频闪效应数码成像的原理及仿真

顾兆泰,卢东平,缑从军

(东莞华明灯具有限公司实验室，广东 东莞　523653)



频闪效应数码成像的原理及仿真

顾兆泰,卢东平,缑从军

(东莞华明灯具有限公司实验室，广东 东莞523653)

摘要：目前，还没有建立标准去定义LED灯具的可接受闪烁频率、幅度以及检测方法。大多数消费者在选购照明灯具时，通过以手机拍摄的方法捕捉到频闪效应条纹，并以条纹的明显程度作为频闪效应的判断标准。本文分析了频闪效应的数码成像原理，总结出计算公式，提出利用MATLAB实现频闪效应条纹的仿真，并通过实验验证其可靠性。灯具制造商可通过仿真方法，获取任意自设定闪烁波形的频闪效应条纹，收集足够的数据，以针对消费者的购买习惯，建立内部灯具可接受闪烁的判断标准。

关键词：闪烁；频闪效应； 闪烁指数；闪烁百分比

引言

闪烁是指光输出随时间呈快速周期变化的现象。由于交流电输入的原因，几乎所有电光源都存在闪烁的现象。无论是低频的可见闪烁还是高频的不可见闪烁(频率>75Hz)，都可对人生理心理造成负面影响，如头痛、眼疲劳、光敏性癫痫、注意力不集中等[1]。除此之外，由灯具闪烁引起的频闪效应，会对人产生视觉误导，严重影响人们的工作和生活。如当体育场馆内存在闪烁，频闪效应使得羽毛球、乒乓球的运动轨迹无法看清[2]。当工厂的照明环境存在闪烁，顺时针转动的机器可能会被看成是静止，甚至是逆时针转动，这样会使人误判而执行错误操作，可能会造成设备损坏，甚至是人员伤亡。

因此，闪烁对评估是评价照明系统的一个重要指标。目前，闪烁的测量标准和安全判断准则还没建立，IEEE Standard PAR1789一直致力于建立相关的标准。现有的大多研究是基于人眼对由闪烁引起的频闪效应的觉察率和接受程度来评估闪烁的可接受程度，从而评估闪烁的两个主要参数[1-6]，闪烁频率和闪烁变化幅度。在没有相关标准指引下，消费者在购买灯具时需要自行判断闪烁的变化幅度是否在使用要求以内。但由于在绝大多数情况下，闪烁频率为交流输入频率的两倍，即50Hz的交流电，会产生100Hz的闪烁，人眼无法直接判定。因此，利用手机拍照的方式，捕捉灯具闪烁引起的频闪效应条纹，从而判断灯具的闪烁程度，对消费者来说是一个方便可行的办法。

为了适应消费者选购灯具的习惯，注重灯具照明质量的灯具制造商可能需要建立相应的数据库，用于分析灯具闪烁的变化幅度(闪烁指数[7]和闪烁百分比[8])和频闪效应成像之间的关系，制定出内部标准，从而提高灯具品质和灯具销量。为了收集足够的数据，灯具制造商可能需要制作不同的驱动电路，以产生需要的闪烁波形，然后通过用手机对闪烁照明环境拍照，获取各样的频闪条纹，以确认可接受闪烁的判断标准。如此，数据的收集将会是非常繁琐和高成本的。

为了简化数据收集过程，降低成本，本文提出以Matlab计算仿真的方式获取不同闪烁波形的频闪效应条纹成像图。在仿真条件下，任何的闪烁波形都可以通过Excel设定的，而不必制作实际的驱动电路，免去了繁琐的电路设计和制作过程，节省了数据收集的时间和成本。文中通过比对了实际拍摄的与仿真的频闪条纹，验证了仿真结果的可靠性。同时，亮度剖线图可将仿真的频闪条纹的变化程度波形化，条纹之间的比较显得更客观、直观。

1原理

当照明环境存在闪烁时，在适当的设置下，大多数的手机都可以拍出亮暗相间的条纹。图1为不同品牌的手机拍摄到的频闪条纹。这些条纹是手机对频闪效应的数码成像，大多数消费者根据频闪条纹的明显程度来判断灯具的闪烁程度。

图1　(a) iphone 4s 和 (b)诺基亚520 拍摄到的频闪条纹Fig.1　Flicker pattern photographed by iphone 4s and Nokia 520

频闪效应数码成像的主要原理如图2所示。在拍照过程中，手机读取感光元件的光信号是有先后顺序的，如图所示，按照感光元件的列顺序L1，L2……L10获取。因此每列像素获得的光信息有前后之分。当照明环境存在闪烁时，波形如图2所示，感光元件光信号的读取顺序将会使最终图像每列像素所对应的光照环境不一样。最终图像中对应感光阵列中L1列的像素所呈现的亮度，会较对应L3列的像素暗。因此，最终图像就会如图1所示，呈现出明暗相间的周期性条纹。

图2　频闪效应数码成像的主要原理Fig.2　Main principle of stroboscopic effect digital imaging

从以上原理分析可知，影响频闪条纹的主要有两个因素：闪烁波形(包括变化幅度和频率)和曝光时间。如图3(a)所示，在曝光时间设定为1/250 s 情况下，闪烁波形的差异会导致最终成像的频闪条纹有差别。反过来，图3(b)则说明了在相同的闪烁波形下，不同的曝光时间，也会对频闪条纹的明显程度有影响。

图3　(a)闪烁波形对频闪条纹的影响；(b)曝光时间对频闪条纹的影响Fig.3　Effect of flicker waveform and exposure time on the flicker pattern

为了实现频闪条纹数码成像的仿真，我们需要建立相应的表达式，去计算频闪条纹图像上每列像素的相对亮度。根据图1所描述的原理可知，特定某一列像素的相对亮度值为特定某一段闪烁波形的积分，如第n列像素的相对亮度公式如下

(1)

如此，相邻列如第n+1列的像素相对亮度值则为

(2)

式中，Tn为第n列像素的积分起始时间，t为拍照时设定的曝光时间，Δt为相邻列信号处理的时间差。各品牌信号的手机的Δt并不相同，如图1所示，会导致拍摄图像包含的条纹周期数不一样。但这个并不会影响到条纹的亮暗变化程度和形状，频闪条纹的亮暗对比程度只与闪烁波形和积分时间有关。

2仿真结果与讨论

我们利用同一台手机 (诺基亚 630)，设定不同的曝光时间，在100Hz的闪烁照明环境下进行频闪效应成像。通过比较实际成像频闪条纹效果和仿真条纹效果，验证仿真的可行性。图4为实验用的闪烁波形，通过远方光源频闪测量仪(EVERFINE LFA-2000) 以10k/s的采样率获取的。在这个闪烁环境下，分别以不同的曝光时间，对一张白纸进行拍摄，获得不同的频闪条纹，见图5左边一栏。把已知的闪烁波形数据和实验拍摄时所设置的曝光时间，代入公式(1)、(2)，通过Matlab仿真，结果见图5右边一栏。 Δt对条纹的亮暗程度和周期没有影响，在本次仿真中，其值等于采样间隔时间100μs。

图4　实验环境的闪烁波形Fig.4　Flicker waveform of experiment environment

图5　不同曝光时间下，实际拍摄的频闪条纹及相应的仿真结果Fig.5　Flicker pattern photographed and its simulationresult under different exposure time

对比实际拍摄的和仿真的频闪条纹，可以清楚看出仿真结果能很好地反映出实际的拍摄效果，两者的条纹亮暗程度和周期一致。理论上，曝光时间越短，表明每个像素的亮度积分时间越短，也可理解为采样率更高，这样会使条纹越精细，亮暗对比度越高，越接近真实波形，如图5(a)和(b)的仿真图所示。但实际拍摄中，当曝光时间设置过短会导致相片中的信噪比大幅度降低，条纹模糊，辨认度反而会降低。如曝光时间1/500s 所拍摄的照片信噪比明显比1/250 s 低，图片充满颗粒。当曝光时间增大到1/100 s时，由于每个像素的积分时间刚好为一个周期，因此，实际拍摄不会得到频闪条纹，而仿真结果也正好验证了这一点。当曝光时间继续增大为1/80 s时，频闪条纹再次出现。但由于积分时间已超过一个闪烁周期，亮暗对比度已经明显下降。

由于Matlab的仿真结果是以数字形式保存的，因此，除了可通过人眼实际观察判断外，不同闪烁波形的频闪条纹也可通过亮度剖线图来比较。图6(a)为Excel生成的三个闪烁波形，闪烁百分比都设定为100%。图6(b)为对应的仿真得到频闪条纹，曝光时间设为1/4个频闪周期。通过提取仿真矩阵数据中的其中一行，如图6(b)白线表示，即可以绘制得到仿真频闪条纹的亮度剖线图，见图7。通过比较剖线图，我们可以更清晰、更准确、更直观地比较不同闪烁波形的频闪条纹。

图6　(a) 利用Excel 生成的频闪波形及(b)对应的仿真图Fig.6　Flicker waveform produced by Excel and its simulation results

图7　亮度剖线图Fig.7　Brightness

3总结

从文中的实验可看出，即使是在相同的闪烁环境下，手机拍摄时的设置不同可导致成像时频闪条纹有差异，因此，以拍照的方式来比较灯具之间的闪烁情况是不客观的。但目前，由于LED灯具的闪烁测量标准和安全闪烁标准还没建立，以数码成像方式捕捉频闪条纹，从而比较灯具间的闪烁程度是消费者在选购时的唯一便捷的判断手法。因此，注重照明质量的灯具制造商往往希望建立内部的闪烁标准，以适应消费者的购买习惯。但是，内部闪烁标准的建立通常需要收集大量的数据，用于分析闪烁波形和频闪条纹的关系。因此，数据的收集涉及产生特定闪烁波形的驱动电路的设计和制作，评估过程将会是高成本以及非常繁琐。本文提出以Matlab仿真方法获取频闪条纹图像，通过对比实验验证，证明了仿真的频闪条纹与实际拍摄效果十分接近，能真实反映实际情况。通过仿真，任意的闪烁波形可通过Excel生成，免去了驱动电路的设计及制作。并且，图像直接用电脑生成，无需利用空间去制造特定的闪烁照明环境。以上，很大程度地节省了数据收集的时间和成本。最后，仿真方法可将频闪条纹的亮暗程度波形化，使得不同闪烁波形之间频闪条纹的比较更客观。

参考文献

[1] Wilkins A, Veitch J, Lehman B. LED lighting flicker and potential health concerns: IEEE standard PAR1789 update[C]//Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 IEEE. IEEE, 2010: 171-178.

[2] Rea M S, Ouellette M J. Table-tennis under high intensity discharge (HID) lighting. Journal of the Illuminating Engineering Society, 1988, 17(1): 29-35.

[3] Lehman B, Wilkins A, Berman S, et al. Proposing measures of flicker in the low frequencies for lighting applications[C]//Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011 IEEE. IEEE, 2011: 2865-2872.

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[5] Bullough J D, Hickcox K S, Klein T R, et al. Effects of flicker characteristics from solid-state lighting on detection, acceptability and comfort[J]. Lighting Research and Technology, 2011, 43(3): 337-348.

[6] Kitsinelis S, Arexis-Boisson L, Zhang Y, et al. LED Flicker: A Drawback or an Opportunity?[J]. Optics and Photonics Journal, 2013, 3: 63-66.

[7] Rea M S. IESNA Lighting Handbook: Reference and Application. 9th edition. New York: Illuminating Engineering Society of North America, 2000.

[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

中图分类号：TM923

文献标识码：A

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