Стробоскоп эффектісі: үздіксіз қозғалыстың қате көрсетілуі. Дөңгелектер кері айналуы, су тамшыларының тоқтағандай көрінуі – бұл эффектінің мысалдары. 🔍✨
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Көрнекі құбылыс
Visual phenomenon
Стробоскопиялық эффект – үздіксіз айналу немесе басқа циклдік қозғалыстың қозғалыс периодына жақын үлгі алу жиілігінде қысқа немесе жедел алынған үлгілер тізбегімен (үздіксіз көрініске қарағанда) бейнелеген кезде туындайтын алиасинг салдарынан пайда болатын визуалды құбылыс. Ол "арба дөңгелегі әсеріне" себеп болады, себебі бейнеде спицалы дөңгелектер (мысалы, атқа жегілген арбаларда) кейде кері бұрылып айналып тұрғандай көрінеді. Стробофонтан – бұл су тамшыларының белгілі бір интервалмен түсіп, строб жарығымен жарықтандырылатын ағыны, бұл айналмалы емес циклдік қозғалысқа стробоскопиялық эффектінің қолданылуының мысалы. Қалыпты жарықта қарағанда, бұл қарапайым су бұлағы. Строб жарығымен қарағанда, оның жиілігі тамшылардың түсу жылдамдығымен сәйкес келгенде, тамшылар ауада тоқтағандай көрінеді. Строб жиілігін реттеу тамшыларды баяу жоғары немесе төмен жылжытқандай сезім тудырады. Анимация, фильм және басқа да қозғалысты бейнелейтін туындылардың теориясының негізі – стробоскопиялық принциптер және олардың қозғалыс иллюзиясын жасау мүмкіндігі. Симон Штампфер 1833 жылы өзінің стробоскопиялық Шейбен (әлдеқайда белгілі "фенекистископ" деп аталатын) патенттік өтінішінде осы терминнің авторы ретінде, қозғалыс иллюзиясы жарықтың байқалмайтын, үнемі және өте қысқа үзілістері кезінде бір суреттің ұқсас, бірақ сәл өзгеше орналасқан суретпен алмастырылуы арқылы қалай пайда болатынын түсіндірді. Кез келген суреттер тізбегін кез келген бағыттағы қозғалысты көрсету үшін өзгертуге болады.
The stroboscopic effect is a visual phenomenon caused by aliasing that occurs when continuous rotational or other cyclic motion is represented by a series of short or instantaneous samples (as opposed to a continuous view) at a sampling rate close to the period of the motion. It accounts for the "wagon wheel effect", so called because in video, spoked wheels (such as on horse drawn wagons) sometimes appear to be turning backwards. A strobe fountain, a stream of water droplets falling at regular intervals lit with a strobe light, is an example of the stroboscopic effect being applied to a cyclic motion that is not rotational. When viewed under normal light, this is a normal water fountain. When viewed under a strobe light with its frequency tuned to the rate at which the droplets fall, the droplets appear to be suspended in mid air. Adjusting the strobe frequency can make the droplets seemingly move slowly up or down. Stroboscopic principles, and their ability to create an illusion of motion, underlie the theory behind animation, film, and other moving pictures. Simon Stampfer, who coined the term in his 1833 patent application for his stroboscopische Scheiben (better known as the "phenakistiscope"), explained how the illusion of motion occurs when during unnoticed regular and very short interruptions of light, one figure gets replaced by a similar figure in a slightly different position. Any series of figures can thus be manipulated to show movements in any desired direction.
Түсіндірме
Механикалық талдау кезінде қолданылатын стробоскопты қарастырайық. Бұл реттелетін жылдамдықпен іске қосылатын "стробтық жарық" болуы мүмкін. Мысалы, бір нысан секундына 60 айналыммен айналады: егер оны секундына 60 рет қысқа жарқыраулар сериясымен қараса, әрбір жарқырау нысанды айналу циклында бірдей позицияда жарықтандырады, сондықтан нысан тұрғандай көрінеді. Сонымен қатар, секундына 60 рет жарық беретін көздің инерциясы жарқыраулардың тізбегін тегістеп, суретті үздіксіз етеді. Егер сол айналып жатқан нысанды секундына 61 рет қараса, әрбір жарқырау оны айналу циклының сәл ертерек бөлігінде жарықтандырады. Нысан қайтадан сол позицияда көрінгенге дейін алпыс бір жарқырау пайда болады, ал суреттер тізбесі ол секундқа бір рет кері айналғандай қабылданады. Егер нысанды секундына 59 жарқыраумен қараса, дәл осындай эффект болады, бірақ әрбір жарқырау оны айналу циклында сәл кейінірек жарықтандырады, сондықтан нысан алға айналғандай көрінеді. Бұл әдісті әлемнің көптеген елдерінің электр тарату желілеріне тән 50 Гц жиілігімен де қолдануға болады. Кинодағы оқиғалар жылдам түсірілген тұрақты суреттер тізбесі ретінде сақталады, және осындай стробоскоптық эффект пайда болуы мүмкін.
Consider the stroboscope as used in mechanical analysis. This may be a "strobe light" that is fired at an adjustable rate. For example, an object is rotating at 60 revolutions per second: if it is viewed with a series of short flashes at 60 times per second, each flash illuminates the object at the same position in its rotational cycle, so it appears that the object is stationary. Furthermore, at a frequency of 60 flashes per second, persistence of vision smooths out the sequence of flashes so that the perceived image is continuous. If the same rotating object is viewed at 61 flashes per second, each flash will illuminate it at a slightly earlier part of its rotational cycle. Sixty one flashes will occur before the object is seen in the same position again, and the series of images will be perceived as if it is rotating backwards once per second. The same effect occurs if the object is viewed at 59 flashes per second, except that each flash illuminates it a little later in its rotational cycle and so, the object will seem to be rotating forwards. The same could be applied at other frequencies like the 50 Hz characteristic of electric distribution grids of most of countries in the world. In the case of motion pictures, action is captured as a rapid series of still images and the same stroboscopic effect can occur.
Жарық үлгілерінен аудионы түрлендіру
Стробоскопиялық эффект аудио көшіруде де маңызды рөл атқарады. Шағын дискілер (компакт-дискілер) өңделуі үшін дискінің бетінен лазер сәулесінің аралық шағылыстарын пайдаланады (бұл әдіс компьютерлік деректерді өңдеу үшін де қолданылады). DVD және Blu-ray дискілерінде де ұқсас принцип жұмыс істейді. Стробоскопиялық эффект лазерлік микрофондардың жұмысында да қолданылады.
The stroboscopic effect also plays a role in audio playback. Compact discs rely on strobing reflections of the laser from the surface of the disc in order to be processed (it is also used for computer data). DVDs and Blu ray Discs have similar functions. The stroboscopic effect also plays a role for laser microphones.
Вагонның дөңгелек эффектісі
Кинокамералар әдетте секундына 24 кадрмен түсіріледі. Көліктің дөңгелектері секундына 24 айналым жасамайды (өйткені бұл тым жылдам болар еді), бірақ әрбір дөңгелектің 12 спицасы бар екенін және олар секундына екі айналым ғана жасайтынын көріңіз. Секундына 24 кадрмен түсірілгенде, әрбір кадрдағы спицалар бірдей күйде болады. Сондықтан, дөңгелек қозғалмайтын сияқты көрінеді. Шындығында, әрбір кадрдағы фотоға түсірілген спица нақты спицаның басқасы болады, бірақ спицалардың пішіні мен түсі шамалы ерекшесе, ешқандай айырмашылық байқалмайды. Осылайша, дөңгелектің секундына айналу саны 24 пен 12-ге бөлінетін болса, дөңгелек тұрғандай көрінеді. Егер дөңгелек секундына екі айналымнан сәл баяу айналса, спицалардың орны әрбір кезекті кадрда сәл артқа жылғады және дөңгелек кері айналып тұрғандай көрінеді.
Motion picture cameras conventionally film at 24 frames per second. Although the wheels of a vehicle are not likely to be turning at 24 revolutions per second (as that would be extremely fast), suppose each wheel has 12 spokes and rotates at only two revolutions per second. Filmed at 24 frames per second, the spokes in each frame will appear in exactly the same position. Hence, the wheel will be perceived to be stationary. In fact, each photographically captured spoke in any one position will be a different actual spoke in each successive frame, but since the spokes are close to identical in shape and color, no difference will be perceived. Thus, as long as the number of times the wheel rotates per second is a factor of 24 and 12, the wheel will appear to be stationary. If the wheel rotates a little more slowly than two revolutions per second, the position of the spokes is seen to fall a little further behind in each successive frame and therefore, the wheel will seem to be turning backwards.
Жалпы жарықтандырудағы жағымсыз әсерлер
Стробоскопиялық эффект – нақты уақытша жарық құбылысының бірі. Көбінесе жарықтандыруда, стробоскопиялық эффект – адам уақыт бойынша өзгертілген жарық көзімен жарықтандырылған қозғалатын немесе айналатын нысанды қарағанда байқалатын қажетсіз құбылыс. Уақытша жарық модуляциясы жарық көзінің өзінің құбылуынан немесе кейбір тұнғышталған немесе жарық деңгейін реттеу технологияларын қолданудан туындауы мүмкін. Жарық модуляцияларының тағы бір себебі – сүзгісіз импульстық енді модуляциялы сыртқы диммерлері бар шамдар болуы мүмкін. Мұны айналатын фиджет спиннермен тексеруге болады.
Stroboscopic effect is one of the particular temporal light artefacts. In common lighting applications, the stroboscopic effect is an unwanted effect which may become visible if a person is looking at a moving or rotating object which is illuminated by a time modulated light source. The temporal light modulation may come from fluctuations of the light source itself or may be due to the application of certain dimming or light level regulation technologies. Another cause of light modulations may be lamps with unfiltered pulse width modulation type external dimmers. Whether this is so may be tested with a rotating fidget spinner.
Әсерлер
Түрлі ғылыми комитеттер уақытша жарық модуляцияларының (ТЛМ), оның ішінде стробоскопиялық эффектінің салдарынан туындайтын денсаулық, өнімділік және қауіпсіздікке қатысты әлеуетті аспектілерді бағалады. Жағымсыз әсерлерге әдеттегі жарықтандыру қолданылатын жерлерде ыңғайсыздық, тапсырма орындаудың нашарлауы, көздің шаршауы және бас ауруы жатады. Стробоскопиялық эффектінің көріну қасиеттері CIE техникалық ескертуінде, қараңыз CIE TN 006:2016, және Перцтің диссертациясында келтірілген. Стробоскопиялық эффектілер жылдам қозғалатын немесе айналатын механизмдері бар жұмыс орындарында қауіпті жағдайларға алып келуі мүмкін. Егер жылдам айналатын механизмдердің немесе жылжымалы бөліктердің жиілігі жарық модуляциясының жиілігімен немесе оның еселіктерімен сәйкес келсе, механизмдер тоқтаған сияқты көрінуі немесе басқа жылдамдықпен қозғалып жатқандай сезім тууы мүмкін, бұл қауіпті жағдайға соқтыруы мүмкін. Айналатын объектілерде байқалатын стробоскопиялық эффектілер «вагон доңғалағы эффектісі» деп те аталады. Жалпы, жарық интенсивтілігінің өзгеруінен туындаған және адамның визуалды қабылдауындағы жағымсыз әсерлер уақытша жарық артефактілері (TLA) деп аталады. Стробоскопиялық эффектіні қоса алғанда, әртүрлі TLA құбылыстары туралы қосымша ақпарат пен түсіндірмелер «Барлығы тек жалтырау ғана ма?» деген тақырыптағы жазылған вебинарда берілген. Кейбір арнайы қолдануларда ТЛМ қажетті эффектілерді де тудыруы мүмкін. Мысалы, стробоскоп – бұл қозғалыс жиілігін өлшеуге немесе қозғалатын объектілерді талдауға немесе олардың уақытын анықтауға қолданылатын қысқа, қайталамалы жарық импульстарын шығаратын құрал. Сонымен қатар, стробоскопиялық көру жаттығулары (СВТ) – бұл спортшылардың көру және қабылдау қабілеттерін жақсартуға бағытталған жаңа құрал, олар модульденген жарық немесе үзілісті көру жағдайында жаттығулар орындайды.
Various scientific committees have assessed the potential health, performance and safety related aspects resulting from temporal light modulations (TLMs) including stroboscopic effect. Adverse effects in common lighting application areas include annoyance, reduced task performance, visual fatigue and headache. The visibility aspects of stroboscopic effect are given in a technical note of CIE, see CIE TN 006:2016 and in the thesis of Perz. Stroboscopic effects may also lead to unsafe situations in workplaces with fast moving or rotating machinery. If the frequency of fast rotating machinery or moving parts coincides with the frequency, or multiples of the frequency, of the light modulation, the machinery can appear to be stationary, or to move with another speed, potentially leading to hazardous situations. Stroboscopic effects that become visible in rotating objects are also referred to as the wagon wheel effect. In general, undesired effects in the visual perception of a human observer induced by light intensity fluctuations are called Temporal Light Artefacts (TLAs). Further background and explanations on the different TLA phenomena including stroboscopic effect is given in a recorded webinar “Is it all just flicker?”. In some special applications, TLMs may also induce desired effects. For instance, a stroboscope is tool that produces short repetitive flashes of light that can be used for measurement of movement frequencies or for analysis or timing of moving objects. Also stroboscopic visual training (SVT) is a recent tool aimed at improving visual and perceptual performance of sporters by executing activities under conditions of modulated lighting or intermittent vision.
Негізгі себептері
Жарық жабдықтары, мысалы, шамдар мен светильниктерден шығатын жарық, уақытқа қарай қасақана немесе қасақана емес түрде күшін өзгертуі мүмкін. Жарықтың қасақана өзгеруі ескерту, сигнал беру (мысалы, жол қозғалысы сигналдары, жыпылықтайтын авиациялық сигналдар), ойын-сауық (сахна жарығы сияқты) үшін қолданылады, мақсаты – адамдардың жыпылықтауды сезінуі. Әдетте, жарықтандыру жабдықтарының жарық шығаруында, электр желісіне қосылу түріне және жарықтандыру жабдықтарының технологиясына байланысты, қалдық қасақана жарық деңгейінің модуляциясы болуы мүмкін. Мысалы, бір фазалы желіге қосылған жарықтандыру жабдықтарында әдетте қалдық ТLM жиілігі желі жиілігінен екі есеге, яғни 100 немесе 120 Гц (елге байланысты) болады. ТLM-нің шамасы, пішіні, периоды және жиілігі жарық көзінің түрі, электр желісінің жиілігі, драйвер немесе балласт технологиясы, қолданылатын жарық реттеу технологиясы (мысалы, импульс енінің модуляциясы) сияқты көптеген факторларға байланысты болады. Егер модуляция жиілігі жыпылықтау бірігу шегінен төмен болса және ТLM шамасы белгілі бір деңгейден асып кетсе, онда мұндай ТLM жыпылықтау ретінде қабылданады. Модуляция жиілігі жыпылықтау бірігу шегінен жоғары жарық модуляциясы тікелей байқалмайды, бірақ стробоскоптық эффект түріндегі иллюзиялар көрінуі мүмкін (мысалы, 1-суретті қараңыз). Жарықдиодтар (LED) өздігінен уақытша модуляцияларды тудырмайды, олар тек кіріс ток толқынын өте жақсы қайталайды, ал ток толқынындағы кез келген тербеліс, LED-тердің жылдам жауап беруіне байланысты, жарық тербелісі арқылы қайталанады; сондықтан, дәстүрлі жарықтандыру технологияларымен (көпірлі, люминесценттік) салыстырғанда, LED жарықтандыруда ТLA қасиеттерінде көбірек әртүрлілік байқалады. LED драйверлік схемаларының көптеген түрлері мен топологиялары қолданылады; қарапайым электроника және шектеулі немесе буферлік конденсаторлардың болмауы көбінесе үлкен қалдық ток тербелісіне және, демек, үлкен уақытша жарық модуляциясына әкеледі. Сырттан қолданылатын диммерлердің (үйлесімсіз диммерлердің) немесе ішкі жарық деңгейін реттегіштердің тоңазыту технологиялары стробоскоптық эффект деңгейіне қосымша әсер етуі мүмкін; уақытша жарық модуляциясының деңгейі әдетте жарық деңгейі төмендегенде артады. ЕСКЕРТУ – Уақытша жарық модуляциясының түпкі себебі көбінесе жыпылықтау деп аталады. Сондай-ақ, стробоскоптық эффект көбінесе жыпылықтау деп аталады. Дегенмен, жыпылықтау – бұл әдетте 80 Гц-тен төмен, салыстырмалы түрде төмен модуляция жиіліктеріндегі жарық модуляцияларының нәтижесінде пайда болатын тікелей көрінетін эффект, ал стробоскоптық эффект тұрмыстық қолданбаларда, егер жарық модуляциясы модуляция жиіліктерінде болса, әдетте 80 Гц-тен жоғары, көрінуі мүмкін.
Light emitted from lighting equipment such as luminaires and lamps may vary in strength as function of time, either intentionally or unintentionally. Intentional light variations are applied for warning, signalling (e. g. traffic light signalling, flashing aviation light signals), entertainment (like stage lighting) with the purpose that flicker is perceived by people. Generally, the light output of lighting equipment may also have residual unintentional light level modulations due to the lighting equipment technology in connection with the type of electrical mains connection. For example, lighting equipment connected to a single phase mains supply will typically have residual TLMs of twice the mains frequency, either at 100 or 120 Hz (depending on country). The magnitude, shape, periodicity and frequency of the TLMs will depend on many factors such as the type of light source, the electrical mains supply frequency, the driver or ballast technology and type of light regulation technology applied (e. g. pulse width modulation). If the modulation frequency is below the flicker fusion threshold and if the magnitude of the TLM exceeds a certain level, then such TLMs are perceived as flicker. Light modulations with modulation frequencies beyond the flicker fusion threshold are not directly perceived, but illusions in the form of stroboscopic effect may become visible (example see Figure 1). LEDs do not intrinsically produce temporal modulations; they just reproduce the input current waveform very well, and any ripple in the current waveform is reproduced by a light ripple because LEDs have a fast response; therefore, compared to conventional lighting technologies (incandescent, fluorescent), for LED lighting more variety in the TLA properties is seen. Many types and topologies of LED driver circuits are applied; simpler electronics and limited or no buffer capacitors often result in larger residual current ripple and thus larger temporal light modulation. Dimming technologies of either externally applied dimmers (incompatible dimmers) or internal light level regulators may have additional impact on the level of stroboscopic effect; the level of temporal light modulation generally increases at lower light levels. NOTE – The root cause temporal light modulation is often referred to as flicker. Also, stroboscopic effect is often referred to as flicker. Flicker is however a directly visible effect resulting from light modulations at relatively low modulation frequencies, typically below 80 Hz, whereas stroboscopic effect in common (residential) applications may become visible if light modulations are present with modulation frequencies, typically above 80 Hz.
Жеңілдіктер
Жалпы, жағымсыз стробоскопиялық эффектті ТЛМ деңгейін төмендету арқылы болдырмауға болады. Жарық көздерінің ТЛМ-ін азайту үшін жарық беру жабдықтарын жобалау әдетте өнімнің басқа қасиеттерімен саудаласуды білдіреді және көбінесе құн мен өлшемді арттырады, қызмет мерзімін қысқартады немесе энергия тиімділігін төмендетеді. Мысалы, LED-ті басқару тогының модуляциясын азайту, бұл TLA-ның көрінуін де азайтады, электролиттік конденсатор сияқты үлкен сыйымдылық конденсаторын қажет етеді. Дегенмен, мұндай конденсаторларды пайдалану LED-тің қызмет мерзімін айтарлықтай қысқартады, себебі олардың барлық компоненттердің арасында ең жоғары бұзылу деңгейіне ие екені анықталды. TLA көрінуін төмендетудің тағы бір жолы – басқару тогының жиілігін арттыру, бірақ бұл жүйенің тиімділігін төмендетеді және оның жалпы өлшемін ұлғайтады.
Generally, undesirable stroboscopic effect can be avoided by reducing the level of TLMs. Design of lighting equipment to reduce the TLMs of the light sources is typically a tradeoff for other product properties and generally increases cost and size, shortens lifetime or lowers energy efficiency. For instance, to reduce the modulation in the current to drive LEDs, which also reduces the visibility of TLAs, a large storage capacitor, such as electrolytic capacitor, is required. However, use of such capacitors significantly shortens the lifetime of the LED, as they are found to have the highest failure rate among all components. Another solution to lower the visibility of TLAs is to increase the frequency of the driving current, however this decreases the efficiency of the system and it increases its overall size.
Matlab құралдар қорабы
Matlab-тың стробоскопиялық эффектінің көрінуін өлшеуге арналған құралдар жинағы, оның ішінде SVM есептеуге арналған функция және бірнеше қолдану мысалдары Mathworks қауымдастығы арқылы Matlab Central-де қолжетімді.
A Matlab stroboscopic effect visibility measure toolbox including a function for calculating SVM and some application examples are available on the Matlab Central via the Mathworks Community.
Қабылдау критерийлері
Егер SVM мәні біреуге тең болса, жарық толқын формасының кіріс модуляциясы көзбен шамалы байқалатын, яғни көріну шегіндегі стробоскопиялық эффектіні тудырады. Бұл, әр түрлі қолданыстарда қабылдау критерийлерін анықтауға көмектеседі.
If the value of SVM equals one, the input modulation of the light waveform produces a stroboscopic effect that is just visible, i. e. at the visibility threshold. amongst others gives guidance for acceptance criteria in different applications.
Сынау және өлшеу қолданбалары
3-суретте стробоскоптық эффектіні тексеруге арналған әдеттегі сынақ құрылғысы көрсетілген. Стробоскоптық эффектінің көрінуін өлшеуіш түрлі мақсаттар үшін қолданылуы мүмкін (IEC TR 63158 немесе тұрақты токпен жарықтандыруды қараңыз).
A typical test setup for stroboscopic effect testing is shown in Figure 3. The stroboscopic effect visibility meter can be applied for different purposes (see IEC TR 63158 or direct current lighting.