Contrast sensitivity of the human visual system

This study outlines the history of human contrast sensitivity studies that are paramount in psychophysics. It shows the significance of contrast sensitivity measurements for interpretation of perception processes, their role in the discovery of psychophysics laws, and also significance for evolution of television technology and medicine. It gives a short review of research in basic fundamental factors limiting humans contrast sensitivity, such as external interference and internal noise.

1. Bardin K. V. Problema porogov chuvstvitel'nosti i psihofizicheskie metody. M.: Nauka, 1976.
2. Bojko Je. V., Volkov V. V., Kolesnikova L. N., Shelepin Ju. E. Issledovanie mehanizmov narushenija zritel'nogo vosprijatija pri rabote cheloveka s videoterminalami // Sensornye sistemy. 1989. T. 3. № 3. S. 307–313.
3. Buger P. Opticheskij traktat o gradacii sveta / Perev. N. A. Tolstogo i P. P. Feofilova. M.-L.: Izd-vo AN SSSR. 1950.
4. Bondarko V.M., Danilova M.V., Krasil'nikov N.N., Leushina L.I., Nevskaja A.A., Shelepin Ju.E. Prostranstvennoe zrenie. SPb.: Nauka. 1999.
5. Volkov V. V., Kolesnikova L. N., Shelepin Ju. E. Metody klinicheskoj vizokontrastometrii // Vestn. oftal'mol.. 1983 a. № 3. S. 59–61.
6. Volkov V. V., Kolesnikova L. N., Levkovich Ju. I., Mjalo N. M., Shelepin Ju. E. Metody vizokontrastomet-rii // Fiziologija cheloveka. 1983 b. T. 9. № 6. S. 1030–1035.
7. Volkov V. V., Shelepin Ju. E., Kolesnikova L. I. Atlas i posobie po vizokontrastometrii. L.; CVMU. 1987.
8. Volkov V. V., Luizov A. V., Ovchinnikov B. V., Travnikova N. P. Jergonomika zritel'noj dejatel'nosti cheloveka. L.: Mashinostroenie. 1989.
9. Glezer V. D., Cukkerman I. I. Informacija i zrenie. M.-L.: Izd-vo AN SSSR. 1961. Zvorykin V. K. Televidenie pri pomowi katodnyh trubok. M.: Jenergoizdat. 1933.
10. Koskin S. A., Bojko Je. V., Sobolev A. F., Shelepin Ju. E. Mehanizmy raspoznavanija konturnyh «ischezajuwih» optotipov // Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova. 2005. T. 91. № 10. S. 1080–1090.
11. Koskin S. A., Shelepin Ju. E. Vizokontrastometrija // Sovremennaja oftal'mologija /Pod red. V. F. Danilicheva. SPb.: Izd-vo «Piter». 2000. Gl. 5. S. 195–209.
12. Kotel'nikov V. A. O propusknoj sposobnosti jefira i provoloki v jelektrosvjazi // Materialy k I Vsesojuznomu s'ezdu po voprosam tehnicheskoj rekonstrukcii dela svjazi i razvitija slabotochnoj promyshlennosti. M.: Vsesojuznyj jenergeticheskij komitet. 1933. Kravkov S. V. Glaz i ego rabota. M.-L.; Izd-vo AN SSSR. 1950.
13. Krasil'nikov N. N. Vlijanie shumov na kontrastnuju chuvstvitel'nost' i razreshajuwuju sposobnost' priemnoj televizionnoj trubki // Tehnika televidenija. 1958. T. 25. S. 26–43.
14. Krasil'nikov N. N. Pomehoustojchivost' televizionnyh ustrojstv. M.: Gosjenergoizdat. 1961.
15. Krasil'nikov N. N. O verojatnosti pravil'nogo opoznavanija izobrazhenij, peredannyh malokadrovymi televizionnymi sistemami, v prisutstvii shuma // Radiotehnika. 1970. T. 25. № 6. S. 10–15.
16. Krasil'nikov N. N. Teorija peredachi i vosprijatija izobrazhenij. M.: Radio i svjaz'. 1986.
17. Krasil'nikov N. N., Shelepin Ju. E. Chastotno-kontrastnaja harakteristika zritel'noj sistemy pri nalichii pomeh // Fiziologija cheloveka. 1996 a. T. 22. № 4. S. 33–38.
18. Krasil'nikov N. N., Shelepin Ju. E. Maskirovka kak rezul'tat soglasovannoj fil'tracii v zritel'noj sisteme cheloveka // Fiziologija cheloveka. 1996 b. T. 22. № 5. S. 99–103.
19. Krasil'nikov N. N., Shelepin Ju. E. Funkcional'naja model' zrenija // Opticheskij zhurnal. 1997. T. 64. № 2. S. 72–82.
20. Krasil'nikov N. N., Krasil'nikova O. I., Shelepin Ju. E. Model' formirovanija chastotno-kontrastnoj harakteristiki zritel'noj sistemy v zavisimosti ot osvewennosti setchatki // Sensornye sistemy. 1997. T. 11. № 3. S. 333–339.
21. Krasil'nikov N. N., Shelepin Ju. E., Krasil'nikova O. I. Fil'tracija v zritel'noj sisteme cheloveka v uslovijah porogovogo nabljudenija // Opticheskij zhurnal. 1999 a. T. 66. № 1. S. 5–14.
22. Krasil'nikov N. N., Shelepin Ju. E., Krasil'nikova O. I. Primenenie principov optimal'nogo nabljudatelja pri modelirovanii zritel'noj sistemy cheloveka // Opticheskij zhurnal. 1999 b. T. 66. № 9. S. 17–24.
23. Kremeshnyj A. I., Korochkin A. A., Berdochnik A. D. Teoreticheskie osnovy raschetov na osvewenie nazemnyh (morskih) ob'ektov // Sbornik nauchnyh trudov. HUVS. Har'kov: 2009. Vyp. 1 (19). S. 137–140.
24. Lazarev A. N., Nikolaev A. G., Hrunov E V. Opticheskie issledovanija v kosmose. L.: Gidrometeoizdat. 1978.
25. Leonov Ju. P. Teorija statisticheskih reshenij i psihofizika. M.: Nauka. 1977.
26. Makashova N. V., Erohina E. V. Chastotno-kontrastnaja harakteristika glaza i kriticheskaja chastota slijanija mel'kanij (KChSM) u bol'nyh retrobul'barnym nevritom // Mezhoblastnaja konf. oftal'mologov. Pskov: 1981. T. 2. S. 233–234.
27. Mitov D. L., Vasilev A. G. Ob'edinenie prostranstvennyh fil'trov pri izvlechenii konturov izobrazhenij // Opticheskij zhurnal. 1999. T. 66. № 9. S. 73–80.
28. Murav'eva S. V.,. Shelepin Ju. E., Deshkovich A. A. Zritel'nye vyzvannye potencialy cheloveka na shahmatnyj pattern raznogo kontrasta v uslovijah pomehi pri rassejannom skleroze // Rossijskij fiziol. zhurn. im. I. M. Sechenova. 2004. T. 90. № 4. S. 463–473.
29. Murav'eva S. V., Deshkovich A. A., Shelepin Ju. E. Magno- i parvosistemy cheloveka i izbiratel'nye narushenija ih raboty // Rossijskij fiziol. zhurn. im. I. M. Sechenova. 2008. T. 94. № 6. S. 637–649.
30. Nesterov V. K., Tibilov A. S., Shelepin Ju. E. Sravnenie harakteristik polja zritel'nyh receptorov i matric fotojelektricheskih priemnikov pri predel'no nizkih osvewennostjah // Opticheskij zhurnal. 2009. T. 76. № 7. S. 61–69.
31. Ostrovskaja M. A. Chastotno-kontrastnaja harakteristika glaza // Optiko-mehanicheskaja promyshlennost'. 1969. № 2. S. 51–54.
32. Pavlov N. N., Danilova M. V., Shelepin Ju. E. Optimizacija sistemy chelovek – displej // Tehnika kino i televidenija. 1989. № 11. S. 8–14.
33. Polosin L .L., So I. A. O trebovanijah k chetkosti vosproizvedenija izobrazhenij // Teleradiovewanie. 2008. № 1. S. 35–39.
34. Ryftin A. Ja. Televizionnaja sistema. M.: Sovetskoe radio. 1967.
35. Travnikova N. P. Jeffektivnost' vizual'nogo poiska. M.: Mashinostroenie. 1985.
36. Trifonov M. I., Sharevich V. G., Shelepin Ju. E. Issledovanie chastotno-kontrastnoj harakteristiki zritel'noj sistemy v uslovijah pomeh // Fiziologija cheloveka. 1990. T. 16. № 2. S. 41–45.
37. Cukkerman I. I. O soglasovanii prostranstvenno-chastotnyh fil'trov zritel'nogo analizatora so statistikoj izobrazhenij // Biofizika. 1978. T. XXIII. Vyp. 6. S. 1108–1109.
38. Cukkerman I. I., Shostackij N. N. Anizotropija prostranstvenno-chastotnoj harakteristiki zrenija // Fiziologija cheloveka. 1978. T. 4. № 1. S. 17–20.
39. Shade O. G. Novaja sistema opredelenija i izmerenija chetkosti izobrazhenija. Ocenka kachestva opticheskogo izobrazhenija // Sto let nacional'nogo bjuro standartov SShA. 1959. S. 243–274.
40. Shelepin Ju. E., Kolesnikova L. N., Mjalo N. M. Kontrastnaja chuvstvitel'nost' normal'noj i patologicheski izmenennoj zritel'noj sistemy cheloveka // Mezhoblastnaja konf. oftal'mologov. Pskov: 1981. T. 2. S. 146–147.
41. Shelepin Ju. E., Kolesnikova L. I., Levkovich L. N. Vizokontrastometrija. L.: Nauka. 1985. Shelepin Ju. E.. Makulov V. B. Pauk V. N. Novye optotipy dlja oftal'mojergonomiki // Mater. simpoz. «Oftal'mojergonomika operatorskoj dejatel'nosti». L.: VMA . 1986.
42. Shelepin Ju. E.,Pavlov N. N., Makulov V. B., Pauk V. N., Volkov V. V., Somov E. E. Centr komp'juternoj videometrii. Princip organizacii, rezul'taty raboty, perspektivy razvitija // 2-oe sovewanie «Medicinskie aspekty fiziologii sensornyh sistem», M.: Institut himicheskoj fiziki AN SSSR. 1987.
43. Shelepin Ju. E., Makulov V. B., Krasil'nikov N. N., Chihman V. N., Pronin S. V., Danilichev V. F., Koskin S. A. Ikonika i metody ocenki funkcional'nyh vozmozhnostej zritel'noj sistemy // Sensornye sistemy. 1998. № 3. S. 319–328.
44. Shelepin Ju. E., Glezer V. D., Bondarko V. M., Pavlovskaja M. B. Prostranstvennoe zrenie. Rukovodstvo po fiziologii / Pod red. A.L. Byzova, M.: Nauka. 1992. Gl. 10. Zrenie. S. 528–585.
45. Shelepin Ju. E. Prostranstvenno-chastotnye harakteristiki i ostrota zrenija cheloveka // Biofizika sensornyh sistem: Uchebnoe posobie / Pod red. V. O. Samojlova. SPb.: InformMed. 2007. S.60–101.ki izmenennoj zritel'noj sistemy cheloveka // Mezhoblastnaja konf. oftal'mologov. Pskov: 1981. T. 2. S. 146–147.
46. Shelepin Ju. E., Kolesnikova L. I., Levkovich L. N. Vizokontrastometrija. L.: Nauka. 1985.
47. Shelepin Ju. E.. Makulov V. B. Pauk V. N. Novye optotipy dlja oftal'mojergonomiki // Mater. simpoz. «Oftal'mojergonomika operatorskoj dejatel'nosti». L.: VMA . 1986.
48. Shelepin Ju. E.,Pavlov N. N., Makulov V. B., Pauk V. N., Volkov V. V., Somov E. E. Centr komp'juternoj videometrii. Princip organizacii, rezul'taty raboty, perspektivy razvitija // 2-oe sovewanie «Medicinskie aspekty fiziologii sensornyh sistem», M.: Institut himicheskoj fiziki AN SSSR. 1987.
49. Shelepin Ju. E., Makulov V. B., Krasil'nikov N. N., Chihman V. N., Pronin S. V., Danilichev V. F., Koskin S. A. Ikonika i metody ocenki funkcional'nyh vozmozhnostej zritel'noj sistemy // Sensornye sistemy. 1998. № 3. S. 319–328.
50. Shelepin Ju. E., Glezer V. D., Bondarko V. M., Pavlovskaja M. B. Prostranstvennoe zrenie. Rukovodstvo po fiziologii / Pod red. A.L. Byzova, M.: Nauka. 1992. Gl. 10. Zrenie. S. 528–585.
51. Shelepin Ju. E. Prostranstvenno-chastotnye harakteristiki i ostrota zrenija cheloveka // Biofizika sensornyh sistem: Uchebnoe posobie / Pod red. V. O. Samojlova. SPb.: InformMed. 2007. S.60–101.
52. Arden G. B. Recent development in clinical contrast sensitivity testing // Advances in diagnostic visual optics. Berlin: Springer Verlag. 1983.
53. Barlow H. B. Retinal Noise and Absolute Threshold // JOSA. 1956. V. 46. № 8. P. 634–639.
54. Barlow H. B. Temporal and Spatial Summation in Human Vision at Different Background Intensities // J. Physiol. I958. V. I41. P. 337–350.
55. Barten Peter G. J. Contrast Sensitivity of the human eye and its effects on image quality // The International Society for Optical Engineering, Bellingham. Washington: SPIE Optical Engineering Press. 1999. P. 47–50.
56. Berry G. A. On central amblyopia // Ophthalmic Hospital Reports. 1880. V. 10. P. 44–55.
57. Bjerrum J. Untersuchungen über den Lichsinn und den Raumsinn bei verschiedenen Augenkranheiten. Albrecht von Graefe´s Archiv für Ophthalmologie. 1884 (See Ophalmic Review (1886) 5: 170–172 for a précis in English.).
58. Blackwell H. R. Contrast thresholds of the human Eye // JOSA. 1946. V. 36. № 11. P. 624–643.
59. Blakemore C., Campbell F. W. Adaptation to spatial stimuli // J. Physiol. 1969 а. 200. P. 11–13.
60. Blakemore C., Campbell F.W. On the existence of neuron’s in the human visual system selectively sensitive to the orientation and size of retinal images // J. Physiol. 1969 b. 203. P. 237–260.
61. Bodis-Wollner I. Visual acuity and contrast sensitivity in patients with cortical lesions // Science. 1972. V. 178. P. 769–771.
62. Bouguer P. Traité d´Optique sur la gradation de la lumiére. Paris: M l´Abbé de la Caille. 1760.
63. Campbell F. W. The Human Eye as an Optical Filter // Proc. of IEEE. 1968. V. 56. № 6. P. 1009– 1014.
64. Campbell F. W. The Transmission of Spatial Information through the Visual System // Neuroscience. 1974. P. 95–103.
65. Campbell F. W., Cleland B. G., Cooper G. F., Enroth-Cugell Christina. The angular selectivity of visual cortical cells to moving gratings // J. Physiol. 1968. 198(1). P. 237–250.
66. Campbell F. W., Cooper G. F., Enroth-Cugell Chr. The spatial selectivity of the visual cells of the cat // J. Physiol. 1969 а. 203(1). P. 223–235.
67. Campbell F. W., Cooper G. F., Robson J. G. The spectral selectivity of visual cells of the cat and squirel monkey // J. Physiol. 1969 b; V. 204(1). P. 120–121.
68. Campbell F. W., Green D. G. Optical and retinal factors affecting visual resolution // J. Physiol. 1965 a. V. 181. P. 576–593.
69. Campbell F. W., Green D. G. Monocular versus Binocular Visual Acuity // Nature. V. 208. 1965 b. P. 191–192.
70. Campbell F. W., Gubisch R. W. Optical quality of the human eye // J. Physiol. 1966. V. 186. P. 558–578.
71. Campbell F. W. and Robson J. G. Application of Fourier analysis to the visibility of gratings // J. Physiol. 1968. V. 197. P. 551–566.
72. Conner J. P. and Ganoung R. E. An experimental determination of the visual thresholds at low values of illumination // JOSA. 1935. V. 25. № 9. P. 287–294.
73. Donders F. C. On the anomalies of accommodation and refraction of the eye. New Sydenham Society. London: 1864.
74. Fechner G. Elemente der Psychophysik. Leipzig: 1860.
75. Fridenwald J. S. A new astigmatic chart // J. Opthalm. 1924. V. 7. P. 8–15.
76. Ginsburg A. P. A new contrast sensitivity vision tests chart // American J. of Optometry and Physiological Optics. 1984. V. 61. P. 403–407.
77. Herbart J. Psychologie als Wissenschaft, neu gegrundet auf Erfahrung. Metaphysik and Mathematik. Konigsberg: 1824.
78. Kotel’nikov V. A. English edition: Kotel’nikov V.A. 1933. The Theory of Optimum Noise Immunity. McGraw-Hill Book Co. 1959.
79. Krasilnikov N. N., Krasilnikova O. I., Shelepin Y. E. Perception of achromatic, monochromatic, pure chromatic and chromatic noisy images by real human-observer under threshold conditions // SPIE. 2000. V. 3981. P. 113–121.
80. Маch E. Über den physiologischen Effect räumlich verheitler Lichtreize // II Sitzungsberichte der Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften. 1866. V. 52. P. 303–322.
81. Masson A. Études de photometrie électrique // Annales de Chemie et de Physique. 1845. V. 14. P. 129–195.
82. Muravyova S. V., Krasilnikov N. N., Shelepin Y. E., Deshkovich A. A. Does internal noise increased in the visual system of the patients with multiple sclerosis? // Perception. 2001. V. 30. Suppl. P. 113.
83. Muravyova S. V., Deshkovich A. A., Fokin V. A., Shelepin Y. E. The properties of internal noise in the visual system of patients with multiple sclerosis // Perception. 2006. V. 30. Suppl. P. 130.
84. Nesterov V. K., Tibilov A S., Shelepin Yu. E. How the field characteristics of photoreceptors compare with those of photoelectric-detector arrays under ultra low illuminance // J. of Optical Technol. 2009. V. 76. № 7. P. 423–429.
85. Olzak L. A., Wickens D., Thomas J. P. Why we can’t see the forest for the trees: Serial processing of disparate spatial-frequency bands // Perception. 1993. V. 22. Suppl. P. 5.
86. Pelli D. G., Robson J. G., Wilkins A. J. The design of a new letter chart for measuring contrast sensitivity // Clinical Vision Sciences. 1988. V. 2. P. 187–199.
87. Regan D., Silver R., Murray T. J. Visual acuity and contrast sensitivity in multiple sclerosis – hidden visual loss // Brain. 1977. V. 100. P. 563–579.
88. Regan D. and Neima D. Low-contrast letter charts as a test of visual function // Ophthalmol. 1983. V. 90. P. 1192–1200. Rushton W. H. Light and dark adaptation // Invest. Ophthalmol. 1972. V. 11. № 6. P. 503–517.
89. Schade O. H. Optical and photo-electric analog of the eye // J. of the Opt. Society of America. 1956. V. 46. № 9. P. 721–739.
90. Shelepin Y. E., Danilichev V. F., Aleksandrov A. S, Kolesnikova L. N. Damage of the extra striate cortex depresses contrast sensitivity for low spatial frequencies // Perception. 1992. V. 21. Suppl. P. 36.
91. Shelepin Y. E., Gilmartin B., Makulov V. B. Astigmatic chart of the contrast sensitivity // Perception. 1996 a. V. 25. Suppl. P. 109.
92. Shelepin Yu. E., Danilichev V. F., Makulov V. B., Koskin S. A., Krasilnikov N. N. Concussion of the brain and spatial-frequency contrast sensitivity // Perception. 1996 b. V. 25. Suppl. P. 80.
93. Shelepin Yu. E., Krasilnikov N. N. Contrast sensitivity of the visual system in the presence of external noise // Perception. 1996 c. V. 25. Suppl. P. 110.
94. Shelepin Y. E., Krasilnikov N. N., Krasilnikova O. I., Chihman V. N. What Visual Perception Model is Optimal in Terms of Signal-to-Noise Ratio? // SPIE. 2000. V. 3981. P. 161–169.
95. Shelepin Y. E., Pronin S. V. The foveola pixel discrimination and information capacity // Perception. 2006. V. 35. Suppl. P. 52.
96. Snellen H., Landolt E. Ophthalmometrologie. Functionsprüfungen des Auges // Handbuch der gesammten Augenheilkunde. 1874. V. 3. P. 1–248.
97. Storch R. L., Bodis-Wollner I. Overview of contrast sensitivity and neuro-opthalmic disease // Glare and Contrast Sensitivity for Clinicians. Heidelberg: Springer-Verlag. 1990.
98. Swanzy H. R. A handbook of the diseases of the eye and their treatment. London: Lewis. 1895.
99. Swets J. A., Tanner W. P., Birdsall T. G. Dicision. Processes in Perception // Psychol. Review. 1961. Vol. 68. № 5. P. 197–209.
100. Swets J. A. Signal detection and recognition by human observers. N. Y.: John Wiley & Sons Inc. 1964.
101. Young G. Suggested clinical tests of the threshold of light and color. Transactions of the Ophthalmological Society of the United Kingdom. 38. 1918 a. P. 279–281.
102. Young G. Threshold tests // British J. of Ophthalm. 1918 b. V. 2. P. 384–392; 430–433. Weber E. H. De pulsu, resorptione, auditu et tactu: Annotationes anatomical et physiological. Leipzig: 1834.