Те, кто профессионально занимаются видео- и фотосъёмкой, а также световым оборудованием, не понаслышке знакомы с понятием временных световых артефактов (Temporal Light Artefacts, или TLA). Да что там, большая часть современных людей так или иначе сталкивались с такого рода визуальными эффектами. Эта статья познакомит вас с наиболее распространёнными TLA и их особенностями.
Что такое TLA?
Временные световые артефакты представляют собой нежелательные эффекты в зрительном восприятии человека-наблюдателя, возникающие из-за периодических световых модуляций.
Проще говоря, это визуальные искажения окружающих объектов и пространства, которые вы видите при изменении характеристик световых волн – частоты, фазы, интенсивности и т.д. Чаще всего, говоря об этих эффектах, имеют ввиду мерцание (flickering) и стробоскопический эффект (stroboscopic effect).
Международная комиссия по освещению и организация LightingEurope, занимающаяся вопросами световой индустрии в Европе и объединяющая более 1000 компаний в разных странах, определяют понятие мерцания как нежелательный, вредный эффект, видимый неподвижным наблюдателем в статичной среде, при изменении освещенности на относительно низких частотах (< 80 Гц) и небольших уровнях модуляции.
На видео пример эффекта мерцания и его компенсации прожектором Anzhee PRO PHOENIX WASH 760z
Стробоскопический эффект – это искажение, которое наблюдается неподвижным наблюдателем при освещении движущегося или вращающегося объекта на более высоких частотах (>80 Гц) и больших уровнях модуляции.
Поскольку временные световые артефакты могут вызывать массу негативных последствий для здоровья и жизнедеятельности человека, опасные искажения восприятия, недопустимые на промышленном производстве, а также создают помехи для различных цифровых устройств визуализации (например, фотокамер), минимизация этих эффектов имеет исключительно важное значение. Для достижения этой цели необходимо понимать, откуда берутся TLA, каким образом человеческий глаз или оптика воспринимает эти искажения и как их измерять.
Основные причины появления видимых TLA
Первой причиной появления артефактов является комплекс систем подачи, преобразования и управления питанием, к которой подключён источник света.
Входная мощность переменного тока в стандартные 50-60 Гц, поступающая с линий электропередач, изменяется на постоянный с помощью блока питания. В большинстве случаев блок питания на выходе даёт частоту мерцания, вдвое превосходящую частоту, приходящую с линии. Это происходит из-за процесса выпрямления и коррекции синусоиды напряжения. Надо отметить, что из-за особенностей конструкции светодиоды очень хорошо воспроизводят форму входного тока, и любая флуктуация в синусоиде преображается в видимые искажения. Поэтому по сравнению с обычными технологиями освещения (лампы накаливания, флуоресцентные лампы), у светодиодов TLA более заметны и проявляются чаще.
Вторая главная причина возникновения временных световых артефактов связана с изменением интенсивности источника света или диммированием.
Конструкция диммера и его совместимость с источником могут значительно повлиять на дополнительные проявления мерцания. Особенно часто это заметно при работе с приглушённым освещением. Широко распространённая технология диммирования заключается в применении широтно-импульсной модуляции: для уменьшения воспринимаемой яркости светодиод начинает быстро включаться и выключаться в пульсирующем режиме. Мы оцениваем уровень освещённости в соответствии с тем, сколько времени светодиод находится во включённом состоянии. Чтобы мерцание было менее заметно, приходится увеличивать частоту включений-выключений, что приводит к необходимости использовать более дорогое оборудование, повышению тепловыделения, снижению энергоэффективности, а иногда – к образованию слышимого шума.
Третьим фактором появления TLA является конструкция светодиодного драйвера.
Суть в том, что после того, как блок питания принимает входящее напряжение переменного тока из сети и преобразует его, драйвер корректирует и сглаживает пики при помощи конденсатора. После этого цифровой контроллер регулирует напряжение через трансформатор для получения необходимого выходного сигнала. Современные контроллеры обычно используют фиксированную частоту переключения в диапазоне за пределами видимой фиксации артефактов, однако несовершенства конструкции, плохая совместимость или неисправности могут привести к колебаниям частоты переключения, а это в свою очередь повышает риск образования TLA.
Факторы, определяющие видимость TLA наблюдателем, связаны с характеристиками света, наблюдателем и окружающей средой. LightingEurope выделяют следующие основные показатели:
- Частоту и яркость пульсаций светового потока;
- Характеристики формы световой волны (прямоугольная, синусоидальная, а также коэффициент заполнения импульсов);
- Показатель освещенности;
- Объект наблюдения и скорость его перемещения;
- Восприимчивость наблюдателя, угол обзора и любые изменения точки наблюдения;
- Уровень фоновой освещенности в окружающей среде.
Способы измерения
Поскольку мерцание в той или иной степени присутствует во всех типах искусственного освещения, важно иметь возможность количественно оценить влияние временных световых эффектов в пределах определенной области. В индустрии есть несколько различных методов измерения, имеющие свои достоинства и недостатки.
Чаще всего применяются две главные характеристики: процент мерцания и индекс мерцания. Обе этих величины вполне внятно отражают свойства мерцания, но никак не отражают различие между ним и строб-эффектом.
Процент мерцания, или коэффициент амплитудной модуляции, представляет собой величину, численно равную отношению разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений, выраженную в процентах.
Несмотря на простоту расчета и репрезентативность величины, процент мерцания не учитывает частоту или форму волны, а значит даёт лишь приблизительную оценку того, насколько осветительный прибор подвержен мерцательному эффекту.
Индекс мерцания относится к площади над линией средней светоотдачи за период, деленной на общую площадь кривой светоотдачи в периодической форме волны светоотдачи.
Сначала рассчитывается среднее значение светового потока за заранее определённый цикл. Затем на графике определяется среднее значение светового потока, площадь под кривой формы волны выше и ниже среднего значения. В конце концов, площадь над средним значением делится на совокупную площадь. Индекс мерцания обычно представлен по шкале от 0 до 1, при этом более низкий показатель означает более низкую восприимчивость мерцания.
Основной недостаток индекса мерцания – это то, что он не учитывает показатель частоты сигнала.
Поскольку эти метрики имеют ряд существенных ограничений, учёными были разработаны новые методы измерения временных световых артефактов, серьёзно отличающиеся от вышеуказанных.
Восприятие кратковременной модуляции света
Метод применяется для определения видимости мерцания при световых модуляциях в частотном диапазоне от 0,4 Гц до 80 Гц. Суть заключается в пропускании света через датчик, который собирает и преобразует данные в виде электрического сигнала. Затем сигнал проходит этап обработки, в ходе которого определяется величина освещенности, а после специально разработанная компьютерная модель зрительного восприятия генерирует результат со значением более или менее 1. При значении <1 мерцание может быть заметным в малом количестве случаев, но не вредящим человеческому здоровью. При значении >1 мерцание видимо и вредно для как минимум 50% наблюдателей.
Видимость мерцания (FVM)
Эта метрика предназначена для определения видимости мерцания с учётом стороннего освещении. С помощью формулы FVM форма волны раскладывается на её частотные компоненты, что в итоге даёт значение, которое определяет видимость мерцания.
Компания Philips усовершенствовала данный метод, добавив в уравнение временные показатели. Ключевое преимущество FVMt –возможность спрогнозировать появление TLA при простых изменениях светового потока: равномерном диммировании или пульсации.
Видимость строб-эффекта (SVM)
По аналогии с FVM, этот метрика предлагает способ вычисления видимости стробоскопического эффекта при модуляции света в диапазоне частот от 80 Гц до 2 кГц.
Несмотря на активно продолжающиеся исследования, все эти показатели также имеют определённые недостатки, которые ещё предстоит устранить. Ключевая проблема кроется в невозможности чётко дифференцировать реальную чувствительность человека к TLA, поскольку пороговые значения пока не определены и размыты. Однако отметим, что данные метрики, хоть и эмпирические – огромный шаг к пониманию влияния световых аномалий на повседневную жизнь людей, а также на проявления эффектов при съёмке.
Заключение
По большому счёту, источники освещения в части выдаваемого светового потока всегда подвержены некоторым флуктуациям. Скачки напряжения сети переменного тока, контроль яркости, качество конструкции диодов – существует множество факторов, которые сложно учитывать в комплексе.
Минимизировать риски для здоровья людей от временных световых артефактов призван разработанный Институтом инженеров электротехники и электроники США стандарт IEEE PAR1789. Он определяет максимальный порог воздействия TLA на человека на основании совокупности исследований, оценивающих особенности временных световых артефактов и риск от их проявления.
Дополнительные исследования требуются и при производстве телевизионных и видеоматериалов. Здесь важен тщательный контроль мерцания, поскольку на кадрах «отпечатываются» артефакты, не видимые глазу. Существует прямая зависимость между частотой кадров и частотой мерцания источников света. Например, замедленные повторы, часто используемые в спортивном вещании, требуют более высокой частоты кадров, а это, в свою очередь, ведёт к заметным искажениям на кадре. По этой причине профессиональные спортивные арены имеют строгие рекомендации по использованию источников света во время трансляций. В зависимости от используемого светового оборудования может потребоваться "синхронизация" камер с источником света для обеспечения постоянного уровня освещенности от кадра к кадру.
Решение проблемы TLA с технологической точки зрения кроется в процентном снижении модуляций и увеличении частоты мерцания источника. Естественно, это требует внедрения более сложной и дорогой конструкции светильника, что ведёт к удорожанию компонентов и усложнению процесса производства.
Нельзя забывать и о среде, в которой устанавливаются те или иные осветительные приборы. Решения при проектировании помещений также серьёзно влияют на восприятие световых искажений, а потому должны серьёзно прорабатываться архитекторами и дизайнерами интерьеров.
Исследования временных световых эффектов продолжаются, и, будем надеяться, настанет день, когда технология сможет решить все проблемы, связанные с TLA.
Список использованных материалов и материалов для дальнейшего ознакомления:
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Temporal_light_artefacts#TLA_phenomena
2. The Mythical “Flicker-Free” Luminaire. https://www.lumenpulse.com/knowledge/flicker
3. LightingEurope Position Paper on Flicker and Stroboscopic Effect, September 2016. http://lightingeurope.org/images/publications/position-papers/LightingEurope_-_position_paper_-_flicker_and_stroboscopic_effect_-_final.pdf?_sm_byp=iVVRL3vHkNSnk5rr
4. Driving the Flicker-Free Effect. Unios Australia Pty Ltd 2019. https://unios.com/wp-content/uploads/2016/06/UN_Driving-the-Flicker-Free-Effect_White-Paper-190205.pdf
5. Stroboscopic visibility measure – understanding how people experience LED-light fluctuation. https://www.tue.nl/en/news/news-overview/01-02-2019-stroboscopic-visibility-measure-understanding-how-people-experience-led-light-fluctuation/#top
6. Is it all Flicker? (Dragan Sekulovski). https://www.youtube.com/watch?v=1gZg6eUmEGA
