stringtranslate.com

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 понятие изучается 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 предыдущего 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 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 . [2] 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 имеют гораздо меньшую чувствительность 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. [3] [4]

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, телепередаче или цифровом видеофайле ). 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. [5] На практике фильмы, начиная с эпохи немого кино, записываются со скоростью 24 кадра в секунду и отображаются 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. [6]

Частота обновления дисплея

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 дублированных изображений. [7] 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 при некоторые устройства, которые вообще не мерцают. Из-за возникающего размытия изображения при движении, свойственного экранам выборки и удержания, в приложениях, где точное восприятие движения имеет приоритет над утомляемостью пользователя, правильный тип мерцания можно повторно ввести с помощью таких методов, как стробирование подсветки или вставка черной рамки.

Осветительные приборы

Мерцание также важно в сфере бытового освещения ( переменного тока ), где заметное мерцание может быть вызвано изменяющимися 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. [8] На людей с высоким критическим порогом слияния мерцаний особенно влияет свет от 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. [9] Обычные люди лучше читают, используя высокочастотные (20–60 кГц) электронные балласты, чем магнитные балласты, [10] 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 . [11] Ранние исследования подозревали связь между мерцанием люминесцентных ламп с магнитными балластами и повторяющимися движениями у аутичных детей. [12] Однако эти исследования имели проблемы с интерпретацией [13] и не были воспроизведены.

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

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». [16] [17] 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. [18] Стробоскопы иногда используются для того, 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. [ нужна цитата ] При перемещении, если частота рабочего цикла управляемого светодиода(ов) ниже порога слияния мерцания, разница во времени между включенным/выключенным состоянием светодиода(ов) становится очевидной, и появляется цвет(а) как равномерно расположенные точки периферического зрения.

Родственным 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. [19]

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 статический наблюдатель в динамической среде. Стробоскопический эффект обычно возникает в диапазоне частот от 80 до 2000 Гц [19] , хотя для определенного процента населения он может выходить далеко за пределы 10 000 Гц. [20]

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 является распространенным примером [21] 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 ). [22] Оценки для разных видов птиц варьируются от 40 Гц до 140 Гц, причем более высокие значения, как правило, связаны с более быстродвижущимися видами. [23] 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. [24]

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. [22] 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. [25] [26]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дэвис SW (1955). «Слуховое и зрительное мерцание как мера утомления». Американский журнал психологии . 68 (4): 654–657. дои : 10.2307/1418795. JSTOR  1418795. PMID  13275613.
  2. ^ "глаз, человек." Британская энциклопедия. 2008. Британская энциклопедия, DVD Ultimate Reference Suite, 2006 г.
  3. ^ Хехт, Селиг; Шлаер, Саймон (1936). «Периодическая стимуляция светом». Журнал общей физиологии . 19 (6): 965–977. дои : 10.1085/jgp.19.6.965. ПМК 2141480 . ПМИД  19872976. 
  4. ^ «[Нейронаука] Re: Примеры порогов слияния мерцания» . Био.нет . Проверено 5 мая 2013 г.
  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». Размытие Разрушителей .
  7. ^ «Перекрестные помехи строба: уменьшение размытия двойных изображений» . Размытие Разрушителей . Проверено 1 февраля 2024 г.
  8. ^ л. Макколл, Шелли; а. Вейч, Дженнифер (2001). «Флуоресцентное освещение полного спектра: обзор его воздействия на физиологию и здоровье». Психологическая медицина . 31 (6): 949–964. дои : 10.1017/S0033291701004251. PMID  11513381. S2CID  1105717 . Проверено 23 апреля 2008 г.
  9. ^ Кюллер Р., Лайке Т. (1998). «Влияние мерцания флуоресцентного освещения на самочувствие, работоспособность и физиологическое возбуждение». Эргономика . 41 (4): 433–47. дои : 10.1080/001401398186928. ПМИД  9557586.
  10. ^ Вейтч Дж.А., МакКолл С.Л. (1995). «Модуляция флуоресцентного света: частота мерцания и влияние источника света на зрительные характеристики и зрительный комфорт» (PDF) . Световые технологии . 27 (4): 243–256. дои : 10.1177/14771535950270040301. S2CID  36983942 . Проверено 28 июня 2012 г.
  11. ^ Бинни CD, де Корте РА, Висман Т (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 Р.С., Франкель Ф., Ритво Э., Фриман Б.Дж. (1976). «Влияние флуоресцентного освещения и ламп накаливания на повторяющееся поведение у детей с аутизмом». J Детский аутизм, шизофрения . 6 (2): 157–62. дои : 10.1007/BF01538059. PMID  989489. S2CID  41749390.
  13. ^ Тернер М (1999). «Аннотация: Повторяющееся поведение при аутизме: обзор психологических исследований». J Детская психологическая психиатрия . 40 (6): 839–49. дои : 10.1017/S0021963099004278. ПМИД  10509879.
  14. ^ Робертс Дж. Э., Уилкинс А. Дж. (2013). «Мерцание можно воспринимать во время саккад на частотах выше 1 кГц». Световые исследования и технологии . 45 (1): 124–132. дои : 10.1177/1477153512436367. S2CID  51247933.
  15. ^ Леман Б., Уилкинс А.Дж. (2014). «Проектирование для смягчения эффекта мерцания в светодиодном освещении: снижение рисков для здоровья и безопасности». Журнал IEEE Power Electronics . 2014 (9): 18–26. дои :10.1109/MPEL.2014.2330442. S2CID  2503129.
  16. ^ Уилкинс, AJ (2014) Энергия - оптическая система. Energy.ca.gov
  17. ^ Робертс, JE; Уилкинс, Эй Джей (2013). «Мерцание можно воспринимать во время саккад на частотах выше 1 кГц » . Световые исследования и технологии . 45 : 124–132. дои : 10.1177/1477153512436367. S2CID  51247933.
  18. ^ Почему светодиодные задние фонари тянутся ко мне, а не к остальным членам моей семьи? Голые ученые (август 2012 г.)
  19. ^ ab «Создание эффекта отсутствия мерцания» (PDF) . Юниос Австралия. 05 февраля 2019 г. Проверено 8 февраля 2019 г.
  20. ^ «Параметры мерцания для уменьшения стробоскопических эффектов твердотельных систем освещения» (PDF) . Альянс твердотельных систем и технологий освещения (ASSIST) . 11 (1). Центр исследования освещения: 6. 2012.
  21. ^ «TestUFO: анимация эффекта фантомного массива со стрелкой мыши» . www.testufo.com . Проверено 20 мая 2019 г.
  22. ^ аб Ингер, Р.; Бенни, Дж.; Дэвис, ТВ; Гастон, KJ (29 мая 2014 г.). «Потенциальные биологические и экологические эффекты мерцающего искусственного света». ПЛОС ОДИН . 9 (5): e98631. Бибкод : 2014PLoSO...998631I. дои : 10.1371/journal.pone.0098631 . hdl : 10871/21221 .
  23. ^ Потье, С.; Лювен, М.; Пфафф, М.; Кельбер, А. (1 января 2019 г.). «Насколько быстро видят хищники?». Журнал экспериментальной биологии . 223 (Часть 1). дои : 10.1242/jeb.209031. ПМИД  31822552.
  24. ^ "Взгляд собаки | В теме с Томом Эшбруком" . Онпоинт.wbur.org. Архивировано из оригинала 20 октября 2013 года . Проверено 5 мая 2013 г.
  25. ^ Хили, Кевин; МакНелли, Люк; Ракстон, Грэм Д.; Купер, Натали; Джексон, Эндрю Л. (1 октября 2013 г.). «Скорость обмена веществ и размер тела связаны с восприятием временной информации». Поведение животных . 86 (4). Эльзевир: 685–696. дои : 10.1016/j.anbehav.2013.06.018. ПМК 3791410 . ПМИД  24109147. 
  26. ^ «Slo-mo mojo: Как животные воспринимают время» . Экономист . Лондон. 21 сентября 2013 г. Проверено 20 октября 2013 г.

Внешние ссылки

( копии Wayback Machine )