Пульсация освещения

Пульсация освещения. Возможно в быту редко кто обращает внимание на пульсацию освещения, но когда дело доходит до фото или видео съемки, пульсация освещения играет одну из важнейших ролей при создании качественных фото и видео снимков. Особенно если это профессиональные съемки.

Коэффициент пульсации освещенности при искусственном освещении.

Пульсация освещения возникает при питании источников света переменным или импульсным током. Человек зрительно различает пульсации светового потока с частотой, меньшей критической частоты слияния мерцаний, лежащей в диапазоне от 35 до 60 Гц в зависимости от области сетчатки глаза, воспринимающей излучение: для фовеальной области КЧСМ составляет 40…55 Гц, для парафовеальной она возрастает до 55…60 Гц, на крайней периферии снижается до 35…40 Гц. Таким образом, пульсация освещения сильнее заметна периферическим зрением.

Коэффициент пульсации освещенности — один из качественных показателей внутренних осветительных установок, регламентируемый СП 52.13330.2011, а также рядом других правил и норм. По определению коэффициент пульсации освещенности – критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в осветительной установке в результате изменения во времени светового потока источников света при их питании переменным током. В зависимости от разряда зрительной работы, коэффициент пульсаций освещенности ограничивается значениями, не превышающими 10%, 15% или 20%.

Пульсация освещения – как влияет на здоровье человека?

Широко распространено мнение, что человеческий глаз чувствует пульсацию освещения частота которой не превышает нескольких десятков Герц. На этом допущении построено воспроизведение видеоизображений в кино и телевидении – там частота смены кадров составляет 25 Гц, 50Гц и более, что воспринимается глазом человека как целостное во времени, плавно изменяющееся изображение. Дело в том, что мозг человека перестает успевать полноценно обрабатывать ту часть поступающей ему от органов зрения информации, которая изменяется с частотой выше нескольких десятков Герц.

Иными словами, если в воспринимаемой органами зрения человека информации присутствует пульсация освещённости или яркости, частотой ниже указанных, то она воздействует непосредственно на сетчатку глаза человека, затем поступает в зрительный тракт и уже через наружное коленчатое тело, зрительную радиацию, анализируется в первичной зрительной коре. В результате, мы можем описать условия получения зрительной информации: яркость и контраст изображения, цвета и оттенки, есть ли пульсации яркости или освещённости. Если же параметры изображения нас не устраивают, то мы пытаемся как-то приспособиться к их восприятию и, в конце концов, сознательно ограничиваем время визуального восприятия этой информации ввиду дискомфорта.

Однако медицинские исследования показали, что органы зрения и мозг человека продолжают воспринимать и реагировать на изменения воспринимаемой зрительной информации вплоть до частоты 300Гц. Такие изменения в воспринимаемой органами зрения информации оказывают уже не визуальное воздействие. В этом случае, свет, попадающий в глаз, проделывает путь к супрахиазматическим клеткам и паравентрикулярным ядрам гипоталамуса, а также к шишковидной железе. И тогда свет управляет уже нашим гормональным фоном, который влияет на циркадные (суточные) ритмы, эмоциональную сферу, работоспособность и многие другие аспекты жизнедеятельности. Многие, наверное, уже сталкивались с таким не визуальным воздействием пульсаций искусственного освещения в виде ощущения необъяснимого чувства дискомфорта, усталости или недомогания во, вроде бы, хорошо и ярко освещённых помещениях или при работе с компьютером.

Самое опасное то что, пульсация освещения – это то, что мы не чувствуем напрямую его влияния на наш организм и не можем принять меры для уменьшения опасных последствий такого воздействия на наше здоровье. Не визуальное воздействие света может приводить к расстройству биологических ритмов человека и к “циркадным стрессам”, которые, в свою очередь, могут приводить к развитию таких заболеваний, как депрессии, бессонница, патологии сердечно-сосудистой системы и рак. По-видимому, не визуальное воздействие света на организм человека, заметно более глубокое, чем визуальное, хотя , оно ещё очень мало изучено.

Для светового потока, пульсация освещения которого превышает частоту 300 Гц, какого-либо заметного воздействия на организм человека выявлено не было, ввиду того, что на такие быстрые изменения интенсивности светового потока перестает уже реагировать сетчатка глаза человека.

Пульсация освещения во время съемок на камеру.

Но сегодняшние профессионалы в области фотографии и кинематографии ищут больше, чем просто фиксированный, с правильной цветопередачей / высокой светодиодами CRI. Сопоставление с переменным освещением окружающей среды и непредсказуемыми порядками пульсации освещения может означать, что возможность динамического управления светодиодными источниками света на месте имеет решающее значение.

Другими словами, возможность контролировать яркость,цветовую температуру или оттенок на лету теперь является почти минимальным требованием для фотографов и светотехников. Регулирование яркости светодиодного освещения, почти всегда осуществляется с помощью диммера (DMX или аналогового), который обычно устанавливается между источником питания и светодиодным источником света. Однако не все диммеры одинаковы и могут вызывать проблемы, связанные с мерцанием при использовании в фильмах и фотографиях.

Поэтому абсолютно необходимо, чтобы при освещении сцены для фотографии или кинематографа использовался светодиодный диммер без мерцания.

На эту тему у нас была отдельная статья, какие блоки питания, диммеры или другие устройства нужно использовать, чтобы полностью избавится от пульсации светодиодного освещения.

Пульсации светодиодного освещения?

Почти все светодиодные диммеры работают по принципу, известному как широтно-импульсная модуляция (сокращенно PWM). ШИМ работает, «мигая» светодиодами с высокой скоростью, так что он циклически повторяет состояния «включено» и «выключено» много раз в секунду. Воспринимаемый эффект – пониженная яркость, поскольку светодиоды больше не излучают свет в течение каждого из этих циклов. Увеличивая или уменьшая соотношение времени «включено» к «выключено» во время каждого цикла, яркость можно увеличивать или уменьшать соответственно.

Если понять принцип диммирования светодиодных источников света и ШИМ, проблема мерцания должна стать очевидной. Затемнение ШИМ – это просто контролируемое «мерцание» светодиодной ленты между состояниями «включено» и «выключено». Другими словами, источник света фактически не производит постоянный световой поток с постоянной яркостью, даже если это кажется нашим системам человеческого зрения, что это работает.

Все светодиодные диммеры производят пульсации освещения? 

В строгом смысле, да – все диммеры светодиодных лент, которые работают с использованием ШИМ, производят мерцание. Поэтому, хотя термин «без мерцания» используется часто, мы должны с осторожностью отметить, что более точное определение будет «свободным от любого вредного воздействия мерцания».

Выше приведен пример видео, показывающего эффекты мерцания. Хотя для человека источник света имеет постоянную яркость, видеокамеры показывают, что на самом деле он быстро переключается между состояниями «включено» и «выключено». Результатом является неприглядное изменение освещенности в каждом кадре.

Другим распространенным признаком пульсации освещения является наличие статических или смещающих темных линий или «полос» вертикально по всему изображению. Это также вызвано циклом включения / выключения светодиодной ленты. Это чаще всего наблюдается с цифровыми камерами, включая камеры смартфонов

КСТАТИ. последние камеры смартфонов имеют встроенное программное обеспечение, чтобы исправить это.

Линии появляются вертикально, а не по всему изображению, благодаря тому, что цифровые камеры обрабатывают сенсорные входы линейно от верха до низа изображения. Темные линии представляют моменты времени, в которые светодиодный источник света находился в выключенном состоянии. Мы упоминали выше, что все диммеры ШИМ производят мерцание. Однако важным аспектом является то, что степень мерцания светодиодного диммера широко варьируется в зависимости от уровня сложности светодиодного диммера ».

Низкопрофильные светодиодные диммеры могут создавать мерцание, которое заметно невооруженным глазом, и даже средние и высококачественные светодиодные диммеры по-прежнему будут вызывать мерцание в видео- и фотографических системах, и их нельзя считать мерцанием. Однако при правильной конструкции или работе без мерцания светодиодные диммеры могут фактически использоваться для видео и фотографирования без каких-либо негативных последствий от мерцания и даже могут быть безопасны для использования в высокоскоростных системах камер.

Как сделать светодиодное освещение без мерцания?

Частота ШИМ – это термин, который описывает, сколько циклов включения / выключения светодиодный источник света выполняет в секунду, и измеряется в герцах (Гц). Серьезность пульсации светодиодного освещения в основном определяется частотой ШИМ регулятора яркости светодиодной полосы, а также скоростью затвора камеры (и, соответственно, частотой кадров).

Чтобы лучше понять, почему это так, давайте возьмем гипотетический пример видеокамеры, снимаемой со скоростью 10 кадров в секунду, с регулятором яркости светодиодной полосы, настроенным на яркость 50%, и частотой 5 Гц. Проще говоря, это означает, что видеокамера делает 10 «неподвижных» снимков в течение 1-секундного периода, в то время как светодиод включается и выключается на равные промежутки времени, 5 раз за 1-секундный период.

На приведенной ниже диаграмме желтая область представляет временные рамки, когда светодиод находится во включенном состоянии. Черные области представляют временные рамки, когда затвор камеры открыт.

В этом крайнем, но иллюстративном примере каждый второй кадр будет выглядеть абсолютно темным, потому что видеокамера захватывает изображение в два раза чаще, чем светодиодный индикатор находится во включенном состоянии. Когда светодиодный свет находится в выключенном состоянии, в этот разделенный момент времени свет вообще не излучается, и в результате захваченный кадр также будет выглядеть абсолютно темным.

Что если оставить настройки камеры такими же (10 к / с), но увеличить частоту ШИМ до 40 Гц? Теперь мы переключаемся между состояниями «включено» и «выключено» 40 раз в секунду, что является обычной частотой, используемой низкочастотными диммерами светодиодов.

Теперь вы увидите, что каждый из 10 кадров, снятых в течение 1-секундного периода, теперь имеет, по крайней мере, немного освещения, что является улучшением по сравнению с первым примером. Это означает, что при 40 Гц вы не получите абсолютно темных кадров. Но вы заметите, что количество света, присутствующего в каждом кадре, не одинаково. Результат по-прежнему недопустим, так как некоторые кадры будут иметь больше света, чем другие, что все еще создает заметное мерцание в вашем видео.

Далее мы увеличиваем частоту кадров до 500 Гц (снова сохраняя настройку камеры 10 к / с). Это в ассортименте продукции среднего уровня для светодиодных диммеров. Для каждого из интервалов захвата кадра на приведенной ниже диаграмме мы получаем более равномерно распределенное количество света благодаря более быстрому переключению между состояниями «включено» и «выключено» светодиодов.

10 кадров в секунду – это нереально низкая частота кадров для большинства видеоприложений (обычно 24 или 30 кадров в секунду), и многие видеосистемы с замедленным движением или высокоскоростные видео будут использовать более высокую частоту кадров (то есть 240 кадров в секунду или более). В результате 500 Гц все еще недостаточно для захвата видео без мерцания.

На нашей диаграмме увеличение частоты кадров будет представлено более черными линиями, а увеличение скорости затвора приведет к более тонким черным линиям. Мы решили не иллюстрировать это, потому что мы были бы ограничены разрешением экрана устройства, которое вы используете для чтения этой статьи, но увеличенная версия этой диаграммы по сути будет выглядеть как наш первый пример на частоте 10 кадров в секунду и частоте 5 Гц.

Что же такое частота ШИМ, необходимая для съемки без пульсации освещения?

Мы рекомендуем использовать диммеры LED и DMX  с достаточно высокой частотой ШИМ 25 000 Гц (25 кГц) или выше. Используя по-настоящему высокочастотный метод диммирования ШИМ, можно использовать даже приложения с высокой частотой кадров и высокой скоростью затвора без каких-либо вредных эффектов мерцания.

Подробнее о этих устройствах вы можете прочитать здесь.