스트로보 효과

Stroboscopic effect
점멸의 주파수에 따라 소자는 움직이지 않거나 역방향으로 회전하는 것처럼 보입니다.

스트로보 효과는 연속 회전 또는 기타 주기적 움직임이 모션 주기에 가까운 샘플링 속도로 일련의 짧고 순간적인 샘플로 표현될 때 발생하는 앨리어싱에 의해 발생하는 시각적 현상입니다.그것은 "왜건 바퀴 효과"를 설명하는데, 비디오에서 스포크 바퀴가 때때로 뒤로 돌아서는 것처럼 보이기 때문이다.

스트로보 빛을 비추는 일정한 간격으로 떨어지는 물방울의 흐름인 스트로보 분수는 회전하지 않는 순환운동에 스트로보 효과가 적용되는 예이다.일반 조명 아래에서 보면 일반 분수입니다.물방울이 떨어지는 속도에 맞춰 주파수를 조정한 스트로보 빛 아래에서 보면 물방울이 공중에 떠 있는 것처럼 보입니다.스트로보 주파수를 조정하면 물방울이 천천히 위아래로 움직이는 것처럼 보일 수 있습니다.

스트로보 원리와 움직임의 착각을 일으키는 그 능력은 애니메이션, 영화 및 다른 동영상 뒤에 있는 이론을 뒷받침합니다.

설명.

스트로보(Stroboscope)는 기계적 분석에 사용되는 것으로 간주합니다.이것은, 조정 가능한 속도로 점등하는 「스트로브 라이트」인 경우가 있습니다.예를 들어 물체는 초당 60회 회전하고 있습니다.일련의 짧은 플래시로 초당 60회 회전하면 각 플래시는 회전 사이클의 같은 위치에서 물체를 비추기 때문에 물체가 정지해 있는 것처럼 보입니다.또, 초당 60회의 점멸 주파수에서는, 시력의 지속성이 점멸의 시퀀스를 평활화해, 지각 화상이 연속하도록 한다.

같은 회전 물체가 초당 61회 점멸하는 경우, 각 점멸은 회전 주기의 약간 이른 부분에서 점등합니다.물체가 같은 위치에 다시 나타나기 전에 61번의 섬광이 발생하고 일련의 영상이 초당 한 번씩 뒤로 회전하는 것처럼 인식됩니다.

물체가 초당 59회 점멸하는 경우에도 동일한 효과가 발생합니다. 단, 각 점멸이 회전 사이클에서 조금 늦게 점멸하므로 물체가 앞으로 회전하는 것처럼 보입니다.

세계 대부분의 국가의 배전망 특성인 50Hz와 같은 다른 주파수에도 동일하게 적용할 수 있다.

동영상의 경우 액션이 일련의 정지화면으로 빠르게 캡처되어 동일한 스트로보 효과가 발생할 수 있습니다.

라이트 패턴으로부터의 오디오 변환

스트로보 효과는 오디오 재생에도 영향을 미칩니다.콤팩트 디스크는 디스크 표면에서 레이저의 반사를 촬영하여 처리합니다(컴퓨터 데이터에도 사용됩니다).DVD와 Blu-ray 디스크는 같은 기능을 가지고 있습니다.

스트로보 효과도 레이저 마이크에 작용합니다.

마차 바퀴 효과

주요 기사:마차 바퀴 효과
스트로보 효과를 보여주는 디지털 카메라로 촬영한 봄바디어 Q400의 프로펠러

영화 카메라는 일반적으로 초당 24프레임으로 촬영합니다.차량의 휠이 초당 24회전할 가능성은 낮지만(매우 빠르기 때문에), 각 휠에 12개의 스포크가 있고 초당 2회전만 한다고 가정해 보십시오.초당 24프레임으로 촬영하면 각 프레임의 스포크는 정확히 같은 위치에 표시됩니다.따라서 휠은 정지된 것으로 인식됩니다.실제로 한 위치에서 촬영된 각 스포크는 연속되는 각 프레임에서 서로 다른 실제 스포크가 되지만 스포크의 모양과 색상이 거의 같기 때문에 차이가 느껴지지 않습니다.따라서 초당 바퀴가 회전하는 횟수가 24와 12인 한 바퀴는 정지된 것으로 보입니다.

바퀴가 초당 2회전보다 약간 더 느리게 회전하면 스포크의 위치가 각 연속 프레임에서 조금 더 뒤처져 휠이 뒤로 회전하는 것처럼 보입니다.

일반 조명에서 원치 않는 효과

스트로보 효과는 특정한 시간광 예술품 중 하나입니다.일반적인 조명 어플리케이션에서 스트로보 효과는 시간 변조 광원에 의해 조명되는 움직이는 물체 또는 회전하는 물체를 보고 있을 때 가시화될 수 있는 원치 않는 효과입니다.시간적 광변조는 광원 자체의 변동으로 인해 발생할 수도 있고 특정 조광 또는 광레벨 조절 기술의 적용 때문일 수도 있다.광변조의 또 다른 원인은 여과되지 않은 펄스 폭 변조형 외부 조광기가 있는 램프일 수 있다.이 경우 회전 피젯 스피너를 사용하여 테스트할 수 있습니다.

영향들

다양한 과학 위원회는 스트로보 [1][2][3]효과를 포함한 TLM(Temporal Light Modulation)으로 인한 잠재적 건강, 성능 및 안전 관련 측면을 평가했다.일반적인 조명 적용 영역의 부작용으로는 짜증, 작업 수행 저하, 시각적 피로 및 두통이 있다.스트로보 효과의 가시성 측면은 CIE의 기술 노트에 제시되어 있습니다(CIE TN[4] 006:2016 [5][6]및 Perz 논문 참조).

또한 스트로보 효과는 빠르게 이동하거나 회전하는 기계가 있는 작업장에서 안전하지 않은 상황을 초래할 수 있습니다.빠른 회전 기계 또는 이동 부품의 주파수가 광변조의 주파수 또는 주파수의 배수와 일치할 경우 기계가 정지해 있거나 다른 속도로 움직이는 것처럼 보일 수 있으므로 위험한 상황이 발생할 수 있습니다.회전하는 물체에 나타나는 스트로보 효과를 왜건 휠 효과라고도 합니다.

일반적으로 빛의 강도 변동에 의해 유발되는 인간 관찰자의 시각적 지각에 대한 바람직하지 않은 효과를 TLA(Temporal Light Artefacts)라고 한다.스트로보 효과를 포함한 다른 TLA 현상에 대한 배경과 설명은 녹음된 웨비너 '그냥 깜박이는 건가?'[7]에서 제공한다.

일부 특수 용도에서는 TLM이 원하는 효과를 유도할 수도 있습니다.예를 들어 스트로보스코프는 이동 주파수 측정 또는 이동 물체의 분석 또는 타이밍에 사용할 수 있는 짧고 반복적인 섬광을 생성하는 도구입니다.또한 스트로보 비주얼 트레이닝(SVT)은 변조된 조명 또는 간헐적인 [8]시력 조건에서 활동을 수행함으로써 스포터의 시각 및 지각 성능을 향상시키는 것을 목적으로 하는 최신 도구입니다.

근본 원인

조명기구나 램프와 같은 조명기구에서 방출되는 빛은 시간 함수에 따라 의도적으로 또는 의도하지 않게 강도가 달라질 수 있습니다.경고, 신호 전달(예: 신호등 신호, 깜박임 항공 신호), 깜박임을 인지할 목적으로 엔터테인먼트(예: 무대 조명)에 의도적인 빛의 변화를 적용한다.일반적으로 조명기기의 광출력에는 전기 주전원 연결 유형과 관련된 조명기기 기술로 인해 의도하지 않은 광레벨 변조가 남아 있을 수 있다.예를 들어, 단상 주전원에 연결된 조명 장비는 일반적으로 100 또는 120Hz(국가에 따라 다름)에서 주전원 주파수의 두 배에 해당하는 잔류 TLM을 가집니다.

TLM의 크기, 형태, 주기성 및 주파수는 광원의 유형, 주 전원 공급 주파수, 드라이버 또는 밸러스트 기술 및 적용된 광 조절 기술의 유형(예: 펄스 폭 변조)과 같은 여러 요소에 따라 달라집니다.변조 주파수가 플리커 퓨전 임계값 미만이고 TLM의 크기가 특정 레벨을 초과할 경우 이러한 TLM은 플리커로 인식됩니다.플리커 융합 임계값을 초과하는 변조 주파수의 광변조는 직접 인식되지 않지만 스트로보 효과 형태의 착시현상이 가시화될 수 있다(예: 그림 1 참조).

그림 1: 100Hz의 변조 주파수, 50%, 100%의 듀티 사이클(SVM = 4,9)의 사각 변조 광원으로 점등된 이동 스크루 드라이버로 인한 스트로보 효과. 스크루드라이버를 이동하지 않을 경우 작은 포토 인셋이 스트로보 효과의 부재를 보여준다.

LED는 본질적으로 시간적 변조를 발생시키는 것이 아니라 입력 전류 파형을 매우 잘 재생하며, 현재 파형의 모든 리플은 LED의 응답이 빠르기 때문에 빛 리플에 의해 재생됩니다.따라서 TLA PR의 LED 조명은 기존 조명 기술(백열, 형광)에 비해 더욱 다양합니다.조작이 표시됩니다.LED 드라이버 회로에는 많은 타입과 토폴로지가 적용되어 있습니다.간단한 전자제품과 제한되거나 버퍼 캐패시터가 없는 경우 잔류 전류 리플이 더 커지기 때문에 시간 광변조가 더 커집니다.

외부적으로 적용된 조광기(호환되지 않는 조광기) 또는 내부 조광기의 조광 기술은 스트로보 효과 수준에 추가적인 영향을 미칠 수 있습니다. 시간적 조광 수준은 일반적으로 낮은 조도 수준에서 증가합니다.

참고 – 시간적 광변조는 종종 깜박임이라고 한다.또한 스트로보 효과는 종종 깜박임이라고 불립니다.그러나 플리커는 비교적 낮은 변조 주파수(일반적으로 80Hz 미만)에서 광변조에 의해 발생하는 직접 가시적인 효과인 반면, 일반적인 (주거용) 스트로보 효과는 일반적으로 80Hz 이상) 변조 주파수와 함께 광변조가 존재하는 경우 가시화될 수 있다.

경감

일반적으로 TLM의 레벨을 낮추는 것으로, 바람직하지 않은 스트로보 효과를 회피할 수 있다.

광원의 TLM을 줄이기 위한 조명 장비의 설계는 일반적으로 다른 제품 특성과 트레이드오프이며 일반적으로 비용과 크기를 증가시키거나 수명을 단축하거나 에너지 효율을 낮춥니다.

예를 들어 전류에서 구동 LED로의 변조를 줄이고 TLA의 가시성을 낮추려면 전해 콘덴서와 같은 대용량 저장 캐패시터가 필요합니다.단, 이러한 콘덴서를 사용하면 LED의 수명이 대폭 단축됩니다.이는 LED가 모든 컴포넌트 중 가장 높은 고장률을 나타내기 때문입니다.TLA의 가시성을 낮추는 또 다른 해결책은 구동 전류의 주파수를 늘리는 것이지만, 이는 시스템의 효율성을 떨어뜨리고 전체 크기를 증가시킵니다.

가시성

스트로보 효과는 TLM의 변조 주파수가 80Hz ~ 2000Hz 범위이고 TLM의 크기가 특정 레벨을 초과하는 경우 표시됩니다.스트로보 효과로서 TLM의 가시성을 결정하는 다른 중요한 요소는 다음과 같습니다.

  • 임시 변조 광파형의 형상(예: 사인파, 직사각형 펄스 및 듀티 사이클)
  • 광원의 조명 수준
  • 관찰된 이동 물체의 이동 속도
  • 나이와 피로와 같은 생리적인 요인들.
그림 2: 스트로보 효과 대비 임계값 기능(가시성 참조)

모든 인간이 동일한 빛의 파동의 영향을 동일한 방식으로 인식하지 않기 때문에 모든 관찰자 관련 영향량은 확률적 매개변수이다.그렇기 때문에 스트로보 효과의 인식은 항상 일정한 확률로 표현된다.일반적인 애플리케이션에서 발생하는 광 수준과 물체의 적당한 이동 속도(사람이 만들 수 있는 속도에 연결)의 경우, 평균 민감도 곡선이 지각 [5][9]연구에 기반하여 도출되었다.주파수 f의 함수로 스트로보 효과 대비 임계값 함수라고도 하는 사인파 변조 광 파형의 평균 감도 곡선은 다음과 같습니다.

대비 임계값 함수는 그림 2에 나와 있습니다.스트로보 효과는 TLM의 변조 주파수가 약 10Hz ~ 2000Hz 범위에 있고 TLM의 크기가 특정 레벨을 초과하는 경우 표시됩니다.대비 임계값 기능은 100Hz에 가까운 변조 주파수에서 스트로보 효과가 상대적으로 낮은 변조 크기에서 가시적으로 나타난다는 것을 보여줍니다.이론적으로 스트로보 효과는 100Hz 미만의 주파수 범위에서도 볼 수 있지만 실제로는 플리커의 가시성이 최대 60Hz의 주파수 범위에서 스트로보 효과를 지배합니다.또한 잔존 TLM은 일반적으로 주 주파수(100Hz 또는 120Hz)의 두 배인 변조 주파수에서 발생하기 때문에 100Hz 미만의 주파수를 갖는 의도적인 반복 TLM은 실제로 발생할 가능성이 낮다.

스트로보 효과 및 기타 시간광 아티팩트의 가시성에 대한 자세한 설명은 CIE TN 006:2016[4] 및 기록된 웨비너 "Is just just flicker?"[7]에도 나와 있다.

스트로보 효과의 객관적 평가

스트로보 효과 가시성 측정기

스트로보 효과의 객관적인 평가를 위해 스트로보 효과 가시성 측정(SVM)이 [4][5][9]개발되었습니다.스트로보 효과 가시성 측정기의 사양 및 조명 장비의 객관적 평가를 위한 시험 방법은 IEC 기술 보고서 IEC TR 63158에 [10]게재되어 있다.SVM은 다음 합계식을 사용하여 계산됩니다.

여기서m C는 상대 조도(DC 레벨에 대한 상대)의 m번째 푸리에 성분(트리거메트릭 푸리에 시리즈 표현)의 상대 진폭이다.

T는m m번째 푸리에 성분의 주파수에서 사인파의 스트로보 효과를 가시화하기 위한 스트로보 효과 대비 임계값 함수입니다( vis 가시성 참조).SVM은 일반적인 실내 조도 수준(> 100 lx)과 관찰자 또는 인근 취급 물체의 적당한 움직임(< 4 m/s)으로 일반 실내 애플리케이션에서 조명 장비의 시간적 조명의 가시적 스트로보 효과에 대한 인간 관찰자의 객관적 평가에 사용할 수 있다.예를 들어 작업장에서 빠르게 회전하거나 움직이는 기계의 잘못된 인식과 같은 다른 애플리케이션에서 원치 않는 스트로보 효과를 평가하기 위해 다른 메트릭과 방법이 요구되거나 주관적인 테스트(관찰)로 평가를 수행할 수 있습니다.

참고 – 조명 장비의 스트로보 효과 성능을 지정하기 위해 변조 깊이, 깜박임 비율 또는 깜박임 지수와 같은 몇 가지 대체 측정 기준을 적용하고 있다.인간의 지각은 변조 깊이, 변조 주파수, 파형 형태 및 해당하는 경우 TLM의 듀티 사이클에 의해 영향을 받기 때문에 이러한 지표 중 어느 것도 실제 인간의 지각 예측에 적합하지 않다.

Matlab 툴박스

SVM 계산 기능과 일부 애플리케이션 예를 포함한 Matlab Stroboscopic 효과 가시성 측정 도구 상자는 Mathworks Community를 [11]통해 Matlab Central에서 사용할 수 있습니다.

합격 기준

SVM 값이 1인 경우 광파형의 입력변조는 가시성 [4]임계값에서 가시적인 스트로보 효과를 생성합니다.즉, 평균 관측자가 50% 확률로 유물을 탐지할 수 있습니다.가시성 측정값이 통일성 이상일 경우 효과가 50% 이상 검출될 가능성이 있습니다.가시성 측정값이 통일성보다 작을 경우 검출 확률은 50% 미만입니다.이러한 가시성 임계값은 모집단의 평균 인간 관찰자의 평균 검출을 보여준다.그러나 이것이 수용가능성을 보장하지는 않는다.덜 중요한 일부 애플리케이션의 경우 아티팩트의 허용 수준이 가시성 임계값을 훨씬 초과할 수 있습니다.다른 애플리케이션의 경우 허용 수준이 가시성 임계값보다 낮을 수 있습니다.특히 NEMA 77-2017은[12] 다양한 적용 분야에서 허용 기준에 대한 지침을 제공한다.

그림 3: 조명기기의 스트로보 효과 퍼포먼스를 테스트하기 위한 일반적인 설정

테스트 및 측정 응용 프로그램

스트로보 효과 테스트를 위한 일반적인 테스트 설정은 그림 3에 나와 있습니다.스트로보 효과 가시성 측정기는 다양한 용도로 적용할 수 있습니다(IEC TR 63158[10] 참조).

  • 안정적인 주전압 공급 시 조명 장비의 고유 스트로보 효과 성능 측정
  • 조명기기의 조명조절 효과 또는 외부조광기 효과(조광 적합성) 시험

표준개발조직의 공표

  1. CIE TN 006:2016: Stroboscopic [4]효과를 포함한 TLA의 정량화를 위한 용어, 정의, 방법론 및 척도를 소개합니다.
  2. IEC TR 63158:2018: 스트로보 효과 가시성 측정기 사양 및 검증 방법, 조광기 [10]호환성을 위한 테스트 절차 a.o.를 포함합니다.
  3. NEMA 77-2017:[12] 무엇보다도 깜박임 테스트 방법 및 합격 기준에 대한 지침.

작업장에서의 위험

스트로보 효과는 빠르게 이동하거나 회전하는 기계가 있는 작업장에서 안전하지 않은 상황을 초래할 수 있습니다.빠른 회전 기계 또는 이동 부품의 주파수가 광변조의 주파수 또는 주파수의 배수와 일치할 경우 기계가 정지해 있거나 다른 속도로 움직이는 것처럼 보일 수 있으므로 위험한 상황이 발생할 수 있습니다.

스트로보 효과가 움직이는 기계에 미칠 수 있다는 착각 때문에 단상조명은 피하는 것이 좋다.예를 들어, 기본 조명을 갖춘 단상 전원에서 점등된 공장에서는 100 또는 120Hz의 깜박임이 발생하므로(국가별로 50Hz x 2, 미국 60Hz x 2로 공칭 주파수의 2배), 50 또는 60Hz(3000~3600rpm)의 배수로 회전하는 모든 기계는 부상의 위험이 증가함)페라토르해결 방법으로는 완전한 3상 전원 위에 조명을 배치하거나 보다 안전한[13] 주파수 또는 직류 조명으로 조명을 구동하는 고주파 컨트롤러를 사용하는 것이 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ IEEE 규격 1789:2015, 시청자의 건강 위험을 경감하기 위한 고휘도 LED 전류 변조 IEEE 권장 프랙티스 (링크)
  2. ^ SCENIHR(신흥 및 새롭게 확인된 건강 위험에 관한 과학 위원회), 인공 조명의 건강 영향, 2012년 3월 19일. ISBN978-92-79-26314-9).
  3. ^ SHEER(EC Scientific Committee on Health, Environmental and Emerging Risks), 발광 다이오드(LED)의 인체 건강에 대한 잠재적 위험에 대한 최종 의견, 2018년 6월(링크).
  4. ^ a b c d e CIE TN 006:2016, 시간 변조 조명 시스템의 시각적 측면 – 정의 및 측정 모델(pdf)
  5. ^ a b c M. Perz, 시간 빛 공예품의 모델링 가시성, 논문 에인트호벤 공과대학, 2019년 5월 02일(ISBN 978-90-386-4681-7) [2]
  6. ^ TU/e News, Stroboscopic Visibility Measure – LED 빛의 변동을 어떻게 경험하는지 이해, 2019년 2월 1일.link
  7. ^ a b D. 세쿨로브스키, 웨비너 녹음 "그냥 깜박이는 건가?" (YouTube)
  8. ^ Luke Wilkins, Carl Nelson, Simon Tweddle, Stroboscopic Visual Training: 3명의 엘리트 청소년 축구 골키퍼와의 파일럿 연구, J Cogn Enhanc (2018) 2:3 ~ 11, DOI 10.1007/s41465-017-0038-z
  9. ^ a b 마르고자TA PERZ, DRAGAN SEKULOVSKI, INGRID VOGELS, INGRID HYNDERICX, Stroboscopic effect: 대비 임계값 함수와 조명 수준에 대한 의존도, Vol. 35, No. 2 / 2018/Journal of America, 309.
  10. ^ a b c IEC TR 63158:2018 + COR 1, 일반 조명용 장비 – 조명 장비의 스트로보 효과에 대한 객관적 시험 방법, 2018-03-19.
  11. ^ 스트로보 효과 가시성 측정 도구 상자 Matlab Central.
  12. ^ a b NEMA 77-2017:임시 조명 아티팩트: 합격 기준에 대한 시험 방법 및 지침.(링크)
  13. ^ Cronshaw, Geoff (Autumn 2008), "Section 559 luminaries and lighting installations: An overview", Wiring Matters, The IET (28): 4

외부 링크

Wikimedia Commons에는 Stroboscopic 효과와 관련된 미디어가 있습니다.
  • https://www.youtube.com/watch?v=3_vVB9u-07I 이 효과의 명확한 예.
  • 인터랙티브 스트로브 분수 – 스트로브 주파수를 조정하여 떨어지는 물방울의 겉보기 움직임을 제어할 수 있습니다.
  • 니시야마 유타카(2012), 「팬의 수학」(PDF), 국제 순수 응용 수학 저널 78(5): 669~678.