Стробоскопический эффект - Stroboscopic effect

В зависимости от частоты вспышек элемент кажется неподвижным или вращается в обратном направлении.

В стробоскопический эффект это визуальный явление вызванный сглаживание это происходит, когда непрерывное движение представлено серией коротких или мгновенных отсчетов. Это происходит, когда изображение движущегося объекта представлено серией коротких образцов, в отличие от непрерывного изображения, и движущийся объект находится во вращательном или другом циклическом движении со скоростью, близкой к частота выборки. Это также объясняет "эффект вагона-колеса ", так называемый, потому что на видео колеса со спицами (например, в запряженных лошадьми телегах) иногда кажутся вращающимися назад.

Строб-фонтан, регулярно падающий поток капель воды, освещенный импульсная лампа, является примером стробоскопического эффекта, применяемого к циклическому движению, которое не является вращательным. При обычном освещении это обычный фонтанчик. Если смотреть под стробоскопом, частота которого настроена на скорость падения капель, капли кажутся подвешенными в воздухе. Регулировка частоты строба может заставить капли медленно двигаться вверх или вниз.

Объяснение

Рассмотрим стробоскоп как используется в механическом анализе. Это может быть "импульсная лампа ", который срабатывает с регулируемой скоростью. Например, объект вращается со скоростью 60 оборотов в секунду: если на него смотреть серию коротких вспышек с частотой 60 раз в секунду, каждая вспышка освещает объект в том же положении во время его вращения. цикл, поэтому кажется, что объект неподвижен. Кроме того, в частота 60 вспышек в секунду, постоянство зрения сглаживает последовательность вспышек, чтобы воспринимаемое изображение было непрерывным.

Если один и тот же вращающийся объект рассматривается с частотой 61 вспышка в секунду, каждая вспышка будет освещать его на несколько более раннем этапе своего цикла вращения. Шестьдесят одна вспышка произойдет до того, как объект снова станет видимым в том же самом положении, и серия изображений будет восприниматься так, как если бы она вращалась назад один раз в секунду.

Тот же эффект возникает, если объект рассматривается с частотой 59 вспышек в секунду, за исключением того, что каждая вспышка освещает его немного позже в своем цикле вращения, и поэтому будет казаться, что объект вращается вперед.

То же самое можно было бы применить и на других частотах, таких как 50 Гц, характерная для электрических распределительных сетей большинства стран мира.

В случае движущихся изображений действие фиксируется как быстрая серия неподвижных изображений, и может возникнуть такой же стробоскопический эффект.

Преобразование звука из световых паттернов

Стробоскопический эффект также играет роль при воспроизведении звука. Компакт-диски полагаться на стробирующие отражения лазера от поверхности диска для обработки (это также используется для компьютерных данных ). DVD и Диски Blu-ray имеют аналогичные функции.

Стробоскопический эффект также играет роль для лазерные микрофоны.

Эффект вагона-колеса

Основная статья: Эффект вагона-колеса
Пропеллер Bombardier Q400, снятый цифровой камерой, демонстрирующий стробоскопический эффект

Кинокамеры обычно снимают со скоростью 24 кадра в секунду. Хотя колеса транспортного средства вряд ли будут вращаться со скоростью 24 оборота в секунду (поскольку это было бы очень быстро), предположим, что каждое колесо имеет 12 спиц и вращается только со скоростью два оборота в секунду. При съемке со скоростью 24 кадра в секунду спицы в каждом кадре будут отображаться в одном и том же положении. Следовательно, колесо будет восприниматься как неподвижное. Фактически, каждая спица, запечатленная на фотографии в любом положении, будет отдельной спицей в каждом последующем кадре, но поскольку спицы почти идентичны по форме и цвету, никакой разницы не будет ощущаться. Таким образом, до тех пор, пока количество оборотов колеса в секунду составляет 24 и 12 раз, колесо будет казаться неподвижным.

Если колесо вращается немного медленнее, чем два оборота в секунду, положение спиц будет заметно отставать в каждом последующем кадре, и поэтому будет казаться, что колесо поворачивается назад.

Нежелательные эффекты при обычном освещении

Стробоскопический эффект - одна из особенных временные световые артефакты. В обычных применениях освещения стробоскопический эффект является нежелательным эффектом, который может стать видимым, если человек смотрит на движущийся или вращающийся объект, который освещается источником света с временной модуляцией. Временная модуляция света может происходить из-за колебаний самого источника света или может быть результатом применения определенных технологий затемнения или регулирования уровня освещенности. Еще одна причина световых переливов - несовместимость лампы с внешним диммером.

Последствия

Различные научные комитеты оценили потенциальные аспекты, связанные со здоровьем, производительностью и безопасностью, возникающие в результате временных световых модуляций (TLM), включая стробоскопический эффект.[1][2][3]. Неблагоприятные эффекты в обычных областях применения освещения включают раздражение, снижение производительности задач, зрительную усталость и головную боль. Аспекты видимости стробоскопического эффекта приведены в техническом примечании к CIE см. CIE TN 006: 2016[4] и в диссертации Перца[5][6].

Стробоскопические эффекты также могут создавать небезопасные ситуации на рабочих местах с быстро движущимся или вращающимся оборудованием. Если частота быстро вращающихся механизмов или движущихся частей совпадает с частотой или кратной частоте модуляции света, машины могут казаться неподвижными или движутся с другой скоростью, что потенциально может привести к опасные ситуации. Стробоскопические эффекты, которые проявляются во вращающихся объектах, также называются эффект вагона-колеса.

В общем, нежелательные эффекты в визуальном восприятии человека-наблюдателя, вызванные колебаниями интенсивности света, называются Световые артефакты времени (TLA). Дополнительная информация и объяснения различных явлений TLA, включая стробоскопический эффект, представлены в записанном веб-семинаре «Это все просто мерцает?” [7].

В некоторых специальных приложениях TLM также могут вызывать желаемые эффекты. Например, стробоскоп это инструмент, который производит короткие повторяющиеся вспышки света, которые можно использовать для измерения частоты движения или для анализа или определения времени движущихся объектов. Также стробоскопический визуальный тренинг (SVT) - это недавний инструмент, направленный на улучшение зрительных и перцептивных характеристик спортсменов путем выполнения действий в условиях модулированного освещения или прерывистого зрения.[8].

Коренные причины

Свет излучается освещение оборудование, такое как светильники и лампы, может изменяться по мощности в зависимости от времени, намеренно или непреднамеренно. Преднамеренные изменения света применяются для предупреждения, сигнализации (например, светофор, мигающие авиационные световые сигналы), развлечения (например, сценическое освещение ) с той целью, чтобы люди воспринимали мерцание. Как правило, светоотдача осветительного оборудования также может иметь остаточные непреднамеренные изменения уровня света из-за технологии осветительного оборудования в связи с типом подключения к электросети. Например, осветительное оборудование, подключенное к однофазной сети, обычно будет иметь остаточные TLM, вдвое превышающие частоту сети, либо на 100, либо на 120 Гц (в зависимости от страны).

Величина, форма, периодичность и частота TLM будут зависеть от многих факторов, таких как тип источника света, частота электросети, технология драйвера или балласта и тип применяемой технологии регулирования света (например, широтно-импульсная модуляция). . Если частота модуляции ниже порог слияния мерцания и если величина TLM превышает определенный уровень, то такие TLM воспринимаются как мерцание. Модуляции света с частотами модуляции, превышающими порог слияния мерцания, не воспринимаются напрямую, но иллюзии в виде стробоскопического эффекта могут стать видимыми (пример см. На рисунке 1).

Рисунок 1: Стробоскопический эффект от движущейся отвертки, освещенной модулированным источником света прямоугольной формы с частотой модуляции 100 Гц, скважностью 50% и 100% модуляцией (SVM = 4,9); на небольшой фото-врезке видно отсутствие стробоскопического эффекта, если отвертку не двигать

Светодиоды по своей сути не производят временных модуляций; они просто очень хорошо воспроизводят форму волны входного тока, и любая пульсация в форме волны тока воспроизводится световой пульсацией, потому что светодиоды имеют быстрый отклик; поэтому, по сравнению с традиционными технологиями освещения (лампами накаливания, люминесцентными), для светодиодного освещения наблюдается большее разнообразие свойств TLA. Многие типы и топологии Светодиодный драйвер схемы прилагаются; более простая электроника и ограниченные буферные конденсаторы или их отсутствие часто приводят к большей пульсации остаточного тока и, следовательно, большей временной модуляции света.

Технологии диммирования либо внешнего применения диммеры (несовместимые диммеры) или внутренние регуляторы уровня освещенности могут оказывать дополнительное влияние на уровень стробоскопического эффекта; уровень временной модуляции света обычно увеличивается при более низких уровнях освещенности.

ПРИМЕЧАНИЕ. - Первопричину временной модуляции света часто называют мерцанием. Также стробоскопический эффект часто называют мерцанием. Однако мерцание - это непосредственно видимый эффект, возникающий в результате модуляции света на относительно низких частотах модуляции, обычно ниже 80 Гц, тогда как стробоскопический эффект в обычных (жилых) приложениях может стать видимым, если присутствуют световые модуляции с частотами модуляции, обычно выше 80 Гц.

Смягчение

Как правило, нежелательного стробоскопического эффекта можно избежать, снизив уровень TLM.

Проектирование осветительного оборудования для уменьшения TLM источников света обычно является компромиссом для других свойств продукта и, как правило, увеличивает стоимость и размер, сокращает срок службы или снижает энергоэффективность.

Например, чтобы уменьшить модуляцию тока для управления светодиодами, что также снижает видимость TLA, требуется большой накопительный конденсатор, такой как электролитический конденсатор. Однако использование таких конденсаторов значительно сокращает срок службы светодиода, поскольку обнаруживается, что они имеют самый высокий процент отказов среди всех компонентов. Еще одно решение для снижения заметности TLA - это увеличение частоты управляющего тока, однако это снижает эффективность системы и увеличивает ее общий размер.

Видимость

Стробоскопический эффект становится видимым, если частота модуляции TLM находится в диапазоне от 80 Гц до 2000 Гц и если величина TLM превышает определенный уровень. Другими важными факторами, определяющими видимость TLM как стробоскопического эффекта, являются:

  • Форма временной модулированной световой волны (например, синусоидальный, прямоугольный импульс и его рабочий цикл);
  • Уровень освещенности источника света;
  • Скорость движения движущихся объектов наблюдается;
  • Физиологические факторы, такие как возраст и утомляемость.
Фигура 2: Функция порога контрастности стробоскопического эффекта (см. Видимость)

Все влияющие величины, связанные с наблюдателем, являются стохастическими параметрами, поскольку не все люди одинаково воспринимают эффект одной и той же световой ряби. Поэтому восприятие стробоскопического эффекта всегда выражено с определенной вероятностью. Для уровней освещенности, встречающихся в обычных приложениях, и для умеренных скоростей движения объектов (связанных со скоростями, которые могут быть созданы людьми), средняя кривая чувствительности была получена на основе исследований восприятия.[5][9]. Кривая средней чувствительности для синусоидальных модулированных световых сигналов, также называемая пороговой функцией контраста стробоскопического эффекта, как функция частоты ж как следует:

Функция порога контрастности изображена на рисунке 2. Стробоскопический эффект становится видимым, если частота модуляции TLM находится в диапазоне приблизительно от 10 Гц до 2000 Гц и если величина TLM превышает определенный уровень. Функция порога контрастности показывает, что на частотах модуляции около 100 Гц стробоскопический эффект будет виден при относительно низких величинах модуляции. Хотя стробоскопический эффект теоретически заметен и в диапазоне частот ниже 100 Гц, на практике видимость мерцание будет преобладать над стробоскопическим эффектом в диапазоне частот до 60 Гц. Более того, большие значения преднамеренно повторяющихся TLM с частотами ниже 100 Гц маловероятны на практике, поскольку остаточные TLM обычно возникают на частотах модуляции, которые в два раза превышают частоту сети (100 Гц или 120 Гц).

Подробные объяснения видимости стробоскопического эффекта и др. временные световые артефакты также приведены в CIE TN 006: 2016[4] и в записанном веб-семинаре «Это все просто мерцает?”[7].

Объективная оценка стробоскопического эффекта

Измеритель видимости стробоскопического эффекта

Для объективной оценки стробоскопического эффекта разработана система измерения видимости стробоскопического эффекта (SVM).[4][5][9]. Спецификация измерителя видимости стробоскопического эффекта и метод испытаний для объективной оценки осветительного оборудования опубликованы в техническом отчете МЭК IEC TR 63158.[10]. SVM рассчитывается по следующей формуле суммирования:

куда,

Cм - относительная амплитуда m-й компоненты Фурье (представление в виде тригонометрического ряда Фурье) относительной освещенности (относительно уровня постоянного тока);

Тм - пороговая функция контраста стробоскопического эффекта для видимости стробоскопического эффекта синусоидальной волны на частоте m-й компоненты Фурье (см. Видимость ). SVM может использоваться для объективной оценки человеком-наблюдателем видимых стробоскопических эффектов временной модуляции света осветительного оборудования в обычных помещениях с типичными уровнями освещенности в помещении (> 100 лк) и с умеренными движениями наблюдателя или находящегося поблизости объекта с рукой (< 4 м / с). Для оценки нежелательных стробоскопических эффектов в других приложениях, таких как неправильное восприятие быстро вращающегося или движущегося оборудования в мастерской, например, могут потребоваться другие показатели и методы или оценка может быть выполнена путем субъективного тестирования (наблюдения).

ПРИМЕЧАНИЕ. - Несколько альтернативных показателей, таких как глубина модуляции, процент мерцания или индекс мерцания, применяются для определения характеристик стробоскопического эффекта осветительного оборудования. Ни один из этих показателей не подходит для прогнозирования реального человеческого восприятия, потому что на человеческое восприятие влияет глубина модуляции, частота модуляции, форма волны и, если применимо, рабочий цикл TLM.

Набор инструментов Matlab

А Matlab набор инструментов для измерения видимости стробоскопического эффекта, включая функцию расчета SVM а некоторые примеры приложений доступны в Matlab Central через сообщество Mathworks.[11].

Критерий приемки

Если значение SVM равно единице, входная модуляция световой волны создает стробоскопический эффект, который только виден, то есть на пороге видимости.[4]. Это означает, что средний наблюдатель сможет обнаружить артефакт с вероятностью 50%. Если значение меры видимости больше единицы, эффект имеет вероятность обнаружения более 50%. Если значение меры видимости меньше единицы, вероятность обнаружения составляет менее 50%. Эти пороги видимости показывают среднее обнаружение среднего человека-наблюдателя в популяции. Однако это не гарантирует приемлемости. Для некоторых менее важных приложений уровень приемлемости артефакта может быть значительно выше порога видимости. Для других приложений допустимые уровни могут быть ниже порога видимости. NEMA 77-2017[12] среди прочего, дает рекомендации по критериям приемлемости в различных приложениях.

Рисунок 3: Стандартная установка для проверки осветительного оборудования на его характеристики стробоскопического эффекта.

Приложения для испытаний и измерений

Типичная испытательная установка для тестирования стробоскопического эффекта показана на рисунке 3. Измеритель видимости стробоскопического эффекта может применяться для различных целей (см. IEC TR 63158[10]):

  • Измерение характеристик стробоскопического эффекта, присущего осветительному оборудованию при стабильном сетевом напряжении;
  • Тестирование эффекта регулировки света осветительного оборудования или эффекта внешнего диммера (совместимость с диммером).

Публикация организаций по разработке стандартов

  1. CIE TN 006: 2016: вводит термины, определения, методологии и меры для количественной оценки TLA, включая стробоскопический эффект[4].
  2. IEC TR 63158: 2018: включает спецификацию измерителя видимости стробоскопического эффекта и метод проверки, а также процедуры испытаний и т. Д. для совместимости с диммером[10].
  3. NEMA 77-2017[12]: среди прочего, методы тестирования фликера и руководство по критериям приемлемости.

Опасности на рабочем месте

Стробоскопический эффект может привести к небезопасным ситуациям на рабочих местах с быстро движущееся или вращающееся оборудование. Если частота быстро вращающихся механизмов или движущихся частей совпадает с частота или кратные частотыИз-за световой модуляции оборудование может казаться неподвижным или двигаться с другой скоростью, что может привести к опасным ситуациям.

Из-за иллюзии, что стробоскопический эффект может вызвать движущееся оборудование, рекомендуется избегать однофазного освещения. Например, фабрика, которая освещается от однофазной сети с основным освещением, будет иметь мерцание 100 или 120 Гц (в зависимости от страны, 50 Гц x 2 в Европе, 60 Гц x 2 в США, удваивается номинальная частота) , таким образом, любое оборудование, вращающееся с частотой, кратной 50 или 60 Гц (3000–3600 об / мин), может казаться не вращающимся, что увеличивает риск травмы оператора. Решения включать в себя установку освещения на полную трехфазную сеть или использование высокочастотных контроллеров, которые управляют освещением на более безопасных частотах[13] или освещение постоянного тока.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ IEEE Std 1789: 2015, Рекомендуемые IEEE методы регулирования тока в светодиодах высокой яркости для снижения рисков для здоровья зрителей. (связь)
  2. ^ SCENIHR (Научный комитет по возникающим и недавно выявленным рискам для здоровья), Влияние искусственного света на здоровье, 19 марта 2012 г. (ISBN  978-92-79-26314-9).
  3. ^ SCHEER (Научный комитет ЕС по здоровью, окружающей среде и новым рискам), Окончательное заключение о потенциальных рисках для здоровья человека от светоизлучающих диодов (светодиодов), Июнь 2018. (связь).
  4. ^ а б c d е CIE TN 006: 2016, Визуальные аспекты систем освещения с временной модуляцией - определения и модели измерения. (pdf)
  5. ^ а б c М. Перц, Моделирование видимости временных световых артефактов, диссертация Эйндховенского технологического университета, 05.02.2019 (ISBN  978-90-386-4681-7) [2]
  6. ^ TU / e News, Стробоскопическая мера видимости - понимание того, как люди испытывают колебания светодиодного освещения, 1 февраля 2019 г.связь
  7. ^ а б 1. Д. Секуловски, Запись вебинара «Это все просто мерцает?” (YouTube)
  8. ^ Люк Уилкинс, Карл Нельсон, Саймон Тведдл, Стробоскопическая визуальная тренировка: экспериментальное исследование с участием трех элитных футбольных вратарей юношеского футбола, J Cogn Enhanc (2018) 2: 3–11, DOI 10.1007 / s41465-017-0038-z
  9. ^ а б MALGORZATA PERZ, ДРАГАН СЕКУЛОВСКИЙ, INGRID VOGELS, INGRID HEYNDERICKX, Стробоскопический эффект: функция порога контрастности и зависимость от уровня освещенности, Vol. 35, No. 2 / февраль 2018 г. / Журнал Оптического общества Америки A, стр.309.
  10. ^ а б c IEC TR 63158: 2018 + COR 1, Оборудование для общего освещения - Метод объективных испытаний на стробоскопические эффекты осветительного оборудования, 2018-03-19.
  11. ^ Набор инструментов для измерения видимости стробоскопического эффекта Matlab Central.
  12. ^ а б NEMA 77-2017: Временные световые артефакты: методы испытаний и руководство по критериям приемлемости.(связь)
  13. ^ Кроншоу, Джефф (осень 2008 г.), «Раздел 559« Светильники и осветительные установки: Обзор », Электромонтажные вопросы, ИЭПП (28): 4

внешняя ссылка