Стробоскопический эффект

В зависимости от частоты вспышек элемент выглядит неподвижным или вращающимся в обратном направлении.

Стробоскопический эффект — это визуальное явление , вызванное наложением спектров , которое возникает, когда непрерывное вращательное или другое циклическое движение представлено серией коротких или мгновенных выборок (в отличие от непрерывного изображения) с частотой дискретизации, близкой к периоду движения. Это объясняет « эффект колеса повозки », названный так потому, что на видео колеса со спицами (например, на конных повозках) иногда кажутся вращающимися назад.

Стробоскопический фонтан, поток капель воды, падающий через равные промежутки времени, освещенный стробоскопическим светом , является примером стробоскопического эффекта, применяемого к циклическому движению, которое не является вращательным. Если смотреть при обычном освещении, это обычный фонтан. Если смотреть под стробоскопическим светом, частота которого настроена на скорость падения капель, кажется, что капли подвешены в воздухе. Регулировка частоты стробирования может привести к тому, что капли начнут медленно двигаться вверх или вниз.

Стробоскопические принципы и их способность создавать иллюзию движения лежат в основе теории анимации , кино и других движущихся изображений.

Саймон Стампфер , который ввел этот термин в своей заявке на патент 1833 года для своего стробоскопического шайбена (более известного как « фенакистископ »), объяснил, как возникает иллюзия движения, когда во время незамеченных регулярных и очень коротких перерывов света одна фигура заменяется другой. аналогичная фигура в несколько ином положении. Таким образом, любой серией фигур можно манипулировать, чтобы показать движения в любом желаемом направлении. ^{[ 1 ]}

Объяснение

Рассмотрим стробоскоп , используемый в механическом анализе. Это может быть « стробоскоп », который включается с регулируемой скоростью. Например, объект вращается со скоростью 60 оборотов в секунду: если на него смотреть серией коротких вспышек с частотой 60 раз в секунду, каждая вспышка освещает объект в одной и той же позиции в его цикле вращения, поэтому создается впечатление, что объект вращается со скоростью 60 оборотов в секунду. стационарный. Кроме того, при частоте 60 вспышек в секунду инерционность зрения сглаживает последовательность вспышек, так что воспринимаемое изображение становится непрерывным.

Если один и тот же вращающийся объект рассматривается с частотой 61 вспышка в секунду, каждая вспышка будет освещать его в несколько более ранней части цикла вращения. Прежде чем объект снова будет виден в том же положении, произойдет шестьдесят одна вспышка, и серия изображений будет восприниматься так, как будто он вращается назад один раз в секунду.

Тот же эффект происходит, если объект рассматривается со скоростью 59 вспышек в секунду, за исключением того, что каждая вспышка освещает его немного позже в цикле вращения, и поэтому создается впечатление, что объект вращается вперед.

То же самое можно применить и к другим частотам, таким как 50 Гц, характерным для электрических распределительных сетей большинства стран мира.

В случае с движущимися изображениями действие фиксируется как быстрая серия неподвижных изображений, и может возникнуть тот же стробоскопический эффект.

Преобразование звука из световых паттернов

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

Стробоскопический эффект также играет роль для лазерных микрофонов .

Эффект колеса телеги

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 находиться в одном и том же положении. Следовательно, колесо будет восприниматься как неподвижное. Фактически, каждая спица, запечатленная на фотографии, в любом положении будет отличаться от реальной спицы в каждом последующем кадре, но поскольку спицы почти идентичны по форме и цвету, никакой разницы не будет заметно. Таким образом, пока число оборотов колеса в секунду составляет 24 и 12, колесо будет казаться неподвижным.

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

Нежелательные эффекты при обычном освещении

Стробоскопический эффект – один из особых временных световых артефактов . В обычных осветительных устройствах стробоскопический эффект представляет собой нежелательный эффект, который может стать видимым, если человек смотрит на движущийся или вращающийся объект, освещенный модулированным во времени источником света. Временная модуляция света может возникать из-за колебаний самого источника света или из-за применения определенных технологий затемнения или регулирования уровня освещенности. Другой причиной модуляции света могут быть лампы с нефильтрованными внешними диммерами ШИМ . Так ли это, можно проверить с помощью вращающегося спиннера .

Эффекты

Различные научные комитеты оценили потенциальные аспекты, связанные с здоровьем, производительностью и безопасностью, возникающие в результате временных модуляций света (TLM), включая стробоскопический эффект. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Побочные эффекты в обычных областях применения освещения включают раздражение, снижение производительности задач, зрительное утомление и головную боль. Аспекты видимости стробоскопического эффекта приведены в технической записке CIE , см. CIE TN 006:2016. ^{[ 5 ]} и в диссертации Перца. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Стробоскопические эффекты также могут привести к возникновению небезопасных ситуаций на рабочих местах с быстро движущимся или вращающимся оборудованием. Если частота быстро вращающихся механизмов или движущихся частей совпадает с частотой или кратной частоте световой модуляции, оборудование может казаться неподвижным или двигаться с другой скоростью, что потенциально может привести к опасным ситуациям . Стробоскопические эффекты, которые становятся видимыми во вращающихся объектах, также называются эффектом колеса телеги .

В общем, нежелательные эффекты в зрительном восприятии человека-наблюдателя, вызванные колебаниями интенсивности света, называются временными световыми артефактами (ВЛА). Дополнительная информация и объяснения различных явлений TLA, включая стробоскопический эффект, приведены в записанном вебинаре « Это все просто мерцание?» ». ^{[ 8 ]}

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 движения движущихся объектов. Кроме того, стробоскопическая зрительная тренировка (СВТ) представляет собой новый инструмент, направленный на улучшение зрительных и перцептивных характеристик спортсменов путем выполнения действий в условиях модулированного освещения или прерывистого зрения. ^{[ 9 ]}

Коренные причины

Свет, излучаемый осветительным оборудованием, таким как светильники и лампы, может изменяться по силе в зависимости от времени, намеренно или непреднамеренно. Преднамеренные изменения света применяются для предупреждения, сигнализации (например, светофорная сигнализация , мигающие авиационные световые сигналы), развлечения (например, освещение сцены ) с целью восприятия людьми мерцания. Как правило, светоотдача осветительного оборудования может также иметь остаточные непреднамеренные модуляции уровня освещенности из-за технологии осветительного оборудования в зависимости от типа подключения к электрической сети. Например, осветительное оборудование, подключенное к однофазной сети, обычно имеет остаточные значения TLM, в два раза превышающие частоту сети, либо 100, либо 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 мерцаний и если величина ТЛМ превышает определенный уровень, то такие ТЛМ воспринимаются как мерцания . Модуляции света с частотами модуляции, выходящим за порог слияния мельканий, непосредственно не воспринимаются, но могут стать видимыми иллюзии в виде стробоскопического эффекта (пример см. рисунок 1).

Светодиоды по своей сути не производят временных модуляций; они просто очень хорошо воспроизводят форму входного тока, и любая пульсация формы тока воспроизводится легкой пульсацией, поскольку светодиоды имеют быстрый отклик; поэтому по сравнению с традиционными технологиями освещения (лампы накаливания, люминесцентные лампы) для светодиодного освещения наблюдается большее разнообразие свойств ТЛА. многие типы и топологии схем драйверов светодиодов Применяются ; более простая электроника и ограниченное количество буферных конденсаторов или их отсутствие часто приводят к большей пульсации остаточного тока и, следовательно, к большей временной модуляции света.

Технологии регулирования яркости либо внешних диммеров (несовместимые диммеры), либо внутренних регуляторов 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 представляет собой непосредственно видимый эффект, возникающий в результате модуляции света на относительно низких частотах модуляции, обычно ниже 80 Гц, тогда как стробоскопический эффект в обычных (жилых) применениях может стать видимым, если присутствуют модуляции света с частотами модуляции, обычно выше 80 Гц.

смягчение последствий

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

Разработка осветительного оборудования для уменьшения TLM источников света обычно является компромиссом для других свойств продукта и обычно 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, например электролитический конденсатор. Однако использование таких конденсаторов значительно сокращает срок службы светодиода, поскольку обнаружено, что у них самая высокая частота отказов среди всех компонентов. Еще одним решением снижения заметности TLA является увеличение частоты управляющего тока, однако это снижает эффективность системы и увеличивает ее габариты.

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;
Наблюдается скорость движения движущихся объектов;
Физиологические факторы, такие как возраст и усталость.

Все величины влияния, 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 создавать люди), на основе исследований восприятия была получена кривая средней чувствительности. ^{[ 6 ]}^{[ 10 ]} Кривая средней чувствительности для синусоидальных модулированных световых сигналов, также называемая пороговой функцией контраста стробоскопического эффекта, в зависимости от частоты f выглядит следующим образом:

T(f)=2.865\times 10^{-5}\times f^{1.543}+0.225

Пороговая функция контраста изображена на рисунке 2. Стробоскопический эффект становится видимым, если частота модуляции TLM находится в диапазоне примерно от 10 Гц до 2000 Гц и если величина TLM превышает определенный уровень. Пороговая функция контраста показывает, что на частотах модуляции около 100 Гц стробоскопический эффект будет виден при относительно низких величинах модуляции. Хотя стробоскопический эффект теоретически виден и в диапазоне частот ниже 100 Гц, на практике видимость мерцания будет доминировать над стробоскопическим эффектом в диапазоне частот до 60 Гц. Более того, на практике вряд ли возникнут намеренно повторяющиеся TLM больших величин с частотами ниже 100 Гц, 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. ^{[ 5 ]} и в записи вебинара « Это все просто мерцание?» ». ^{[ 8 ]}

Объективная оценка стробоскопического эффекта

Измеритель видимости со стробоскопическим эффектом

Для объективной оценки стробоскопического эффекта мера видимости стробоскопического эффекта (МВМ). разработана ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 10 ]} Спецификация измерителя видимости стробоскопического эффекта и метод испытаний для объективной оценки осветительного оборудования опубликованы в техническом отчете IEC IEC TR 63158. ^{[ 11 ]} SVM рассчитывается по следующей формуле суммирования:

SVM={\sqrt[{3.7}]{\textstyle \sum _{m=1}^{\infty }\displaystyle \left({\frac {C_{m}}{T_{m}}}\right)^{3.7}}},

где C _m - относительная амплитуда m-й фурье-компоненты (представление тригонометрическим рядом 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 освещенности в помещении (> 100 лк) и умеренными движениями наблюдателя или близлежащего объекта, с которым обращаются ( < 4 м/с). Для оценки нежелательных стробоскопических эффектов в других приложениях, таких как, например, неправильное восприятие быстро вращающихся или движущихся механизмов в мастерской, могут потребоваться другие показатели и методы, или оценка может проводиться путем субъективного тестирования (наблюдения).

ПРИМЕЧАНИЕ. – Для определения характеристик стробоскопического эффекта осветительного оборудования применяются несколько альтернативных показателей, таких как глубина модуляции, процент мерцания или индекс мерцания. Ни один из этих показателей не подходит для прогнозирования фактического человеческого восприятия, поскольку на человеческое восприятие влияют глубина модуляции, частота модуляции, форма волны и, если применимо, рабочий цикл TLM.

Набор инструментов Матлаба

Набор инструментов для измерения видимости стробоскопического эффекта Matlab , включающий функцию расчета SVM , а также некоторые примеры приложений доступны в Matlab Central через сообщество Mathworks. ^{[ 12 ]}

Критерий приемки

Если значение SVM равно единице, входная модуляция светового сигнала создает стробоскопический эффект, который едва виден, т.е. на пороге видимости. ^{[ 5 ]} Это означает, что среднестатистический наблюдатель сможет обнаружить артефакт с вероятностью 50%. Если значение меры заметности больше единицы, эффект имеет вероятность обнаружения более 50%. Если значение меры заметности меньше единицы, вероятность обнаружения составляет менее 50%. Эти пороги видимости показывают среднее обнаружение среднестатистического человека-наблюдателя в популяции. Однако это не гарантирует приемлемости. Для некоторых менее важных приложений уровень приемлемости артефакта может значительно превышать порог видимости. Для других приложений приемлемые уровни могут быть ниже порога видимости. НЕМА 77-2017 ^{[ 13 ]} среди прочего дает рекомендации по критериям приемки в различных приложениях.

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). ^{[ 11 ]}):

Измерение собственных стробоскопических характеристик осветительного оборудования при питании стабильным сетевым напряжением;
Тестирование эффекта регулирования освещенности осветительного оборудования или эффекта внешнего диммера (совместимость диммера).

Публикации организаций по разработке стандартов

CIE TN 006:2016: вводит термины, определения, методологии и меры количественного определения TLA, включая стробоскопический эффект. ^{[ 5 ]}
IEC TR 63158:2018: включает спецификации и методы проверки измерителя видимости со стробоскопическим эффектом, а также процедуры испытаний на совместимость диммеров. ^{[ 11 ]}
НЕМА 77-2017: ^{[ 13 ]} среди прочего, методы испытаний на мерцание и рекомендации по критериям приемки.

Опасности на рабочих местах

Стробоскопический эффект может привести к возникновению небезопасных ситуаций на рабочих местах с быстродвижущимися или вращающимися машинами . Если частота быстро вращающихся механизмов или движущихся частей совпадает с частотой или кратной частоте световой модуляции, оборудование может казаться неподвижным или двигаться с другой скоростью, что потенциально может привести к опасным ситуациям. ^{[ нужна ссылка ]}

Из-за иллюзии, которую может создать стробоскопический эффект движущихся механизмов, рекомендуется избегать однофазного освещения. Например, завод, который освещается от однофазной сети с базовым освещением, будет иметь частоту мерцания 100 или 120 Гц (в зависимости от страны, 50 Гц x 2 в Европе, 60 Гц x 2 в США, что вдвое превышает номинальную частоту). Таким образом, любое оборудование, вращающееся с частотой, кратной 50 или 60 Гц (3000–3600 об/мин), может выглядеть не вращающимся, что увеличивает риск травмирования оператора. Решения включают в себя подключение освещения к полному трехфазному источнику питания или использование высокочастотных контроллеров, которые управляют освещением на более безопасных частотах. ^{[ 14 ]} или освещение постоянным током. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Штампфер, Саймон (1833). стробоскопические диски; или «Оптические магические диски: их теория и научное применение, объясненное изобретателем» [ Стробоскопические диски; или оптические волшебные диски: его теория и научное применение, объясненное изобретателем ] (на немецком языке). Вена и Лейпциг: Тренценский и Вьюег. п. 2.
^ Стандарт IEEE 1789:2015, Рекомендуемые IEEE методы регулирования тока в светодиодах высокой яркости для снижения риска для здоровья зрителей. ( связь)
^ SCENIHR (Научный комитет по возникающим и вновь выявленным рискам для здоровья), Влияние искусственного света на здоровье , 19 марта 2012 г. ( ISBN 978-92-79-26314-9 ).
^ SCHEER (Научный комитет ЕС по вопросам здоровья, окружающей среды и возникающим рискам), Заключительное заключение о потенциальных рисках для здоровья человека, связанных со светоизлучающими диодами (светодиодами) , июнь 2018 г. (ссылка) .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и CIE TN 006:2016, Визуальные аспекты систем освещения с модуляцией времени. Определения и модели измерения. (pdf)
^ Jump up to: ^а ^б ^с М. Перц, Моделирование видимости временных световых артефактов , диссертация Технологического университета Эйндховена, 02.05.2019 ( ISBN 978-90-386-4681-7 ) [2]
^ TU/e News, Стробоскопическая мера видимости – понимание того, как люди испытывают колебания светодиодного света, 1 февраля 2019 г. ссылка
^ Jump up to: ^а ^б Секуловский Д., Запись вебинара « Это все просто мерцание?» ) (Ютуб
^ Люк Уилкинс, Карл Нельсон, Саймон Тведдл, Стробоскопическая визуальная тренировка: пилотное исследование с тремя элитными молодыми футбольными голкиперами, J Cogn Enhanc (2018) 2: 3–11, DOI 10.1007/s41465-017-0038-z
^ Jump up to: ^а ^б МАЛГОРЗАТА ПЕРЦ, ДРАГАН СЕКУЛОВСКИ, ИНГРИД ФОГЕЛЬС И ИНГРИД ХЕЙНДЕРИКС, Стробоскопический эффект: пороговая функция контраста и зависимость от уровня освещенности, Vol. 35, № 2 / февраль 2018 г. / Журнал Оптического общества Америки A, стр. 309.
^ Jump up to: ^а ^б ^с IEC TR 63158:2018 + COR 1, Оборудование для общего освещения. Метод объективных испытаний на стробоскопические эффекты осветительного оборудования, 19 марта 2018 г.
^ Набор инструментов для измерения видимости стробоскопического эффекта Matlab Central.
^ Jump up to: ^а ^б NEMA 77-2017: Временные световые артефакты: методы испытаний и рекомендации по критериям приемки . (связь)
^ Кроншоу, Джефф (осень 2008 г.), «Светильники и осветительные установки Раздела 559: обзор» , Вопросы проводки (28), IET: 4, заархивировано из оригинала 19 декабря 2016 г. , получено 20 сентября 2012 г.

Внешние ссылки

https://www.youtube.com/watch?v=3_vVB9u-07I Яркий пример этого эффекта.
Интерактивный стробоскоп – позволяет регулировать частоту стробоскопа, чтобы контролировать видимое движение падающих капель.
Ютака Нисияма (2012), «Математика фанатов» (PDF), Международный журнал чистой и прикладной математики, 78 (5): 669–678.

[Stampfer1833-1] Штампфер, Саймон (1833). стробоскопические диски; или «Оптические магические диски: их теория и научное применение, объясненное изобретателем» [ Стробоскопические диски; или оптические волшебные диски: его теория и научное применение, объясненное изобретателем ] (на немецком языке). Вена и Лейпциг: Тренценский и Вьюег. п. 2.

[2] Стандарт IEEE 1789:2015, Рекомендуемые IEEE методы регулирования тока в светодиодах высокой яркости для снижения риска для здоровья зрителей. ( связь)

[3] SCENIHR (Научный комитет по возникающим и вновь выявленным рискам для здоровья), Влияние искусственного света на здоровье , 19 марта 2012 г. ( ISBN 978-92-79-26314-9 ).

[4] SCHEER (Научный комитет ЕС по вопросам здоровья, окружающей среды и возникающим рискам), Заключительное заключение о потенциальных рисках для здоровья человека, связанных со светоизлучающими диодами (светодиодами) , июнь 2018 г. (ссылка) .

[:0-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и CIE TN 006:2016, Визуальные аспекты систем освещения с модуляцией времени. Определения и модели измерения. (pdf)

[:1-6] Jump up to: ^а ^б ^с М. Перц, Моделирование видимости временных световых артефактов , диссертация Технологического университета Эйндховена, 02.05.2019 ( ISBN 978-90-386-4681-7 ) [2]

[7] TU/e News, Стробоскопическая мера видимости – понимание того, как люди испытывают колебания светодиодного света, 1 февраля 2019 г. ссылка

[:2-8] Jump up to: ^а ^б Секуловский Д., Запись вебинара « Это все просто мерцание?» ) (Ютуб

[9] Люк Уилкинс, Карл Нельсон, Саймон Тведдл, Стробоскопическая визуальная тренировка: пилотное исследование с тремя элитными молодыми футбольными голкиперами, J Cogn Enhanc (2018) 2: 3–11, DOI 10.1007/s41465-017-0038-z

[:3-10] Jump up to: ^а ^б МАЛГОРЗАТА ПЕРЦ, ДРАГАН СЕКУЛОВСКИ, ИНГРИД ФОГЕЛЬС И ИНГРИД ХЕЙНДЕРИКС, Стробоскопический эффект: пороговая функция контраста и зависимость от уровня освещенности, Vol. 35, № 2 / февраль 2018 г. / Журнал Оптического общества Америки A, стр. 309.

[:4-11] Jump up to: ^а ^б ^с IEC TR 63158:2018 + COR 1, Оборудование для общего освещения. Метод объективных испытаний на стробоскопические эффекты осветительного оборудования, 19 марта 2018 г.

[12] Набор инструментов для измерения видимости стробоскопического эффекта Matlab Central.

[:5-13] Jump up to: ^а ^б NEMA 77-2017: Временные световые артефакты: методы испытаний и рекомендации по критериям приемки . (связь)

[14] Кроншоу, Джефф (осень 2008 г.), «Светильники и осветительные установки Раздела 559: обзор» , Вопросы проводки (28), IET: 4, заархивировано из оригинала 19 декабря 2016 г. , получено 20 сентября 2012 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]