頻閃效應(yīng)數(shù)碼成像的原理及仿真

顧兆泰,盧東平,緱從軍

(東莞華明燈具有限公司實(shí)驗(yàn)室，廣東 東莞　523653)

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頻閃效應(yīng)數(shù)碼成像的原理及仿真

顧兆泰,盧東平,緱從軍

(東莞華明燈具有限公司實(shí)驗(yàn)室，廣東 東莞523653)

摘要：目前，還沒有建立標(biāo)準(zhǔn)去定義LED燈具的可接受閃爍頻率、幅度以及檢測方法。大多數(shù)消費(fèi)者在選購照明燈具時(shí)，通過以手機(jī)拍攝的方法捕捉到頻閃效應(yīng)條紋，并以條紋的明顯程度作為頻閃效應(yīng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。本文分析了頻閃效應(yīng)的數(shù)碼成像原理，總結(jié)出計(jì)算公式，提出利用MATLAB實(shí)現(xiàn)頻閃效應(yīng)條紋的仿真，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。燈具制造商可通過仿真方法，獲取任意自設(shè)定閃爍波形的頻閃效應(yīng)條紋，收集足夠的數(shù)據(jù)，以針對消費(fèi)者的購買習(xí)慣，建立內(nèi)部燈具可接受閃爍的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：閃爍；頻閃效應(yīng)； 閃爍指數(shù)；閃爍百分比

引言

閃爍是指光輸出隨時(shí)間呈快速周期變化的現(xiàn)象。由于交流電輸入的原因，幾乎所有電光源都存在閃爍的現(xiàn)象。無論是低頻的可見閃爍還是高頻的不可見閃爍(頻率>75Hz)，都可對人生理心理造成負(fù)面影響，如頭痛、眼疲勞、光敏性癲癇、注意力不集中等[1]。除此之外，由燈具閃爍引起的頻閃效應(yīng)，會(huì)對人產(chǎn)生視覺誤導(dǎo)，嚴(yán)重影響人們的工作和生活。如當(dāng)體育場館內(nèi)存在閃爍，頻閃效應(yīng)使得羽毛球、乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡無法看清[2]。當(dāng)工廠的照明環(huán)境存在閃爍，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)器可能會(huì)被看成是靜止，甚至是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣會(huì)使人誤判而執(zhí)行錯(cuò)誤操作，可能會(huì)造成設(shè)備損壞，甚至是人員傷亡。

因此，閃爍對評(píng)估是評(píng)價(jià)照明系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。目前，閃爍的測量標(biāo)準(zhǔn)和安全判斷準(zhǔn)則還沒建立，IEEE Standard PAR1789一直致力于建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的大多研究是基于人眼對由閃爍引起的頻閃效應(yīng)的覺察率和接受程度來評(píng)估閃爍的可接受程度，從而評(píng)估閃爍的兩個(gè)主要參數(shù)[1-6]，閃爍頻率和閃爍變化幅度。在沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指引下，消費(fèi)者在購買燈具時(shí)需要自行判斷閃爍的變化幅度是否在使用要求以內(nèi)。但由于在絕大多數(shù)情況下，閃爍頻率為交流輸入頻率的兩倍，即50Hz的交流電，會(huì)產(chǎn)生100Hz的閃爍，人眼無法直接判定。因此，利用手機(jī)拍照的方式，捕捉燈具閃爍引起的頻閃效應(yīng)條紋，從而判斷燈具的閃爍程度，對消費(fèi)者來說是一個(gè)方便可行的辦法。

為了適應(yīng)消費(fèi)者選購燈具的習(xí)慣，注重?zé)艟哒彰髻|(zhì)量的燈具制造商可能需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，用于分析燈具閃爍的變化幅度(閃爍指數(shù)[7]和閃爍百分比[8])和頻閃效應(yīng)成像之間的關(guān)系，制定出內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，從而提高燈具品質(zhì)和燈具銷量。為了收集足夠的數(shù)據(jù)，燈具制造商可能需要制作不同的驅(qū)動(dòng)電路，以產(chǎn)生需要的閃爍波形，然后通過用手機(jī)對閃爍照明環(huán)境拍照，獲取各樣的頻閃條紋，以確認(rèn)可接受閃爍的判斷標(biāo)準(zhǔn)。如此，數(shù)據(jù)的收集將會(huì)是非常繁瑣和高成本的。

為了簡化數(shù)據(jù)收集過程，降低成本，本文提出以Matlab計(jì)算仿真的方式獲取不同閃爍波形的頻閃效應(yīng)條紋成像圖。在仿真條件下，任何的閃爍波形都可以通過Excel設(shè)定的，而不必制作實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電路，免去了繁瑣的電路設(shè)計(jì)和制作過程，節(jié)省了數(shù)據(jù)收集的時(shí)間和成本。文中通過比對了實(shí)際拍攝的與仿真的頻閃條紋，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。同時(shí)，亮度剖線圖可將仿真的頻閃條紋的變化程度波形化，條紋之間的比較顯得更客觀、直觀。

1原理

當(dāng)照明環(huán)境存在閃爍時(shí)，在適當(dāng)?shù)脑O(shè)置下，大多數(shù)的手機(jī)都可以拍出亮暗相間的條紋。圖1為不同品牌的手機(jī)拍攝到的頻閃條紋。這些條紋是手機(jī)對頻閃效應(yīng)的數(shù)碼成像，大多數(shù)消費(fèi)者根據(jù)頻閃條紋的明顯程度來判斷燈具的閃爍程度。

圖1　(a) iphone 4s 和 (b)諾基亞520 拍攝到的頻閃條紋Fig.1　Flicker pattern photographed by iphone 4s and Nokia 520

頻閃效應(yīng)數(shù)碼成像的主要原理如圖2所示。在拍照過程中，手機(jī)讀取感光元件的光信號(hào)是有先后順序的，如圖所示，按照感光元件的列順序L1，L2……L10獲取。因此每列像素獲得的光信息有前后之分。當(dāng)照明環(huán)境存在閃爍時(shí)，波形如圖2所示，感光元件光信號(hào)的讀取順序?qū)?huì)使最終圖像每列像素所對應(yīng)的光照環(huán)境不一樣。最終圖像中對應(yīng)感光陣列中L1列的像素所呈現(xiàn)的亮度，會(huì)較對應(yīng)L3列的像素暗。因此，最終圖像就會(huì)如圖1所示，呈現(xiàn)出明暗相間的周期性條紋。

圖2　頻閃效應(yīng)數(shù)碼成像的主要原理Fig.2　Main principle of stroboscopic effect digital imaging

從以上原理分析可知，影響頻閃條紋的主要有兩個(gè)因素：閃爍波形(包括變化幅度和頻率)和曝光時(shí)間。如圖3(a)所示，在曝光時(shí)間設(shè)定為1/250 s 情況下，閃爍波形的差異會(huì)導(dǎo)致最終成像的頻閃條紋有差別。反過來，圖3(b)則說明了在相同的閃爍波形下，不同的曝光時(shí)間，也會(huì)對頻閃條紋的明顯程度有影響。

圖3　(a)閃爍波形對頻閃條紋的影響；(b)曝光時(shí)間對頻閃條紋的影響Fig.3　Effect of flicker waveform and exposure time on the flicker pattern

為了實(shí)現(xiàn)頻閃條紋數(shù)碼成像的仿真，我們需要建立相應(yīng)的表達(dá)式，去計(jì)算頻閃條紋圖像上每列像素的相對亮度。根據(jù)圖1所描述的原理可知，特定某一列像素的相對亮度值為特定某一段閃爍波形的積分，如第n列像素的相對亮度公式如下

(1)

如此，相鄰列如第n+1列的像素相對亮度值則為

(2)

式中，Tn為第n列像素的積分起始時(shí)間，t為拍照時(shí)設(shè)定的曝光時(shí)間，Δt為相鄰列信號(hào)處理的時(shí)間差。各品牌信號(hào)的手機(jī)的Δt并不相同，如圖1所示，會(huì)導(dǎo)致拍攝圖像包含的條紋周期數(shù)不一樣。但這個(gè)并不會(huì)影響到條紋的亮暗變化程度和形狀，頻閃條紋的亮暗對比程度只與閃爍波形和積分時(shí)間有關(guān)。

2仿真結(jié)果與討論

我們利用同一臺(tái)手機(jī) (諾基亞 630)，設(shè)定不同的曝光時(shí)間，在100Hz的閃爍照明環(huán)境下進(jìn)行頻閃效應(yīng)成像。通過比較實(shí)際成像頻閃條紋效果和仿真條紋效果，驗(yàn)證仿真的可行性。圖4為實(shí)驗(yàn)用的閃爍波形，通過遠(yuǎn)方光源頻閃測量儀(EVERFINE LFA-2000) 以10k/s的采樣率獲取的。在這個(gè)閃爍環(huán)境下，分別以不同的曝光時(shí)間，對一張白紙進(jìn)行拍攝，獲得不同的頻閃條紋，見圖5左邊一欄。把已知的閃爍波形數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)拍攝時(shí)所設(shè)置的曝光時(shí)間，代入公式(1)、(2)，通過Matlab仿真，結(jié)果見圖5右邊一欄。 Δt對條紋的亮暗程度和周期沒有影響，在本次仿真中，其值等于采樣間隔時(shí)間100μs。

圖4　實(shí)驗(yàn)環(huán)境的閃爍波形Fig.4　Flicker waveform of experiment environment

圖5　不同曝光時(shí)間下，實(shí)際拍攝的頻閃條紋及相應(yīng)的仿真結(jié)果Fig.5　Flicker pattern photographed and its simulationresult under different exposure time

對比實(shí)際拍攝的和仿真的頻閃條紋，可以清楚看出仿真結(jié)果能很好地反映出實(shí)際的拍攝效果，兩者的條紋亮暗程度和周期一致。理論上，曝光時(shí)間越短，表明每個(gè)像素的亮度積分時(shí)間越短，也可理解為采樣率更高，這樣會(huì)使條紋越精細(xì)，亮暗對比度越高，越接近真實(shí)波形，如圖5(a)和(b)的仿真圖所示。但實(shí)際拍攝中，當(dāng)曝光時(shí)間設(shè)置過短會(huì)導(dǎo)致相片中的信噪比大幅度降低，條紋模糊，辨認(rèn)度反而會(huì)降低。如曝光時(shí)間1/500s 所拍攝的照片信噪比明顯比1/250 s 低，圖片充滿顆粒。當(dāng)曝光時(shí)間增大到1/100 s時(shí)，由于每個(gè)像素的積分時(shí)間剛好為一個(gè)周期，因此，實(shí)際拍攝不會(huì)得到頻閃條紋，而仿真結(jié)果也正好驗(yàn)證了這一點(diǎn)。當(dāng)曝光時(shí)間繼續(xù)增大為1/80 s時(shí)，頻閃條紋再次出現(xiàn)。但由于積分時(shí)間已超過一個(gè)閃爍周期，亮暗對比度已經(jīng)明顯下降。

由于Matlab的仿真結(jié)果是以數(shù)字形式保存的，因此，除了可通過人眼實(shí)際觀察判斷外，不同閃爍波形的頻閃條紋也可通過亮度剖線圖來比較。圖6(a)為Excel生成的三個(gè)閃爍波形，閃爍百分比都設(shè)定為100%。圖6(b)為對應(yīng)的仿真得到頻閃條紋，曝光時(shí)間設(shè)為1/4個(gè)頻閃周期。通過提取仿真矩陣數(shù)據(jù)中的其中一行，如圖6(b)白線表示，即可以繪制得到仿真頻閃條紋的亮度剖線圖，見圖7。通過比較剖線圖，我們可以更清晰、更準(zhǔn)確、更直觀地比較不同閃爍波形的頻閃條紋。

圖6　(a) 利用Excel 生成的頻閃波形及(b)對應(yīng)的仿真圖Fig.6　Flicker waveform produced by Excel and its simulation results

圖7　亮度剖線圖Fig.7　Brightness

3總結(jié)

從文中的實(shí)驗(yàn)可看出，即使是在相同的閃爍環(huán)境下，手機(jī)拍攝時(shí)的設(shè)置不同可導(dǎo)致成像時(shí)頻閃條紋有差異，因此，以拍照的方式來比較燈具之間的閃爍情況是不客觀的。但目前，由于LED燈具的閃爍測量標(biāo)準(zhǔn)和安全閃爍標(biāo)準(zhǔn)還沒建立，以數(shù)碼成像方式捕捉頻閃條紋，從而比較燈具間的閃爍程度是消費(fèi)者在選購時(shí)的唯一便捷的判斷手法。因此，注重照明質(zhì)量的燈具制造商往往希望建立內(nèi)部的閃爍標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)消費(fèi)者的購買習(xí)慣。但是，內(nèi)部閃爍標(biāo)準(zhǔn)的建立通常需要收集大量的數(shù)據(jù)，用于分析閃爍波形和頻閃條紋的關(guān)系。因此，數(shù)據(jù)的收集涉及產(chǎn)生特定閃爍波形的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和制作，評(píng)估過程將會(huì)是高成本以及非常繁瑣。本文提出以Matlab仿真方法獲取頻閃條紋圖像，通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了仿真的頻閃條紋與實(shí)際拍攝效果十分接近，能真實(shí)反映實(shí)際情況。通過仿真，任意的閃爍波形可通過Excel生成，免去了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及制作。并且，圖像直接用電腦生成，無需利用空間去制造特定的閃爍照明環(huán)境。以上，很大程度地節(jié)省了數(shù)據(jù)收集的時(shí)間和成本。最后，仿真方法可將頻閃條紋的亮暗程度波形化，使得不同閃爍波形之間頻閃條紋的比較更客觀。

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Principle and Simulation of Digital Imaging for Stroboscopic Effect

Gu Zhaotai,Lu Dongping,Gou Congjun

(TESTLABOFWACLIGHTING(DONGGUAN),CO.Ltd,DongGuan523653，China)

Abstract：Presently, solid-state lighting luminaires have no standard to define an acceptable frequency, amplitude variation, and standardised measurement procedures for flicker. Most consumers prefer to evaluate flicker by the acceptability of flicker pattern photographed by cell phone camera. In this paper, the principle of digital imaging of stroboscopic effect is analyzed, summarized into equations and verified by Matlab simulation. It could be a useful tool for luminaire manufacturers in collecting sufficient data to specify the flicker criteria based on the consumers’ habit for their products.

Key words:flicker; stroboscopic effect; flicker index; percent flicker

中圖分類號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.027