Введение
Зрительный феномен
Страбоскопический эффект – это визуальный феномен, вызванный алиасингом, возникающий, когда непрерывное вращательное или другое циклическое движение представляется серией коротких или мгновенных выборок (в отличие от непрерывного наблюдения) с частотой дискретизации, близкой к периоду движения. Он объясняет «эффект колеса повозки», названный так потому, что на видео колеса со спицами (например, на конных повозках) иногда кажутся вращающимися в обратном направлении. Стробофонтан – поток капель воды, падающих через регулярные интервалы и освещенный стробоскопическим светом, – это пример применения страбоскопического эффекта к циклическому движению, не являющемуся вращательным. При обычном освещении это обычный фонтан. При наблюдении под стробоскопическим светом, частота которого настроена на скорость падения капель, капли кажутся неподвижно висящими в воздухе. Изменяя частоту стробоскопа, можно заставить капли казаться медленно движущимися вверх или вниз. Страбоскопические принципы и их способность создавать иллюзию движения лежат в основе теории анимации, кино и других движущихся изображений. Саймон Штампфер, который ввел этот термин в своей патентной заявке 1833 года на свой stroboscopische Scheiben (более известный как «фенекистископ»), объяснил, как иллюзия движения возникает благодаря незаметным регулярным и очень коротким прерываниям света, когда одна фигура заменяется похожей фигурой в немного другом положении. Таким образом, любую последовательность фигур можно использовать для отображения движения в любом желаемом направлении.
Пояснение
Рассмотрим стробоскоп, используемый в механическом анализе. Это может быть стробоскоп, генерирующий вспышки с регулируемой частотой. Например, объект вращается со скоростью 60 оборотов в секунду: если на него смотреть серией коротких вспышек со скоростью 60 раз в секунду, каждая вспышка освещает объект в одном и том же положении в его цикле вращения, поэтому кажется, что объект неподвижен. Более того, при частоте вспышек 60 в секунду, инерция зрения сглаживает последовательность вспышек, создавая ощущение непрерывного изображения. Если тот же вращающийся объект рассматривать со скоростью 61 вспышка в секунду, каждая вспышка будет освещать его в немного более ранней точке его цикла вращения. Шестьдесят одна вспышка произойдет до того, как объект снова окажется в том же положении, и последовательность изображений будет восприниматься как вращение назад со скоростью один оборот в секунду. Тот же эффект наблюдается при просмотре объекта со скоростью 59 вспышек в секунду, за исключением того, что каждая вспышка освещает его немного позже в цикле вращения, и, следовательно, объект будет казаться вращающимся вперед. То же самое применимо и к другим частотам, например, к 50 Гц, характерным для электрических сетей большинства стран мира. В случае с киносъемкой, движение фиксируется как быстрая последовательность неподвижных изображений, и может возникнуть тот же стробоскопический эффект.
Преобразование звука из световых паттернов
Страбоскопический эффект также играет роль в воспроизведении звука. Компакт-диски используют стробоскопические отражения лазера от поверхности диска для обработки информации (это также применяется для компьютерных данных). DVD и Blu-ray диски работают по схожему принципу. Страбоскопический эффект также используется в лазерных микрофонах.
Эффект колеса вагона
Кинокамеры обычно снимают с частотой 24 кадра в секунду. Хотя колеса автомобиля вряд ли будут вращаться со скоростью 24 оборота в секунду (поскольку это было бы слишком быстро), предположим, что каждое колесо имеет 12 спиц и вращается со скоростью всего два оборота в секунду. При съемке с частотой 24 кадра в секунду спицы в каждом кадре будут казаться в одном и том же положении. Следовательно, колесо будет восприниматься как неподвижное. На самом деле, каждая спица, запечатленная на фотографии в определенном положении, будет другой фактической спицей в каждом последующем кадре, но поскольку спицы почти идентичны по форме и цвету, никакой разницы замечено не будет. Таким образом, пока частота вращения колеса в секунду является делителем чисел 24 и 12, колесо будет казаться неподвижным. Если колесо вращается немного медленнее, чем два оборота в секунду, положение спиц будет немного смещаться назад в каждом последующем кадре, и, следовательно, колесо будет казаться вращающимся в обратном направлении.
Нежелательные эффекты при общественном освещении
Страбоскопический эффект – один из специфических временных световых артефактов. В обычных приложениях освещения, страбоскопический эффект является нежелательным явлением, которое может стать заметным, если человек наблюдает движущийся или вращающийся объект, освещаемый источником света с временной модуляцией. Временная модуляция света может быть вызвана колебаниями самого источника света или применением определенных технологий диммирования или регулирования уровня освещенности. Другой причиной световой модуляции могут быть лампы с внешними диммерами, использующими широтно-импульсную модуляцию без фильтрации. Проверить наличие этого эффекта можно с помощью вращающегося фиджет-спиннера.
Эффекты
Различные научные комитеты оценили потенциальные аспекты, связанные со здоровьем, работоспособностью и безопасностью, возникающие в результате временной модуляции света (TLM), включая стробоскопический эффект. Неблагоприятные эффекты в типичных областях применения освещения включают раздражение, снижение эффективности работы, зрительное утомление и головную боль. Аспекты видимости стробоскопического эффекта описаны в технической записке CIE, см. CIE TN 006:2016 и в диссертации Перца. Стробоскопические эффекты также могут приводить к опасным ситуациям на рабочих местах с быстро движущимся или вращающимся оборудованием. Если частота вращения быстрого оборудования или движущихся частей совпадает с частотой модуляции света или ее кратным, оборудование может казаться неподвижным или двигаться с другой скоростью, что потенциально может привести к аварийным ситуациям. Стробоскопические эффекты, проявляющиеся во вращающихся объектах, также называют эффектом колеса вагона. В общем случае, нежелательные эффекты в визуальном восприятии человека, вызванные колебаниями интенсивности света, называются временными световыми артефактами (TLA). Дополнительная информация и объяснения различных явлений TLA, включая стробоскопический эффект, представлены в записанном вебинаре «Все ли дело в мерцании?». В некоторых специальных применениях TLM могут вызывать и желаемые эффекты. Например, стробоскоп – это инструмент, генерирующий короткие повторяющиеся световые импульсы, которые можно использовать для измерения частоты движения или анализа и синхронизации движущихся объектов. Кроме того, стробоскопическая визуальная тренировка (СВТ) – это относительно новый инструмент, предназначенный для улучшения зрительной и перцептивной производительности спортсменов путем выполнения упражнений в условиях модулированного освещения или прерывистого зрения.
Коренные причины
Сила света, излучаемого осветительным оборудованием, таким как светильники и лампы, может изменяться во времени как намеренно, так и непреднамеренно. Намеренные изменения света используются для предупреждения, сигнализации (например, светофорная сигнализация, мигающие авиационные световые сигналы), развлечений (например, сценическое освещение) с целью восприятия мерцания человеком. В общем случае, световой поток осветительного оборудования также может иметь остаточные непреднамеренные модуляции уровня света, обусловленные технологией осветительного оборудования и типом подключения к электрической сети. Например, осветительное оборудование, подключенное к однофазной сети, обычно имеет остаточные временные световые модуляции (TLM) в два раза превышающие частоту сети, то есть 100 или 120 Гц (в зависимости от страны). Величина, форма, периодичность и частота TLM зависят от множества факторов, таких как тип источника света, частота питающей сети, технология драйвера или балласта, а также тип применяемой технологии регулирования света (например, широтно-импульсная модуляция). Если частота модуляции ниже порога слияния мерцания, а величина TLM превышает определенный уровень, то такие TLM воспринимаются как мерцание. Световые модуляции с частотой модуляции выше порога слияния мерцания непосредственно не воспринимаются, но могут возникать иллюзии в виде стробоскопического эффекта (пример см. на рисунке 1). Светодиоды сами по себе не генерируют временные модуляции; они лишь точно воспроизводят форму входного тока, и любые пульсации в форме тока воспроизводятся в виде световых пульсаций благодаря быстрой реакции светодиодов. Поэтому, по сравнению с традиционными технологиями освещения (лампами накаливания, люминесцентными лампами), для светодиодного освещения наблюдается большее разнообразие характеристик TLM. Применяются различные типы и топологии схем управления светодиодами; более простая электроника и ограниченное количество или отсутствие буферных конденсаторов часто приводят к большим остаточным пульсациям тока и, следовательно, к большей временной модуляции света. Технологии диммирования, как внешние диммеры (несовместимые диммеры), так и внутренние регуляторы уровня света, могут дополнительно влиять на степень выраженности стробоскопического эффекта; уровень временной модуляции света обычно увеличивается при более низких уровнях освещенности. Примечание: первопричина временной световой модуляции часто называется мерцанием. Кроме того, стробоскопический эффект часто также называют мерцанием. Однако мерцание – это непосредственно видимый эффект, возникающий в результате световых модуляций на относительно низких частотах модуляции, обычно ниже 80 Гц, в то время как стробоскопический эффект в обычных (бытовых) условиях может стать видимым при наличии световых модуляций с частотами модуляции, обычно выше 80 Гц.
Смягчение
Как правило, нежелательного стробоскопического эффекта можно избежать, снизив уровень TLM (темпоральной световой модуляции). Конструкция осветительного оборудования для уменьшения TLM источников света обычно представляет собой компромисс в отношении других характеристик продукта и, как правило, приводит к увеличению стоимости и размеров, сокращению срока службы или снижению энергоэффективности. Например, для уменьшения модуляции тока, подаваемого на светодиоды, что также снижает видимость TLA (временной световой артефакты), требуется конденсатор большой емкости, например электролитический. Однако использование таких конденсаторов значительно сокращает срок службы светодиода, поскольку они характеризуются самым высоким уровнем отказов среди всех компонентов. Другим способом снижения видимости TLA является увеличение частоты тока управления, однако это снижает эффективность системы и увеличивает ее общие габариты.
Коробка инструментов Matlab
Инструментарий Matlab для оценки видимости стробоскопического эффекта, включающий функцию для вычисления SVM и примеры применения, доступен на Matlab Central через сообщество Mathworks.
Критерий принятия
Если значение SVM равно единице, входная модуляция световой волны вызывает стробоскопический эффект, едва заметный, то есть находящийся на пороге видимости. Среди прочего, документ содержит рекомендации по критериям приемки для различных областей применения.
Испытания и измерения
Типичная схема испытаний для оценки стробоскопического эффекта показана на рисунке 3. Измеритель видимости стробоскопического эффекта может использоваться для различных целей (см. IEC TR 63158) или при использовании источников постоянного тока.