Порог слияния мерцаний

Порог слияния мерцаний , также известный как критическая частота мерцаний или скорость слияния мерцаний , представляет собой частоту, при которой мерцающий свет кажется устойчивым среднестатистическому наблюдателю-человеку. Это концепция, изучаемая в науке о зрении , точнее в психофизике зрительного восприятия . Традиционный термин для «слияния мерцаний» — это « постоянство зрения », но он также используется для описания позитивных остаточных изображений или размытости изображения . Хотя мерцание можно обнаружить для многих форм сигналов, представляющих изменяющиеся во времени колебания интенсивности, его традиционно и наиболее легко изучают с точки зрения синусоидальной модуляции интенсивности.

Существует семь параметров, определяющих возможность обнаружения мерцания:

1. частота модуляции;
2. амплитуда или глубина модуляции (т. е. каково максимальное процентное снижение интенсивности освещения от ее пикового значения);
3. средняя (или максимальная — их можно преобразовать, если известна глубина модуляции) интенсивность освещения;
4. длина волны (или диапазон длин волн) освещения (этот параметр и интенсивность освещения можно объединить в один параметр для людей или других животных, для которых чувствительность палочек и колбочек известна как функция длины волны с использованием функции светового потока ) ;
5. положение на сетчатке, в котором происходит стимуляция (из-за различного распределения типов фоторецепторов в разных положениях);
6. степень адаптации к свету или темноте, т. е. продолжительность и интенсивность предшествующего воздействия фонового света, которая влияет как на чувствительность к интенсивности, так и на временное разрешение зрения;
7. физиологические факторы, такие как возраст и усталость.

Объяснение

Пока частота модуляции удерживается выше порога слияния, воспринимаемую интенсивность можно изменить, изменяя относительные периоды света и темноты. Можно продлить темные периоды и тем самым затемнить изображение; поэтому эффективная и средняя яркость равны. Это известно как закон Тэлбота-Плато . Как и все психофизические пороги , порог слияния мерцаний является статистической, а не абсолютной величиной. Существует диапазон частот, в пределах которого мерцание иногда видно, а иногда не видно, а пороговым значением является частота, при которой мерцание обнаруживается в 50% испытаний.

Различные точки зрительной системы имеют очень разную чувствительность к критической скорости слияния мерцаний (CFF); общая пороговая частота восприятия не может превышать самую медленную из них для данной амплитуды модуляции. Каждый тип клеток интегрирует сигналы по-разному. Например, фоторецепторные клетки-палочки , которые чрезвычайно чувствительны и способны обнаруживать одиночные фотоны, очень медлительны: постоянная времени у млекопитающих составляет около 200 мс. Колбочки , напротив, хотя и обладают гораздо меньшей чувствительностью к интенсивности, имеют гораздо лучшее временное разрешение, чем палочки. Как для палочковидного, так и для колбочкового зрения частота слияния увеличивается в зависимости от интенсивности освещения, пока не достигнет плато, соответствующего максимальному временному разрешению для каждого типа зрения. Максимальная частота слияния для палочковидного зрения достигает плато около 15 герц (Гц), тогда как колбочки достигают плато, наблюдаемого только при очень высокой интенсивности освещения, около 60 Гц.

Помимо увеличения средней интенсивности освещения, частота слияния также увеличивается с увеличением степени модуляции (представлено максимальное относительное уменьшение интенсивности света); для каждой частоты и средней освещенности существует характерный порог модуляции, ниже которого мерцание не может быть обнаружено, а для каждой глубины модуляции и средней освещенности существует характерный частотный порог. Эти значения изменяются в зависимости от длины волны освещения из-за зависимости чувствительности фоторецепторов от длины волны и из-за положения освещения внутри сетчатки из-за концентрации колбочек в центральных областях, включая ямку и макулу , а также доминирования палочек в периферических отделах сетчатки.

Технологические соображения

Частота кадров дисплея

Слияние мерцаний важно во всех технологиях представления движущихся изображений, почти все из которых зависят от представления быстрой последовательности статических изображений (например, кадров в кинофильме, телешоу или цифрового видеофайла ). Если частота кадров падает ниже порога слияния мерцаний для данных условий просмотра, наблюдатель будет заметен мерцание, а движения объектов на пленке будут казаться прерывистыми. Для целей представления движущихся изображений порог слияния человеческого мерцания обычно принимается в пределах 60–90 Гц, хотя в некоторых случаях он может быть на порядок выше. На практике фильмы со времен немого кино записываются со скоростью 24 кадра в секунду и воспроизводятся с прерыванием каждого кадра два или три раза для мерцания 48 или 72 Гц. Телевидение обычно имеет частоту 50 или 60 кадров или чересстрочных полей в секунду.

Порог слияния мерцания не предотвращает косвенное обнаружение высокой частоты кадров, такое как эффект фантомной матрицы или эффект колеса телеги , поскольку видимые человеком побочные эффекты конечной частоты кадров все еще наблюдались на экспериментальном дисплее с частотой 480 Гц.

Частота обновления дисплея

Основная статья: Мерцание (экран)

Дисплеи с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) обычно работали с частотой вертикальной развертки 60 Гц, как и контент SDTV , который они отображали, что приводило к заметному мерцанию. То же самое можно сказать и о других импульсных технологиях, таких как плазменные дисплеи . Некоторые системы могут увеличить частоту обновления до более высоких значений, таких как 72, 75, 100 или 120 Гц, чтобы облегчить эту проблему, хотя даже если более быстрое обновление является целым кратным частоты кадров исходного материала для устранения дрожания , без исходного материала с более высокой частотой кадров это вызывает восприятие дублирующихся изображений. Любое мерцание при использовании технологий выборки и удержания , таких как LCD или OLED , не связано с частотой обновления и гораздо менее заметно, а возникает из-за случайных конструктивных компромиссов, таких как флуоресцентная подсветка, затемнение ШИМ или временное сглаживание , которые устраняются на некоторых устройствах, которые вообще не мерцать. Из-за возникающего размытия изображения при движении, свойственного экранам выборки и удержания, в приложениях, где точное восприятие движения имеет приоритет над усталостью пользователя, правильный тип мерцания можно повторно ввести с помощью таких методов, как стробирование подсветки или вставка черной рамки.

Освещение

Мерцание также важно в сфере бытового освещения ( переменного тока ), где заметное мерцание может быть вызвано переменными электрическими нагрузками и, следовательно, может сильно мешать потребителям электроэнергии. Большинство поставщиков электроэнергии имеют максимальные пределы мерцания, которые они стараются соблюдать для внутренних потребителей.

Люминесцентные лампы , в которых используются обычные магнитные балласты, мерцают с удвоенной частотой питания. Электронные балласты не вызывают мерцания света, поскольку продолжительность люминофора превышает половину периода более высокой рабочей частоты 20 кГц. Мерцание 100–120 Гц, создаваемое магнитными балластами, связано с головными болями и утомлением глаз. На людей с высоким критическим порогом слияния мерцаний особенно влияет свет люминесцентных светильников с магнитными балластами: их альфа-волны ЭЭГ заметно ослабляются, и они выполняют офисные задачи с большей скоростью и меньшей точностью. С электронными балластами проблем не наблюдается. Обычные люди лучше читают, используя высокочастотные (20–60 кГц) электронные балласты, чем магнитные балласты. хотя эффект был небольшим, за исключением высокого коэффициента контрастности.

Мерцание люминесцентных ламп, даже с магнитными балластами, настолько быстрое, что вряд ли представляет опасность для людей, страдающих эпилепсией . Ранние исследования подозревали связь между мерцанием люминесцентных ламп с магнитными балластами и повторяющимися движениями у аутичных детей. Однако эти исследования имели проблемы с интерпретацией. и не были повторены.

Светодиодные лампы, как правило, не выигрывают от ослабления мерцания за счет стойкости люминофора, за исключением белых светодиодов. Мерцание на частотах до 2000 Гц (2 кГц) может восприниматься человеком во время саккад . и частоты выше 3000 Гц (3 кГц) были рекомендованы во избежание биологического воздействия на человека.

Визуальные явления

В некоторых случаях можно увидеть мерцание с частотой выше 2000 Гц (2 кГц) в случае высокоскоростных движений глаз ( саккад ) или движения объекта за счет эффекта «фантомной матрицы». Быстродвижущиеся мерцающие объекты, масштабирующиеся в поле зрения (либо за счет движения объекта, либо за счет движения глаз, например закатывания глаз), могут вызвать точечное или разноцветное размытие вместо непрерывного размытия, как если бы это были несколько объектов. Стробоскопы иногда используются, чтобы намеренно вызвать этот эффект. Некоторые специальные эффекты, такие как определенные виды электронных светящихся палочек, которые обычно можно увидеть на мероприятиях на открытом воздухе, в неподвижном состоянии выглядят сплошным цветом, но создают разноцветное или точечное размытие, когда ими машут в движении. Обычно это светящиеся палочки на основе светодиодов. Изменение рабочего цикла светодиода(ов) приводит к использованию меньшей мощности, в то время как свойства слияния мерцания оказывают прямое влияние на изменение яркости. При перемещении, если частота рабочего цикла управляемого светодиода(ов) ниже порога слияния мерцания, разница во времени между состоянием включения/выключения светодиода(ов) становится очевидной, а цвет(а) отображаются в виде равномерно расположенных точек. в периферийном зрении.

Связанным с этим явлением является эффект радуги , когда разные цвета отображаются в разных местах экрана для одного и того же объекта из-за быстрого движения.

Мерцание

Мерцание — это восприятие визуальных колебаний интенсивности и неустойчивости при наличии светового стимула, которое видит статичный наблюдатель в статической среде. Мерцание, видимое человеческому глазу, будет работать на частоте до 80 Гц.

Стробоскопический эффект

Стробоскопический эффект иногда используется для «остановки движения» или для изучения небольших различий в повторяющихся движениях. Стробоскопический эффект относится к явлению, которое возникает, когда происходит изменение восприятия движения, вызванное световым стимулом, который видит статичный наблюдатель в динамической среде. Стробоскопический эффект обычно возникает в диапазоне частот от 80 до 2000 Гц. хотя для определенного процента населения может выходить далеко за рамки 10 000 Гц.

Фантомный массив

Фантомный массив , также известный как эффект ореолов , возникает, когда происходит изменение восприятия формы и пространственного положения объектов. Явление вызывается световым раздражителем в сочетании с быстрыми движениями глаз (саккадами) наблюдателя в статической обстановке. Подобно стробоскопическому эффекту, фантомный эффект также будет возникать в аналогичных частотных диапазонах. Стрелка мыши — типичный пример эффекта фантомного массива.

Нечеловеческие виды

Порог слияния мерцаний также варьируется в зависимости от вида . Исследование критической частоты слияния у животных в 2014 году выявило самое низкое значение (6,7 Гц) у тростниковой жабы ( Bufo marinus ) и самое высокое значение (400 Гц) у черного огненного жука ( Melanophila acuminate ). Оценки для разных видов птиц варьируются от 40 Гц до 140 Гц, причем более высокие значения, как правило, связаны с более быстродвижущимися видами. У многих млекопитающих в сетчатке больше палочек, чем у людей, и вполне вероятно, что у них также будет более высокий порог слияния мельканий. Это было подтверждено на собаках.

Если некоторые животные воспринимают искусственное освещение как мерцающее, отталкивающий эффект может стать проблемой для благополучия и охраны животных. Однако животные, наиболее склонные к восприятию мерцания, как правило, относятся к дневным видам, активным при ярком свете и, следовательно, с наименьшей вероятностью подвергаются воздействию искусственного освещения вне неволи. Размер и скорость метаболизма являются двумя дополнительными факторами, связанными с изменением порогов слияния мельканий: мелкие животные с высокой скоростью метаболизма, как правило, имеют высокие значения.

См. также

• Эффект Брока-Зульцера
• Компьютеризированная система оценки CDR
• Частота кадров
• Стойкость зрения
• Частота обновления
• Анимация

Внешние ссылки

• Винклер, Роберт. «Фактор Flicker Fusion: почему мы не можем безопасно ездить на высокой скорости» . Архивировано из оригинала 5 декабря 2010 г., репост на личном сайте автора. {{cite web}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
• «Я понимаю, я знаю, что я хуже – комментирует» . Научные блоги – Фарингула . 9 ноября 2006 г. Архивировано из оригинала 30 декабря 2008 г. * Измеритель мерцания IEC (PDF)
• Фактор слияния мерцания Почему мы не можем безопасно ездить на высокой скорости
• Раздел Webvision.med.utah.edu, посвященный психофизике времени в зрении.

( Wayback Machine копии )