stringtranslate.com

Порог слияния мерцаний

Порог слияния мельканий , также известный как критическая частота мельканий или скорость слияния мельканий , — это частота, при которой мерцающий свет кажется устойчивым для среднего наблюдателя-человека. Это понятие изучается в науке о зрении , а точнее в психофизике зрительного восприятия . Традиционным термином для «слияния мельканий» является « инерционность зрения », но он также использовался для описания положительных остаточных изображений или размытости движения . Хотя мерцание можно обнаружить для многих форм волн, представляющих собой изменяющиеся во времени колебания интенсивности, его традиционно и проще всего изучать в терминах синусоидальной модуляции интенсивности.

Существует семь параметров, определяющих способность обнаруживать мерцание:

  1. частота модуляции;
  2. амплитуда или глубина модуляции (т.е. каков максимальный процент уменьшения интенсивности освещения от ее пикового значения);
  3. средняя (или максимальная — их можно преобразовать друг в друга, 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, используя функцию светового потока );
  5. положение на сетчатке, в котором происходит стимуляция (из-за различного распределения типов фоторецепторов в разных местах);
  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. [1]

Объяснение

Пока частота модуляции поддерживается выше порога слияния, воспринимаемую интенсивность можно изменить, изменив относительные периоды света и темноты. Можно продлить темные периоды и, таким образом, затемнить изображение; поэтому эффективная и средняя яркость равны. Это известно как закон Тальбота-Плато . [2] Как и все психофизические пороги , порог слияния мерцаний является статистической, а не абсолютной величиной. Существует диапазон частот, в пределах которого мерцание иногда будет видно, а иногда не будет видно, и порог — это частота, на которой мерцание обнаруживается в 50% случаев.

Различные точки зрительной системы имеют очень разную критическую чувствительность к скорости слияния мельканий (CFF); общая пороговая частота для восприятия не может превышать самую медленную из них для данной амплитуды модуляции. Каждый тип клеток интегрирует сигналы по-разному. Например, палочковые фоторецепторные клетки , которые чрезвычайно чувствительны и способны обнаруживать одиночные фотоны, очень медлительны, с временными константами у млекопитающих около 200 мс. Колбочки , напротив, имея гораздо более низкую чувствительность к интенсивности, имеют гораздо лучшее временное разрешение, чем палочки. Как для палочко-, 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 палочко-опосредованного зрения достигает плато примерно при 15  герц (Гц), тогда как колбочки достигают плато, наблюдаемого только при очень высокой интенсивности освещения, около 60 Гц. [3] [4]

Помимо увеличения со средней интенсивностью освещения, частота слияния также увеличивается со степенью модуляции (максимальное относительное уменьшение представленной интенсивности света); для каждой частоты и средней освещенности существует характерный порог модуляции, ниже которого мерцание не может быть обнаружено, и для каждой глубины модуляции и средней освещенности существует характерный порог частоты. Эти значения изменяются в зависимости от длины волны освещения из-за зависимости чувствительности фоторецепторов от длины волны, и они изменяются в зависимости от положения освещения в сетчатке из-за концентрации колбочек в центральных областях, включая фовеа и макулу , и доминирования палочек в периферических областях 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 цифровом видеофайле ). Если частота кадров падает ниже порога слияния мерцаний для данных условий просмотра, мерцание будет заметно наблюдателю, а движения объектов на пленке будут казаться прерывистыми. Для целей представления движущихся изображений порог слияния мерцаний человека обычно берется между 60 и 90 Гц, хотя в некоторых случаях он может быть на порядок выше. [5] На практике фильмы со времен немого кино записываются со скоростью 24 кадра в секунду и отображаются путем прерывания каждого кадра два или три раза для мерцания 48 или 72 Гц. Телевидение обычно возникает со скоростью 50 или 60 кадров или чересстрочных полей в секунду.

Порог слияния мерцаний не препятствует косвенному обнаружению высокой частоты кадров, такой как эффект фантомной решетки или эффект колеса вагона , поскольку видимые человеком побочные эффекты конечной частоты кадров все еще наблюдались на экспериментальном дисплее с частотой 480 Гц. [6]

Частота обновления дисплея

Дисплеи с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) обычно работали с частотой вертикальной развертки 60 Гц, такой же, как и отображаемый ими контент SDTV , что приводило к заметному мерцанию. То же самое было справедливо и для других импульсных технологий, таких как плазменные дисплеи . Некоторые системы могли 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, чтобы устранить дрожание , без исходного материала с более высокой частотой кадров это вызывает восприятие дублирующихся изображений. [7] Любое мерцание на технологиях выборки и хранения, таких как ЖК-дисплеи или OLED , не связано с частотой обновления и гораздо менее заметно, а вместо этого возникает из-за случайных компромиссов в дизайне, таких как флуоресцентная подсветка, затемнение ШИМ или временное сглаживание , все из которых устраняются на некоторых устройствах, которые вообще не мерцают. Из-за размытия изображения, присущего экранам выборки и удержания, в приложениях, где точное восприятие движения имеет приоритет над усталостью пользователя, правильный тип мерцания можно восстановить с помощью таких методов, как стробирование подсветки или вставка черной рамки.

Освещение

Мерцание также важно в области бытового ( переменного тока ) освещения, где заметное мерцание может быть вызвано изменяющимися электрическими нагрузками, и, следовательно, может быть очень беспокоящим для потребителей электроэнергии. Большинство поставщиков электроэнергии имеют максимальные пределы мерцания, которые они пытаются соблюдать для бытовых потребителей.

Флуоресцентные лампы , использующие обычные магнитные балласты, мерцают с частотой, вдвое превышающей частоту питания. Электронные балласты не создают мерцания света, поскольку длительность свечения фосфора больше половины цикла более высокой рабочей частоты 20 кГц. Мерцание 100–120 Гц, создаваемое магнитными балластами, связано с головными болями и напряжением глаз. [8] Люди с высоким критическим порогом слияния мерцаний особенно подвержены влиянию света от люминесцентных светильников, имеющих магнитные балласты: их альфа-волны ЭЭГ заметно ослабевают, и они выполняют офисные задачи с большей скоростью и меньшей точностью. Проблемы не наблюдаются с электронными балластами. [9] Обычные люди лучше читают, используя высокочастотные (20–60 кГц) электронные балласты, чем магнитные балласты, [10] хотя эффект был небольшим, за исключением случаев с высоким коэффициентом контрастности.

Мерцание люминесцентных ламп, даже с магнитными балластами, настолько быстрое, что вряд ли представляет опасность для людей с эпилепсией . [11] Ранние исследования предполагали связь между мерцанием люминесцентных ламп с магнитными балластами и повторяющимися движениями у детей, страдающих аутизмом . [12] Однако эти исследования имели проблемы с интерпретацией [13] и не были воспроизведены.

Светодиодные лампы обычно не выигрывают от ослабления мерцания за счет стойкости фосфора, заметным исключением являются белые светодиоды. Мерцание на частотах до 2000 Гц (2 кГц) может восприниматься людьми во время саккад , [14] а частоты выше 3000 Гц (3 кГц) были рекомендованы для избежания биологических эффектов человека. [15]

Визуальные явления

В некоторых случаях можно увидеть мерцание с частотой более 2000 Гц (2 кГц) в случае высокоскоростных движений глаз ( саккад ) или движения объекта через эффект «фантомной решетки». [16] [17] Быстро движущиеся мерцающие объекты, приближающиеся в поле зрения (либо из-за движения объекта, либо из-за движения глаз, например, при закатывании глаз), могут вызвать точечное или разноцветное размытие вместо непрерывного размытия, как если бы это были несколько объектов. [18] Иногда для намеренного создания этого эффекта используются стробоскопы . Некоторые специальные эффекты, такие как определенные виды электронных светящихся палочек, которые обычно можно увидеть на мероприятиях на открытом воздухе, выглядят как сплошной цвет, когда они неподвижны, но создают разноцветное или точечное размытие, когда ими размахивают в движении. Обычно это светящиеся палочки на основе светодиодов. Изменение рабочего цикла светодиода(ов) приводит к использованию меньшего количества энергии, в то время как свойства слияния мерцаний оказывают прямое влияние на изменение яркости. [ необходима цитата ] При перемещении, если частота рабочего цикла управляемых светодиодов ниже порога слияния мерцаний, становятся очевидными временные различия между включенным и выключенным состоянием светодиода(ов), и цвет(а) отображаются в виде равномерно распределенных точек в периферическом зрении.

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

Мерцание

Мерцание — это восприятие визуальных колебаний интенсивности и нестабильности в присутствии светового стимула, которое видит статический наблюдатель в статической среде. Мерцание, видимое человеческим глазом, будет работать на частоте до 80 Гц. [19]

Стробоскопический эффект

Стробоскопический эффект иногда используется для «остановки движения» или для изучения небольших различий в повторяющихся движениях. Стробоскопический эффект относится к явлению, которое происходит, когда происходит изменение восприятия движения, вызванное световым стимулом, который видит статический наблюдатель в динамической среде. Стробоскопический эффект обычно происходит в диапазоне частот от 80 до 2000 Гц, [19] хотя может выходить далеко за пределы 10 000 Гц для некоторого процента населения. [20]

Фантомный массив

Фантомный массив , также известный как эффект призрака , возникает при изменении восприятия форм и пространственных положений объектов. Явление вызывается световым стимулом в сочетании с быстрыми движениями глаз (саккадами) наблюдателя в статической среде. Подобно стробоскопическому эффекту, фантомный эффект также будет возникать в схожих диапазонах частот. Стрелка мыши является распространенным примером [21] эффекта фантомного массива.

Нечеловеческие виды

Порог слияния мельканий также различается между видами . Исследование критической частоты слияния у животных, проведенное в 2014 году, обнаружило самое низкое значение (6,7 Гц) у тростниковой жабы ( Bufo marinus ) и самое высокое значение (400 Гц) у черного огненного жука ( Melanophila acuminata ). [22] Оценки для разных видов птиц варьируются от 40 Гц до 140 Гц, причем более высокие значения, как правило, связаны с быстро движущимися видами. [23] У многих млекопитающих в сетчатке больше палочек, чем у людей, и вполне вероятно, что у них также будут более высокие пороги слияния мельканий. Это было подтверждено у собак. [24]

Если искусственное освещение воспринимается некоторыми животными как мерцание, отталкивающий эффект может стать проблемой для благополучия животных и сохранения видов. Однако животные, наиболее склонные воспринимать мерцание, как правило, являются дневными видами, активными при ярком свете, и, таким образом, с наименьшей вероятностью подвергаются воздействию искусственного освещения вне неволи. [22] Размер и скорость метаболизма являются двумя дополнительными факторами, связанными с изменением порогов слияния мерцаний: мелкие животные с высокой скоростью метаболизма, как правило, имеют высокие значения. [25] [26]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Дэвис SW (1955). «Слияние слуховых и визуальных мельканий как мера утомления». Американский журнал психологии . 68 (4): 654–657. doi :10.2307/1418795. JSTOR  1418795. PMID  13275613.
  2. ^ "глаз, человек". Энциклопедия Британника. 2008. Энциклопедия Британника 2006 Ultimate Reference Suite DVD
  3. ^ Хехт, Селиг; Шлаер, Саймон (1936). «Прерывистая стимуляция светом». Журнал общей физиологии . 19 (6): 965–977. doi :10.1085/jgp.19.6.965. PMC 2141480. PMID  19872976 . 
  4. ^ "[Нейробиология] Re: Примеры порогов слияния мельканий". Bio.net . Получено 2013-05-05 .
  5. ^ Дэвис, Джеймс (2015), «Люди воспринимают артефакты мерцания на частоте 500 Гц», Sci Rep , 5 : 7861, Bibcode : 2015NatSR...5E7861D, doi : 10.1038/srep07861, PMC 4314649 , PMID  25644611 
  6. ^ Рейхон, Марк (16 августа 2017 г.). «Результаты испытаний экспериментального дисплея с частотой 480 Гц». Blur Busters .
  7. ^ "Перекрестные помехи от стробоскопов: Уменьшение размытия двойных изображений". Blur Busters . Получено 2024-02-01 .
  8. ^ Л. Макколл, Шелли; А. Вейтч, Дженнифер (2001). «Полноспектральное флуоресцентное освещение: обзор его влияния на физиологию и здоровье». Психологическая медицина . 31 (6): 949–964. doi :10.1017/S0033291701004251. PMID  11513381. S2CID  1105717. Получено 23.04.2008 .
  9. ^ Кюллер Р., Лайке Т. (1998). «Влияние мерцания флуоресцентного освещения на самочувствие, производительность и физиологическое возбуждение». Эргономика . 41 (4): 433–47. doi :10.1080/001401398186928. PMID  9557586.
  10. ^ Veitch JA, McColl SL (1995). «Модуляция флуоресцентного света: частота мерцания и влияние источника света на зрительную производительность и визуальный комфорт» (PDF) . Light Res Tech . 27 (4): 243–256. doi :10.1177/14771535950270040301. S2CID  36983942 . Получено 28.06.2012 .
  11. ^ Binnie CD, de Korte RA, Wisman T (1979). «Флуоресцентное освещение и эпилепсия». Эпилепсия . 20 (6): 725–7. doi :10.1111/j.1528-1157.1979.tb04856.x. PMID  499117. S2CID  26527159.
  12. ^ Колман RS, Франкель F, Ритво E, Фримен BJ (1976). «Влияние флуоресцентного и ламп накаливания на повторяющееся поведение у детей-аутистов». J Autism Child Schizophr . 6 (2): 157–62. doi :10.1007/BF01538059. PMID  989489. S2CID  41749390.
  13. ^ Тернер М. (1999). «Аннотация: Повторяющееся поведение при аутизме: обзор психологических исследований». J Child Psychol Psychiatry . 40 (6): 839–49. doi :10.1017/S0021963099004278. PMID  10509879.
  14. ^ Робертс Дж. Э., Уилкинс А. Дж. (2013). «Мерцание можно воспринять во время саккад на частотах свыше 1 кГц». Lighting Research & Technology . 45 (1): 124–132. doi :10.1177/1477153512436367. S2CID  51247933.
  15. ^ Lehman B, Wilkins AJ (2014). «Проектирование для смягчения последствий мерцания в светодиодном освещении: снижение рисков для здоровья и безопасности». Журнал IEEE Power Electronics . 2014 (9): 18–26. doi :10.1109/MPEL.2014.2330442. S2CID  2503129.
  16. ^ Уилкинс, А.Дж. (2014) Энергия - Оптическая система Docket. energy.ca.gov
  17. ^ Робертс, Дж. Э.; Уилкинс, А. Дж. (2013). «Мерцание можно воспринять во время саккад на частотах свыше 1 кГц » . Lighting Research & Technology . 45 : 124–132. doi :10.1177/1477153512436367. S2CID  51247933.
  18. ^ Почему светодиодные задние фонари тянутся ко мне, а не к остальным членам моей семьи? The Naked Scientists (август 2012 г.)
  19. ^ ab "Driving the Flicker-Free Effect" (PDF) . Unios Australia. 2019-02-05 . Получено 2019-02-08 .
  20. ^ "Параметры мерцания для снижения стробоскопических эффектов от твердотельных систем освещения" (PDF) . Альянс по твердотельным системам освещения и технологиям (ASSIST) . 11 (1). Центр исследований освещения: 6. 2012.
  21. ^ "TestUFO: Анимация эффекта фантомного массива с помощью стрелки мыши". www.testufo.com . Получено 20 мая 2019 г.
  22. ^ ab Inger, R.; Bennie, J.; Davies, TW; Gaston, KJ (29 мая 2014 г.). "Потенциальные биологические и экологические эффекты мерцающего искусственного света". PLOS ONE . ​​9 (5): e98631. Bibcode :2014PLoSO...998631I. doi : 10.1371/journal.pone.0098631 . hdl : 10871/21221 .
  23. ^ Potier, S.; Lieuvin, M.; Pfaff, M.; Kelber, A. (1 января 2019 г.). «Как быстро видят хищники?». Журнал экспериментальной биологии . 223 (Pt 1). doi :10.1242/jeb.209031. PMID  31822552.
  24. ^ "A Dog's Eye View | On Point с Томом Эшбруком". Onpoint.wbur.org. Архивировано из оригинала 20 октября 2013 года . Получено 2013-05-05 .
  25. ^ Хили, Кевин; Макналли, Люк; Ракстон, Грэм Д.; Купер, Натали; Джексон, Эндрю Л. (2013-10-01). «Скорость метаболизма и размер тела связаны с восприятием временной информации». Animal Behaviour . 86 (4). Elsevier: 685–696. doi :10.1016/j.anbehav.2013.06.018. PMC 3791410 . PMID  24109147. 
  26. ^ "Slo-mo mojo: Как животные воспринимают время". The Economist . Лондон. 2013-09-21 . Получено 2013-10-20 .

Внешние ссылки

( копии Wayback Machine )