Míhání a stroboskopický jev – 2. část

Ing. Antonín Fuksa, NASLI & Blue step

Publikováno v časopise Světlo 3/2018, www.svetlo.info

Periodické změny světelného toku světelných zdrojů a svítidel mohou při záznamu obrazu působit odstranitelné nebo neodstranitelné artefakty – např. různě jasné pruhy na fotografiích nebo blikající plochy ve videozáznamu. Lidský zrak vnímá obraz v podstatě kontinuálně a platí pro něj Talbotův zákon, tj. nad frekvencí splývání člověk registruje pouze střední hodnotu světelné veličiny.

Fotoaparáty a kamery však pracují se vzorkováním v čase, tj. zachycují světlo po určitý časový interval daný otevřením závěrky.

Rolující elektronická závěrka (angl. rolling shutter) pracuje na principu postupného čtení jednotlivých řádků matice odhaleného obrazového snímače. Jednotlivé řádky snímače jsou tak exponovány s určitým zpožděním. Nedostatky obrazu způsobené touto závěrkou jsou zkosení pohybujícího se předmětu (např. vozidla), ohnutí rotujících částí (např. vrtule), výpadek části objektu (vrtule, blesk na obloze), vznik různě jasných či barevných pásů při míhajícím osvětlení – viz obr. 1, kde vlivem postupné expozice jednotlivých řádků zastihla závěrka různé fáze průběhu světelného toku. Mechanickou analogií rolující závěrky je štěrbinová závěrka fotoaparátu, která může prodlužovat nebo zkracovat obrazy pohybujících se objektů.


Obr. 1. Fotografie svítidla s pruhy způsobenými blikáním zářivek s tlumivkou; pořízeno telefonem Nokia 6303i s rolující elektronickou závěrkou, ve skutečnosti je scéna bez pruhů

Globální elektronická závěrka (angl. global shutter) je realizována přímo na obrazovém snímači v podobě maskovaných obrazových bodů (pixelů) umístěných vedle každého odhaleného pixelu. Některé snímače mají zamaskovanou polovinu matice. Nevýhodou může být vyšší cena a větší rozměry snímače. Výhodou je synchronní expozice všech pixelů. Nedostatky spojené se zpožděnou expozicí řádků uvedené u rolující závěrky zde nejsou. Vyčtení nábojů ze zastíněné části probíhá stejně jako u rolující závěrky, avšak bez tlaku na rychlost přenosu. Její mechanickou obdobou je centrální závěrka fotoaparátu nebo rotační sektorová závěrka filmové kamery. Mechanickou rotační sektorovou závěrku mají i některé vysoké modely digitálních kamer. Rovněž pokročilejší digitální fotoaparáty mají i mechanickou (centrální) závěrku. Výhodou, zvláště u vysokých rozlišení, je možnost použít jednodušší snímač s rolující závěrkou a zároveň se vyhnout jejím nedostatkům. Některá zařízení dávají uživateli na výběr, zda použije mechanickou závěrku, nebo ji nechá otevřenou a použije jen závěrku elektronickou.

 

Vznik blikání

Po dobu otevření závěrky se světlo mění na náboj, který je integrován v jednotlivých pixelech snímače. Je-li tato doba celistvým násobkem periody kolísání osvětlení, výsledkem integrace bude střední hodnota osvětlení. V zemích se síťovou frekvencí 50 Hz je proto vhodné volit expoziční časy kamer 1/50 a 1/100 s, v zemích s frekvencí sítě 60 Hz časy 1/60 a 1/120 s [1]. Tyto časy však mohou být pro záběry s rychlým pohybem příliš dlouhé. Není-li doba expozice celočíselným násobkem periody kolísání osvětlení, může se na záznamu objevit blikání, které působí velmi rušivě, zvláště jestliže blikají velké světlé plochy. Představme si funkci závěrky jako násobení obrazového signálu obdélníkovým průběhem; je možné pro první harmonické složky obou průběhů použít goniometrickou identitu o součinu:

sin (2πf1)sin (2πf2) = ½cos [2π(f1 – f2)] − ½cos [2π(f1 + f2)]

Pro rušivé blikání je zásadní člen s nízkou rozdílovou frekvencí.

Pokročilejší aparáty dovedou blikání osvětlení detekovat a nastavit potřebný expoziční čas. U většiny kamer je k dispozici nastavení pro zmírnění blikání, označované jako Anti-Flicker nebo Fluorescent frequency, s možnostmi: 50 Hz/EU a 60 Hz/US, popř. vypnuto. Podle Shannonova teorému je třeba signál o určité frekvenci vzorkovat s frekvencí nejméně dvojnásobnou, aby jej bylo možné ze vzorků rekonstruovat. Na obr. 2 je ukázána situace, kdy je sinusový signál o frekvenci 100 Hz vzorkován s frekvencí 330 Hz (modrá) a s frekvencí 120 Hz (červená). V prvním případě je podmínka fs > 2f splněna a původní signál lze ze vzorků rekonstruovat. Ve druhém případě podmínka splněna není, dochází k aliasingu a výsledkem rekonstrukce je průběh o rozdílové frekvenci 20 Hz.

@obr2@
Obr. 2. Vzorkování a rekonstrukce signálů ze vzorků a vznik nízké frekvence

 

Blikající záznam

Jestliže byl záznam už pořízen s blikáním, jsou v profesionálních programech pro střih videa k dispozici softwarové filtry s názvy jako Anti-flicker, Flicker-free nebo DEflicker, které dovedou blikání potlačit pod detekovatelnou mez. Používají se také u časosběrných záznamů. Blikání v televizním signálu lze v reálném čase potlačit pomocí hardwarových filtrů, které rekonstruují rušivý signál a odečítají jej od zaznamenaného signálu za cenu zpoždění výstupu o několik televizních snímků. Využití nacházejí např. při přenosech sportovních utkání osvětlených jen výbojkami na síťové frekvenci. Konstrukce [2] pochází z Japonska, kde je ve východní části síťová frekvence 50 Hz, v západní 60 Hz a analogová televize se vysílala s frekvencí 60 půlsnímků za sekundu.

Časové artefakty ve filmu jsou záznamem stroboskopického jevu. V angličtině je možné se setkat s označením wagon wheel effect (efekt loukoťového kola), který je znám např. z westernů. Ve srovnání s rychlostí dostavníku se kola otáčejí pomaleji, na opačnou stranu nebo se zdají v klidu. Když dostavník zrychluje nebo zpomaluje, může vzniknout komický dojem změny směru otáčení kol. Podobný jev lze pozorovat také na záběrech jedoucích traktorů. V létě, kdy intenzivní světlo vyžaduje krátkou dobu expozice, jsou detaily kol dobře patrné. Ke vzniku nízkých frekvencí viz též obr. 2.

Při snímání rotujících objektů kamerou s rolující závěrkou, např. vrtulí, mohou vznikat paradoxní situace, kdy se na videozáznamu vrtule pohybuje velmi pomalu, má nesprávný počet listů, je potrhaná, stočená do spirály nebo se nepohybuje vůbec (což zvlášť u vrtulníků působí dosti děsivě).

Měnitelné dopravní značky nebo informační tabule v dopravě jsou někdy konstruovány se světelnými diodami pracujícími v multiplexním režimu. Jednotlivé prvky svítí např. desetinu času, a to desetinásobkem průměrné intenzity. Nad frekvencí splývání pak člověk vnímá celkový obraz, ale pomocí fotoaparátu nebo kamery pozoruje částečný obraz, ze kterého není značka k poznání nebo je text informační tabule nečitelný, zvláště při velké intenzitě okolního osvětlení. V systémech rozpoznávání dopravních značek se proto používají speciální obrazové snímače.

Snímače čárového kódu mohou být rušeny intenzivním míhajícím světlem s hlubokou modulací, a to až do frekvencí v řádu desítek kilohertzů. Protože většinou snímají červené světlo (LED nebo laser LED), jsou v této oblasti nejnáchylnější k rušení. Při mírnějším rušení se pouze prodlužuje čas pro načtení kódu, při silnějším rušení nelze kódy načíst vůbec.

Displeje se světelnými diodami nebo displeje VFD v multiplexním režimu rovněž mohou na záznamu vykazovat kromě blikání překvapivé efekty – na snímku digitálních hodin se zachytí jen část číslic nebo je na záznamu patrné nasouvání jednotlivých znaků či jejich prvků, ačkoliv oko pozoruje stabilní text. Blikající displeje mohou odvádět pozornost od zamýšleného středobodu scény.

Monitory s klasickou obrazovkou (CRT) na záznamu většinou blikají, protože snímková frekvence bývá mezi 60 a 85 Hz, tedy vyšší než frekvence půlsnímků kamery.

Televizory s klasickou obrazovkou na záznamu většinou neblikají. Někdy se přes obrazovku pomalu posouvá světlejší a tmavší vodorovný pruh. Rychlost tohoto pohybu odpovídá malému rozdílu snímkové frekvence kamery a obrazovky, světlejší část je během jednoho snímku kamery patrně exponována dvakrát.

U LCD displejů a televizorů tyto efekty vznikají v mnohem menší míře, patrně v závislosti na pronikání síťové frekvence na výstup měniče pro zářivky nebo LED podsvícení displeje.

Koncová světla vozidel se světelnými diodami pracujícími v pulzním režimu se na videozáznamu mohou jevit jako blikající, ačkoliv lidské oko pozoruje stálou intenzitu světla.

 

Z pohledu kameramana

Z pohledu kameramana je kromě správného nastavení kamery žádoucí také příprava natáčení, při které si ověří, že v prostoru nedochází k blikání při různém nastavení osvětlení včetně stmívání, a to ani při pohybu kamery. Záznam je možné zbavit blikání i v postprodukci.

 

Z pohledu světelné techniky

Z pohledu světelné techniky je žádoucí, aby osvětlení nemíhalo a nevznikal stroboskopický jev, jak to požaduje norma ČSN EN 12464-1:2012 ve článku 4.8 – jak z pohledu člověka, tak z pohledu stále rozšířenějších zařízení pro záznam obrazu. Tento požadavek lze splnit napájením světelných zdrojů proudem s co nejmenším zvlněním (nejlépe stejnosměrným) nebo proudem s vyšší frekvencí (nejlépe v řádu kilohertzů a více). Jsou-li osvětlovací soustavy stmívatelné, měly by vyhovovat při všech nastaveních.

Příští část článku bude věnována napájecím obvodům světelných diod z hlediska míhání.

 

Literatura:

[1] Avoid Video Flicker. Urban Video Inc. [online]. 2014 [cit. 2018-05-04]. Dostupné z: http://urbanvideo.ca/avoid-video-flicker

[2] OHTSUKA, Yoshimichi a Yuichi NINOMIYA. Television flicker eliminator for fluorescent lighting. Tokyo: NHK Science and Technical Research Laboratories, 1985. NHK Laboratories Note. Dostupné v NTK.

Ing. Antonín Fuksa, NASLI & Blue step

Publikováno v časopise Světlo 3/2018, www.svetlo.info