頻閃效應數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驗室，廣東 東莞　523653)

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頻閃效應數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驗室，廣東 東莞523653)

摘要：目前，還沒有建立標準去定義LED燈具的可接受閃爍頻率、幅度以及檢測方法。大多數消費者在選購照明燈具時，通過以手機拍攝的方法捕捉到頻閃效應條紋，并以條紋的明顯程度作為頻閃效應的判斷標準。本文分析了頻閃效應的數碼成像原理，總結出計算公式，提出利用MATLAB實現頻閃效應條紋的仿真，并通過實驗驗證其可靠性。燈具制造商可通過仿真方法，獲取任意自設定閃爍波形的頻閃效應條紋，收集足夠的數據，以針對消費者的購買習慣，建立內部燈具可接受閃爍的判斷標準。

關鍵詞：閃爍；頻閃效應； 閃爍指數；閃爍百分比

引言

閃爍是指光輸出隨時間呈快速周期變化的現象。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，會對人產生視覺誤導，嚴重影響人們的工作和生活。如當體育場館內存在閃爍，頻閃效應使得羽毛球、乒乓球的運動軌跡無法看清[2]。當工廠的照明環境存在閃爍，順時針轉動的機器可能會被看成是靜止，甚至是逆時針轉動，這樣會使人誤判而執行錯誤操作，可能會造成設備損壞，甚至是人員傷亡。

因此，閃爍對評估是評價照明系統的一個重要指標。目前，閃爍的測量標準和安全判斷準則還沒建立，IEEE Standard PAR1789一直致力于建立相關的標準。現有的大多研究是基于人眼對由閃爍引起的頻閃效應的覺察率和接受程度來評估閃爍的可接受程度，從而評估閃爍的兩個主要參數[1-6]，閃爍頻率和閃爍變化幅度。在沒有相關標準指引下，消費者在購買燈具時需要自行判斷閃爍的變化幅度是否在使用要求以內。但由于在絕大多數情況下，閃爍頻率為交流輸入頻率的兩倍，即50Hz的交流電，會產生100Hz的閃爍，人眼無法直接判定。因此，利用手機拍照的方式，捕捉燈具閃爍引起的頻閃效應條紋，從而判斷燈具的閃爍程度，對消費者來說是一個方便可行的辦法。

為了適應消費者選購燈具的習慣，注重燈具照明質量的燈具制造商可能需要建立相應的數據庫，用于分析燈具閃爍的變化幅度(閃爍指數[7]和閃爍百分比[8])和頻閃效應成像之間的關系，制定出內部標準，從而提高燈具品質和燈具銷量。為了收集足夠的數據，燈具制造商可能需要制作不同的驅動電路，以產生需要的閃爍波形，然后通過用手機對閃爍照明環境拍照，獲取各樣的頻閃條紋，以確認可接受閃爍的判斷標準。如此，數據的收集將會是非常繁瑣和高成本的。

為了簡化數據收集過程，降低成本，本文提出以Matlab計算仿真的方式獲取不同閃爍波形的頻閃效應條紋成像圖。在仿真條件下，任何的閃爍波形都可以通過Excel設定的，而不必制作實際的驅動電路，免去了繁瑣的電路設計和制作過程，節省了數據收集的時間和成本。文中通過比對了實際拍攝的與仿真的頻閃條紋，驗證了仿真結果的可靠性。同時，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

當照明環境存在閃爍時，在適當的設置下，大多數的手機都可以拍出亮暗相間的條紋。圖1為不同品牌的手機拍攝到的頻閃條紋。這些條紋是手機對頻閃效應的數碼成像，大多數消費者根據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

頻閃效應數碼成像的主要原理如圖2所示。在拍照過程中，手機讀取感光元件的光信號是有先后順序的，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。當照明環境存在閃爍時，波形如圖2所示，感光元件光信號的讀取順序將會使最終圖像每列像素所對應的光照環境不一樣。最終圖像中對應感光陣列中L1列的像素所呈現的亮度，會較對應L3列的像素暗。因此，最終圖像就會如圖1所示，呈現出明暗相間的周期性條紋。

圖2　頻閃效應數碼成像的主要原理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因素：閃爍波形(包括變化幅度和頻率)和曝光時間。如圖3(a)所示，在曝光時間設定為1/250 s 情況下，閃爍波形的差異會導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，不同的曝光時間，也會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

為了實現頻閃條紋數碼成像的仿真，我們需要建立相應的表達式，去計算頻閃條紋圖像上每列像素的相對亮度。根據圖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間，t為拍照時設定的曝光時間，Δt為相鄰列信號處理的時間差。各品牌信號的手機的Δt并不相同，如圖1所示，會導致拍攝圖像包含的條紋周期數不一樣。但這個并不會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間有關。

2仿真結果與討論

我們利用同一臺手機 (諾基亞 630)，設定不同的曝光時間，在100Hz的閃爍照明環境下進行頻閃效應成像。通過比較實際成像頻閃條紋效果和仿真條紋效果，驗證仿真的可行性。圖4為實驗用的閃爍波形，通過遠方光源頻閃測量儀(EVERFINE LFA-2000) 以10k/s的采樣率獲取的。在這個閃爍環境下，分別以不同的曝光時間，對一張白紙進行拍攝，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據和實驗拍攝時所設置的曝光時間，代入公式(1)、(2)，通過Matlab仿真，結果見圖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間100μs。

圖4　實驗環境的閃爍波形Fig.4　Flicker waveform of experiment environment

圖5　不同曝光時間下，實際拍攝的頻閃條紋及相應的仿真結果Fig.5　Flicker pattern photographed and its simulationresult under different exposure time

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

由于Matlab的仿真結果是以數字形式保存的，因此，除了可通過人眼實際觀察判斷外，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生成的三個閃爍波形，閃爍百分比都設定為100%。圖6(b)為對應的仿真得到頻閃條紋，曝光時間設為1/4個頻閃周期。通過提取仿真矩陣數據中的其中一行，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

從文中的實驗可看出，即使是在相同的閃爍環境下，手機拍攝時的設置不同可導致成像時頻閃條紋有差異，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燈具的閃爍測量標準和安全閃爍標準還沒建立，以數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者在選購時的唯一便捷的判斷手法。因此，注重照明質量的燈具制造商往往希望建立內部的閃爍標準，以適應消費者的購買習慣。但是，內部閃爍標準的建立通常需要收集大量的數據，用于分析閃爍波形和頻閃條紋的關系。因此，數據的收集涉及產生特定閃爍波形的驅動電路的設計和制作，評估過程將會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，通過對比實驗驗證，證明了仿真的頻閃條紋與實際拍攝效果十分接近，能真實反映實際情況。通過仿真，任意的閃爍波形可通過Excel生成，免去了驅動電路的設計及制作。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境。以上，很大程度地節省了數據收集的時間和成本。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。

參考文獻

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[8] Eastman A A, Campbell J H. Stroboscopic and flicker effects from fluorescent lamps. Illuminating Engineering, 1952, 47(1): 27-35.

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：TM923

文獻標識碼：A

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