Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
В зависимости от частоты вспышек элемент кажется неподвижным или вращается в обратном направлении.

Стробоскопический эффект представляет собой визуальное явление , вызванная ступенчатостью , что происходит , когда непрерывное вращательное или другое циклическое движение представлено серией коротких или мгновенных выборок (в отличие от непрерывного зрения) при скорости дискретизации , близкой к периоду движения. Это объясняет « эффект колеса телеги », так называемый, потому что на видео колеса со спицами (например, на конной повозке ) иногда кажутся вращающимися назад.

Стробоскопический фонтан, поток капель воды, падающих через равные промежутки времени, освещенный стробоскопическим светом , 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 [ править ]

Рассмотрим стробоскоп, используемый в механическом анализе. Это может быть « стробоскоп », 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 той же позиции в его цикле вращения, поэтому кажется, что объект стационарный. Более того, при частоте 60 вспышек в секунду постоянное зрение сглаживает последовательность вспышек, так что воспринимаемое изображение остается 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 месте, 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 [ править ]

Стробоскопический эффект также играет роль при воспроизведении звука. Для обработки компакт-дисков используются стробирующие отражения лазера от поверхности диска (это также используется для компьютерных данных ). Диски DVD и Blu-ray имеют схожие функции.

Стробоскопический эффект также играет роль для лазерных микрофонов .

Эффект колесного вагона [ править ]

Основная статья: Эффект колеса телеги
Воспроизвести медиа
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 любой позиции, 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 [ править ]

Стробоскопический эффект - один из особых временных световых артефактов . В обычных применениях освещения стробоскопический эффект представляет собой нежелательный эффект, который может стать видимым, если человек смотрит на движущийся или вращающийся объект, который освещается модулированным во времени источником света. 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.

Эффекты [ править ]

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] Побочные эффекты в обычных областях применения освещения включают раздражение, снижение производительности задач, зрительную усталость и головную боль. Аспекты видимости стробоскопического эффекта приведены в техническом примечании 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 может привести к опасным ситуациям . Стробоскопические эффекты, которые проявляются во вращающихся объектах, также называют эффектом колесного вагона .

В общем, нежелательные эффекты в визуальном восприятии человека-наблюдателя, вызванные колебаниями интенсивности света, называются временными световыми артефактами (TLA). Дальнейшая предыстория и объяснения различных явлений TLA, включая стробоскопический эффект, представлены в записанном веб-семинаре « Это все просто мерцание? ». [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 частот движения или для анализа или определения времени движущихся объектов. Также стробоскопическая визуальная тренировка (SVT) - это недавний инструмент, направленный на улучшение зрительных и перцептивных характеристик спортсменов путем выполнения действий в условиях модулированного освещения или прерывистого зрения. [8]

Основные причины [ править ]

Свет, излучаемый осветительным оборудованием, таким как светильники и лампы, может изменяться по силе в зависимости от времени, намеренно или непреднамеренно. Преднамеренные вариации освещения применяются для предупреждения, сигнализации (например, светофор , мигающие световые сигналы авиации), развлечений (например, сценическое освещение ) с целью, чтобы люди воспринимали мерцание. Как правило, светоотдача осветительного оборудования может также 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, 100 или 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 порога 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, возникающий в результате воздействия движущейся отвертки источником света с модуляцией 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 природе не создают временной модуляции; 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. Применяются многие типы и топологии схем светодиодных драйверов ; более простая электроника и ограниченные буферные конденсаторы или их отсутствие часто приводят к большей пульсации остаточного тока и, следовательно, большей временной модуляции света.

Дополнительное влияние на уровень стробоскопического эффекта могут оказывать технологии диммирования внешних диммеров (несовместимые диммеры) или внутренних регуляторов уровня освещенности; 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 [ править ]

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 [ править ]

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.
Рисунок 2: Пороговая функция контраста 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) на основе исследований восприятия была получена кривая средней чувствительности. [5] [9] Средняя кривая чувствительности для синусоидальных модулированных световых сигналов, также называемая пороговой функцией контраста стробоскопического эффекта, как функция частоты f выглядит следующим образом:

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 мерцаниябудет 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 других временных световых артефактов также приведены в CIE TN 006: 2016 [4] и в записанном вебинаре « Это все просто мерцание? ». [7]

Объективная оценка стробоскопического эффекта [ править ]

Измеритель видимости стробоскопического эффекта [ править ]

Для объективной оценки стробоскопического эффекта была разработана система измерения видимости стробоскопического эффекта (SVM). [4] [5] [9]  Технические характеристики измерителя видимости со стробоскопическим эффектом и метод испытаний для объективной оценки осветительного оборудования опубликованы в техническом отчете IEC TR 63158. [10] SVM рассчитывается с использованием следующей формулы суммирования:

куда,

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

T m - 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 помещениях общего назначения с типичными уровнями внутренней освещенности (> 100 лк) и 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, поскольку на человеческое восприятие влияют глубина модуляции, частота модуляции, форма волны и, если применимо, рабочий цикл TLM.

Набор инструментов Matlab [ править ]

Набор инструментов для измерения видимости стробоскопического эффекта в Matlab, включая функцию для вычисления SVM, и некоторые примеры приложений доступны в Matlab Central через сообщество Mathworks. [11]

Критерий приемки [ править ]

Если значение SVM равно единице, входная модуляция формы светового сигнала 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: Типовая установка для тестирования осветительного оборудования на его характеристики стробоскопического эффекта .

Приложения для испытаний и измерений [ править ]

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 [ править ]

  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 тестирования на совместимость с диммером. [10]
  3. NEMA 77-2017: [12] среди прочего, методы тестирования мерцания и руководство по критериям приемлемости .

Опасности на рабочем месте [ править ]

Стробоскопический эффект может привести к небезопасным ситуациям 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 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 включают в себя развертывание освещения на полном трехфазном питании или использование высокочастотных контроллеров, которые управляют светом на более безопасных частотах [13], или освещение постоянного тока.

См. Также [ править ]

  • 3D зоотроп
  • Электронный тюнер # Тюнер стробоскопа
  • Временные световые артефакты
  • Временные световые эффекты
  • Мерцание (свет)
  • Порог слияния мерцания

Ссылки [ править ]

  1. ^ IEEE Std 1789: 2015, Рекомендуемые методы IEEE для модуляции тока в светодиодах высокой яркости для снижения рисков для здоровья зрителей. ( ссылка)
  2. ^ SCENIHR (Научный комитет по возникающим и недавно выявленным рискам для здоровья), Воздействие искусственного света на здоровье , 19 марта 2012 г. ( ISBN  978-92-79-26314-9 ).
  3. ^ SCHEER (Научный комитет ЕС по здоровью, окружающей среде и возникающим рискам), Окончательное заключение о потенциальных рисках для здоровья человека светоизлучающих диодов (СИД) , июнь 2018 г. (ссылка) .
  4. ^ a b c d e CIE TN 006: 2016, Визуальные аспекты систем освещения с временной модуляцией - Определения и модели измерения. (pdf)
  5. ^ a b c М. Перц, Моделирование видимости временных световых артефактов , диссертация Технологического университета Эйндховена, 05.02.2019 ( ISBN 978-90-386-4681-7 ) [2] 
  6. ^ Новости TU / e, Стробоскопические измерения видимости - понимание того, как люди испытывают колебания светодиодного освещения, 01 февраля 2019 г. ссылка
  7. ^ a b 1. Д. Секуловски, Запись вебинара « Это все просто мерцание? » (YouTube)
  8. ^ Люк Уилкинс, Карл Нельсон, Саймон Тведдл, Стробоскопическая визуальная тренировка: пилотное исследование с тремя элитными вратарами молодежного футбола, J Cogn Enhanc (2018) 2: 3–11, DOI 10.1007 / s41465-017-0038-z
  9. ^ a b 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. ^ a b c IEC TR 63158: 2018 + COR 1, Оборудование для общего освещения - Метод объективных испытаний стробоскопических эффектов осветительного оборудования, 2018-03-19.
  11. ^ Набор инструментов для измерения видимости стробоскопического эффекта Matlab Central.
  12. ^ a b NEMA 77-2017: Временные световые артефакты: методы испытаний и руководство по критериям приемлемости . (связь)
  13. ^ Кроншоу, Джефф (осень 2008), «Раздел 559 светильники и осветительные установки: обзор» , Wiring Matters , IET (28): 4

Внешние ссылки [ править ]

  • https://www.youtube.com/watch?v=3_vVB9u-07I Яркий пример такого эффекта.
  • Интерактивный фонтан стробоскопа - позволяет регулировать частоту стробоскопа для управления видимым движением падающих капель.
  • Ютака Нишияма (2012), «Математика фанатов» (PDF), Международный журнал чистой и прикладной математики, 78 (5): 669–678.