig.  11 superior-derecha. Los sujetos observadores de este estímulo no perciben cada una de las bandas exactamente como son, uniformes en nivel de gris o intensidad de luz, si no que a cada lado de la línea divisoria entre dos bandas contiguas, se perciben unas inexistentes (en el estímulo real) estrechas bandas más claras y otras más oscuras, tal y como se muestra en la Fig. 11 inferior, evidenciada mediante su perfil de luminancia.

Para comprender como actúa el operador Laplaciano,  consideremos una hipotética fila de una imagen: 2 2 2 2 2 4 6 6 6 6 6  (senal 1-D) y una máscara (filtro) compuesta por tres valores: -1 +2 -1


FIGURA 12.- Perfil de luminancia de una imagen (gráfico superior) y el perfil de la
senal filtrada por el operador laplaciano.

Centramos la máscara en cada pixel de la imagen 1-D y calculamos así la media de un pixel con sus vecinos (izquierdo y derecho) ponderada según la máscara. Substituimos el valor del pixel, en el que sucesivamente centramos la máscara, por esta media ponderada. Cuando hayamos desplazado la máscara, centrada en todos y cada uno de los pixeles de la imagen original, habremos efectuado el Laplaciano, es decir, la convolución de la senal con la máscara, resultando: 0 0 0 0 -2 0 +2 0 0 0 0.
Si, posteriormente, restamos a la imagen original el Laplaciano de dicha imagen, obtendremos:  2 2 2 2 0 4 8 6 6 6 6 (véase Figura 12b y 12 c).
En la que se evidencia el fenómeno de las bandas de Mach. Ciertamente, en medio de las dos regiones de diferente brillo (bajo=2, alto=6) observamos un pixel con más bajo valor todavía, cuya luminancia es 0, y otro pixel con más alto valor, cuya luminancia es 8. Estos valores son la consecuencia de la inhibición lateral en la retina y el operador Laplaciano se revela como un modelo matemático, cuya implemetación computacional permite simular el comportamiento de una de las etapas iniciales de la visión. Este mismo mecanismo es también el responsable del fenómeno conocido como contraste simultáneo, el cual pone de manifiesto como influye la estructura de la retina en la percepción del brillo y el color.

 


FIGURA 13. - Contraste simultáneo acromático.

 

Al observar la Fig. 13,  se evidencia que 2 regiones que reflejan el mismo porcentaje de luz (cuadrados centrales) se perciben con diferente claridad.  También sería posible, preparando el estímulo de modo adecuado, juzgar como iguales en claridad dos regiones que reflejan diferente porcentaje de luz. Por lo común, este fenómeno es conocido como Contraste Simultáneo Acromático, por suceder ante estímulos acromáticos (blanco-niveles de gris-negro) y para diferenciarlo del llamado Contraste  Simultáneo Cromático.
En resumen, la inhibición retiniana es un proceso que tiene lugar en el globo ocular (la retina), en el que ciertas conexiones retinianas modulan o suprimen la senal correspondiente a una región de la imagen, en función de la luminancia de los pixeles vecinos de dicha región. La inhibición lateral resulta útil para la subsecuente detección de bordes, influyendo también en nuestros juicios de estimación de claridad, matiz o color.