Стробоскопический эффект — это визуальное явление, вызванное наложением , которое происходит, когда непрерывное вращательное или другое циклическое движение представлено серией коротких или мгновенных выборок (в отличие от непрерывного вида) с частотой выборки, близкой к периоду движения. Он объясняет « эффект колеса телеги », так называемый, потому что на видео колеса со спицами (например, на конных повозках) иногда кажутся вращающимися в обратном направлении.
Стробоскопический фонтан, поток капель воды, падающих через равные промежутки времени, освещенный стробоскопическим светом , является примером стробоскопического эффекта, применяемого к циклическому движению, которое не является вращательным. При обычном освещении это обычный водный фонтан. При наблюдении под стробоскопическим светом, частота которого настроена на скорость падения капель, капли кажутся подвешенными в воздухе. Регулировка частоты строба может заставить капли казаться медленно движущимися вверх или вниз.
Принципы стробоскопии 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 стробоскопический телескоп (более известный как « фенакистископ »), объяснил, как возникает иллюзия движения, когда во время незамеченных регулярных и очень коротких прерываний света одна фигура заменяется похожей фигурой в немного другом положении. Таким образом, можно манипулировать любой серией фигур, чтобы показать движение в любом желаемом направлении. [1]
Рассмотрим стробоскоп , используемый в механическом анализе. Это может быть « стробоскоп », который запускается 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 одном и том же положении в его цикле вращения, поэтому кажется, что объект неподвижен. Более того, при частоте 60 вспышек в секунду инерционность зрения сглаживает последовательность вспышек, так что воспринимаемое изображение становится непрерывным.
Если тот же вращающийся объект рассматривается с частотой 61 вспышка в секунду, каждая вспышка будет освещать его в немного более ранней части его вращательного цикла. Шестьдесят одна вспышка произойдет, прежде чем объект снова будет виден в том же положении, и серия изображений будет восприниматься так, как будто он вращается назад один раз в секунду.
Тот же эффект возникает, если рассматривать объект при частоте 59 вспышек в секунду, за исключением того, что каждая вспышка освещает его немного позже в цикле вращения, и поэтому будет казаться, что объект вращается вперед.
То же самое можно применить и к другим частотам, например, к 50 Гц, характерным для электрических распределительных сетей большинства стран мира.
В случае с кинофильмами действие фиксируется в виде быстрой серии неподвижных изображений, и может возникнуть тот же стробоскопический эффект.
Стробоскопический эффект также играет роль в воспроизведении звука. Компакт-диски используют стробирующие отражения лазера от поверхности диска для обработки (это также используется для компьютерных данных ). DVD и Blu-ray диски имеют схожие функции.
Стробоскопический эффект также играет роль в лазерных микрофонах .
Кинокамеры традиционно снимают со скоростью 24 кадра в секунду. Хотя колеса транспортного средства вряд ли будут вращаться со скоростью 24 оборота в секунду (так как это было бы чрезвычайно быстро), предположим, что каждое колесо имеет 12 спиц и вращается со скоростью всего два оборота в секунду. Снятые со скоростью 24 кадра в секунду, спицы в каждом кадре будут выглядеть в совершенно одинаковом положении. Следовательно, колесо будет восприниматься неподвижным. Фактически, каждая сфотографированная спица в любом положении будет другой фактической спицей в каждом последующем кадре, но поскольку спицы близки по форме и цвету, никакой разницы не будет воспринято. Таким образом, пока количество оборотов колеса в секунду является множителем 24 и 12, колесо будет казаться неподвижным.
Если колесо вращается немного медленнее, чем два оборота в секунду, то положение спиц будет немного отставать в каждом последующем кадре, и поэтому будет казаться, что колесо вращается в обратном направлении.
Стробоскопический эффект является одним из особых временных артефактов света . В обычных приложениях освещения стробоскопический эффект является нежелательным эффектом, который может стать видимым, если человек смотрит на движущийся или вращающийся объект, который освещается модулированным по времени источником света. Временная модуляция света может быть вызвана колебаниями самого источника света или может быть вызвана применением определенных технологий затемнения или регулирования уровня освещенности. Другой причиной модуляции света могут быть лампы с внешними диммерами типа нефильтрованной широтно-импульсной модуляции . Так ли это, можно проверить с помощью вращающегося спиннера .
Различные научные комитеты оценили потенциальные аспекты, связанные со здоровьем, производительностью и безопасностью, возникающие в результате временных световых модуляций (TLM), включая стробоскопический эффект. [2] [3] [4] Неблагоприятные эффекты в обычных областях применения освещения включают раздражение, снижение производительности, зрительное утомление и головную боль. Аспекты видимости стробоскопического эффекта приведены в технической записке CIE , см. CIE TN 006:2016 [5] и в диссертации Perz. [6] [7]
Стробоскопические эффекты также могут привести к небезопасным ситуациям на рабочих местах с быстро движущимися или вращающимися механизмами. Если частота быстро вращающихся механизмов или движущихся частей совпадает с частотой или кратна частоте модуляции света, механизм может казаться неподвижным или двигаться с другой скоростью, что потенциально приводит к опасным ситуациям. Стробоскопические эффекты, которые становятся видимыми во вращающихся объектах, также называются эффектом колеса вагона .
В целом, нежелательные эффекты в визуальном восприятии человека-наблюдателя, вызванные колебаниями интенсивности света, называются временными световыми артефактами (TLA). Дальнейшая информация и объяснения различных явлений TLA, включая стробоскопический эффект, даны в записанном вебинаре « Все ли это 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 частот движения или для анализа или определения времени движущихся объектов. Также стробоскопическая зрительная тренировка (SVT) — это недавний инструмент, направленный на улучшение зрительных и перцептивных характеристик спортсменов путем выполнения действий в условиях модулированного освещения или прерывистого видения. [9]
Свет, излучаемый осветительным оборудованием, таким как светильники и лампы, может изменяться по силе в зависимости от времени, как преднамеренно, так и непреднамеренно. Преднамеренные изменения света применяются для предупреждения, сигнализации (например, светофорная сигнализация , мигающие авиационные световые сигналы), развлечений (например, сценическое освещение ) с целью того, чтобы мерцание воспринималось людьми. Как правило, световой поток осветительного оборудования может также иметь остаточные непреднамеренные модуляции уровня света из-за технологии осветительного оборудования в связи с типом подключения к электрической сети. Например, осветительное оборудование, подключенное к однофазному сетевому источнику питания, обычно будет иметь остаточные TLM в два раза больше частоты сети, либо на 100, либо на 120 Гц (в зависимости от страны).
Величина, форма, периодичность и частота TLM будут зависеть от многих факторов, таких как тип источника света, частота электропитания, технология драйвера или балласта и тип применяемой технологии регулирования света (например, широтно-импульсная модуляция). Если частота модуляции ниже порога слияния мерцаний и если величина TLM превышает определенный уровень, то такие TLM воспринимаются как мерцание . Модуляции света с частотами модуляции за порогом слияния мерцаний не воспринимаются напрямую, но могут стать видимыми иллюзии в виде стробоскопического эффекта (пример см. на рисунке 1).
Светодиоды по своей сути не производят временные модуляции; они просто очень хорошо воспроизводят форму волны входного тока, и любая пульсация в форме волны тока воспроизводится световой пульсацией, поскольку светодиоды имеют быстрый отклик; поэтому, по сравнению с традиционными технологиями освещения (лампы накаливания, люминесцентные лампы), для светодиодного освещения наблюдается большее разнообразие свойств TLA. Применяются многие типы и топологии схем драйверов светодиодов ; более простая электроника и ограниченные или отсутствующие буферные конденсаторы часто приводят к большей остаточной пульсации тока и, следовательно, большей временной модуляции света.
Технологии диммирования как с использованием внешних диммеров (несовместимых диммеров), так и с использованием внутренних регуляторов уровня освещенности могут оказывать дополнительное влияние на уровень стробоскопического эффекта; уровень временной модуляции света обычно увеличивается при более низких уровнях освещенности.
ПРИМЕЧАНИЕ. Основная причина временной модуляции света часто называется мерцанием. Также мерцанием часто называют стробоскопический эффект. Однако мерцание — это непосредственно видимый эффект, возникающий в результате модуляции света на относительно низких частотах модуляции, обычно ниже 80 Гц, тогда как стробоскопический эффект в обычных (жилых) приложениях может стать видимым, если модуляции света присутствуют с частотами модуляции, обычно выше 80 Гц.
Как правило, нежелательного стробоскопического эффекта можно избежать, снизив уровень ТЛМ.
Проектирование осветительного оборудования с целью снижения TLM источников света обычно является компромиссом в ущерб другим свойствам продукта и, как правило, 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, такой как электролитический конденсатор. Однако использование таких конденсаторов значительно сокращает срок службы светодиода, поскольку они, как установлено, имеют самую высокую частоту отказов среди всех компонентов. Другим решением для снижения видимости TLA является увеличение частоты тока управления, однако это снижает эффективность системы и увеличивает ее общий размер.
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:
Все величины влияния, связанные с наблюдателем, являются стохастическими параметрами, поскольку не все люди воспринимают эффект одной и той же световой ряби одинаково. Вот почему восприятие стробоскопического эффекта всегда выражается с определенной вероятностью. Для уровней освещенности, встречающихся в обычных приложениях, и для умеренных скоростей движения объектов (связанных со скоростями, которые могут быть достигнуты людьми), на основе исследований восприятия была выведена кривая средней чувствительности. [6] [10] Кривая средней чувствительности для синусоидальных модулированных световых волн, также называемая функцией порога контрастности стробоскопического эффекта, как функция частоты f выглядит следующим образом:
Функция порога контрастности изображена на рисунке 2. Стробоскопический эффект становится видимым, если частота модуляции TLM находится в диапазоне приблизительно от 10 Гц до 2000 Гц и если величина TLM превышает определенный уровень. Функция порога контрастности показывает, что при частотах модуляции около 100 Гц стробоскопический эффект будет виден при относительно низких величинах модуляции. Хотя стробоскопический эффект в теории также виден в диапазоне частот ниже 100 Гц, на практике видимость мерцания будет доминировать над стробоскопическим эффектом в диапазоне частот до 60 Гц. Более того, большие величины преднамеренно повторяющихся TLM с частотами ниже 100 Гц вряд ли возникнут на практике, 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 даны в CIE TN 006:2016 [5] и в записанном вебинаре « Все ли это просто мерцание? ». [8]
Для объективной оценки стробоскопического эффекта разработана мера видимости стробоскопического эффекта (SVM). [5] [6] [10] Спецификация измерителя видимости стробоскопического эффекта и метод испытаний для объективной оценки осветительного оборудования опубликованы в техническом отчете МЭК IEC TR 63158. [11] SVM рассчитывается с использованием следующей формулы суммирования:
где C m — относительная амплитуда m-го компонента Фурье (тригонометрическое представление ряда Фурье) относительной освещенности (относительно уровня постоянного тока);
T m — это функция порога контрастности стробоскопического эффекта для видимости стробоскопического эффекта синусоидальной волны на частоте m-го компонента Фурье (см. § Видимость). SVM может использоваться для объективной оценки человеком-наблюдателем видимых стробоскопических эффектов временной модуляции света осветительного оборудования в общих внутренних применениях, с типичными уровнями освещенности в помещении (> 100 лк) и при умеренных движениях наблюдателя или близкого обрабатываемого объекта (< 4 м/с). Для оценки нежелательных стробоскопических эффектов в других применениях, таких как, например, неправильное восприятие быстро вращающегося или движущегося оборудования в мастерской, могут потребоваться другие метрики и методы, или оценка может быть сделана путем субъективного тестирования (наблюдения).
ПРИМЕЧАНИЕ. Для определения стробоскопического эффекта осветительного оборудования применяются несколько альтернативных метрик, таких как глубина модуляции, процент мерцания или индекс мерцания. Ни одна из этих метрик 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 для измерения видимости стробоскопического эффекта Matlab, включая функцию для расчета SVM , а также некоторые примеры приложений доступны на Matlab Central через сообщество Mathworks. [12]
Если значение SVM равно единице, то входная модуляция световой волны 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 видимости выше единицы, эффект имеет вероятность обнаружения более 50%. Если значение меры видимости меньше единицы, вероятность обнаружения составляет менее 50%. Эти пороги видимости показывают среднее обнаружение среднестатистического наблюдателя-человека в популяции. Однако это не гарантирует приемлемости. Для некоторых менее критических приложений уровень приемлемости артефакта может быть значительно выше порога видимости. Для других приложений приемлемые уровни могут быть ниже порога видимости. NEMA 77-2017 [13] среди прочего дает руководство по критериям приемки в различных приложениях.
Типичная испытательная установка для испытания стробоскопического эффекта показана на рисунке 3. Измеритель видимости стробоскопического эффекта может применяться для различных целей (см. IEC TR 63158 [11] ):
Стробоскопический эффект может привести к небезопасным ситуациям на рабочих местах с быстро движущимися или вращающимися механизмами . Если частота быстро вращающихся механизмов или движущихся частей совпадает с частотой или кратна частоте модуляции света, механизм может казаться неподвижным или двигаться с другой скоростью, что может привести к опасным ситуациям. [ необходима цитата ]
Из-за иллюзии, которую стробоскопический эффект может создать для движущихся машин, рекомендуется избегать однофазного освещения. Например, фабрика, которая освещается однофазным источником питания с базовым освещением, будет иметь мерцание 100 или 120 Гц (в зависимости от страны, 50 Гц x 2 в Европе, 60 Гц x 2 в США, вдвое больше номинальной частоты), таким образом, любое оборудование, вращающееся с частотой, кратной 50 или 60 Гц (3000–3600 об/мин), может казаться не вращающимся, что увеличивает риск получения травмы оператором. Решения включают развертывание освещения по полному 3-фазному источнику питания или использование высокочастотных контроллеров, которые управляют освещением на более безопасных частотах [14] или освещением постоянного тока. [ необходима цитата ]
![{\displaystyle SVM={\sqrt[{3.7}]{\textstyle \sum _{m=1}^{\infty }\displaystyle \left({\frac {C_{m}}{T_{m}}}\right)^{3.7}}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c49bc10774828abf5922b879e27ca6f31fab7fd9)