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        LED電視普通照明燈具頻閃對電視圖像影響的研究

        2011-10-16 03:24:56田高峰趙貴華
        演藝科技 2011年1期
        關(guān)鍵詞:調(diào)光燈具攝像機(jī)

        田高峰,趙貴華

        (中央電視臺,北京 100859)

        LED電視普通照明燈具頻閃對電視圖像影響的研究

        田高峰,趙貴華

        (中央電視臺,北京 100859)

        測試LED照明燈具頻閃對電視圖像的影響,對測試的主要內(nèi)容、結(jié)果和具體結(jié)論加以闡述,為電視演播室采用LED照明燈具提供依據(jù),

        LED;照明;脈寬調(diào)制;電子快門;頻閃

        引言

        中央電視臺于2009年12月~2010年6月底,開展了LED照明燈具在電視演播室應(yīng)用研究,針對LED燈具在電視演播室的應(yīng)用進(jìn)行了多項(xiàng)測試與實(shí)驗(yàn),為LED燈具在電視演播室的適用性提供科學(xué)依據(jù)。本文在相關(guān)測試與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上整理而成,主要探討LED電視普通照明燈具頻閃對電視圖像的影響。

        LED電視照明燈具一般采用PWM(脈寬調(diào)制)方式調(diào)光——通過改變數(shù)字脈沖占空比,即可簡單地實(shí)現(xiàn)改變平均輸出電流,從而調(diào)節(jié)白光 LED 的亮度。當(dāng)脈沖頻率過低時(shí),電視圖像會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。通過試驗(yàn)測試出脈沖頻率最低值是多少時(shí),電視圖像會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象,以及電子快門速度與脈沖頻率的配合關(guān)系。最后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出結(jié)論及建議。

        1 理論分析

        數(shù)字高清攝像機(jī)拍攝圖像時(shí)首先是要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,電荷耦合器件CCD就是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件。我國使用的彩色電視制式是PAL-D,每秒鐘25幀圖像,由于采用了隔行掃描方式,每幀分兩場,即每秒鐘50場圖像,場頻為50 Hz。攝像機(jī)CCD上的光通量跟鏡頭的光孔徑和電子快門有關(guān),我們通常采用鏡頭的光孔徑來控制光通量的高低,而用電子快門控制CCD的感光時(shí)間。目前的攝像機(jī)都可以專門設(shè)置電子快門開關(guān)和相應(yīng)參數(shù)值來控制攝像機(jī)CCD的感光時(shí)間,對于1080/50i的攝像機(jī)來說一般有1/60 s、1/125 s、1/250 s、1/500 s、1/1 000 s和1/2 000 s等,有些攝像機(jī)(如索尼HDC-1580)電子快門還可以通過采用一定的頻率脈沖來控制CCD感光時(shí)間,一般為50 Hz~4 700 Hz連續(xù)可調(diào)。正常拍攝時(shí)攝像機(jī)一般將快門置于關(guān)閉狀態(tài),CCD曝光時(shí)間約為1/50 s即20 ms(實(shí)際曝光時(shí)間為場正程時(shí)間約18.4 ms)。

        針對高端應(yīng)用的LED驅(qū)動器,一般都采用固定頻率工作模式的PWM調(diào)光機(jī)制。在PWM調(diào)光中,LED正向電流以減少的占空比在0%~100%間轉(zhuǎn)換,以進(jìn)行亮度控制。

        對于LED調(diào)光范圍,在PWM調(diào)光中,LED正向電流以受控的占空比(DDim)進(jìn)行開/關(guān)(ON/OFF),以達(dá)到想要的亮度級別。DDim的動態(tài)范圍定義了PWM調(diào)光配置所能實(shí)現(xiàn)的最大亮度級別。如上所述,LED亮度與LED正向電流成比例,因此,在使用PWM調(diào)光配置時(shí)所得到的最高和最低LED電流平均值分別由式(1)和式(2)表示。

        式中:ILED為LED電流;ILED_Max為LED電流的平均最高值;ILED_Min為LED電流的平均最低值;DDim_Max為最大調(diào)光占空比;DDim_Min為最小調(diào)光占空比。最高和最低LED明亮的比率,又被看作PWM調(diào)光范圍,用式(3)表示。

        式(3)表示的是PWM調(diào)光范圍與最大、最小調(diào)光占空比之間的關(guān)系。對于給定的調(diào)光頻率FDim,DDim_Max表示最大占空比,即LED電流在下一個(gè)調(diào)光周期開始前,從所需的正向電流降低至零的時(shí)間;DDim_Min表示最小占空比,即LED電流由零升至所需的正向電流(IF)的時(shí)間。

        PWM調(diào)光信號的頻率過低時(shí),電視圖像會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。為避免出現(xiàn)電視圖像閃爍現(xiàn)象,高端照明系統(tǒng)的調(diào)光頻率范圍一般要求在幾萬赫茲??墒牵叩恼{(diào)光頻率將大幅縮小驅(qū)動的調(diào)光范圍,反而降低系統(tǒng)的最大亮度。期望通過試驗(yàn)找出LED燈具PWM調(diào)光的最佳頻率范圍,既能保證圖像不出現(xiàn)閃爍,又能達(dá)到要求的調(diào)光精度。

        2 實(shí)驗(yàn)測試

        2.1 測試目的

        (1)在不使用電子快門的情況下,測試出脈沖頻率最低值是多少時(shí),可使圖像不閃爍。

        (2)在使用電子快門的情況下,測試出電子快門速度與脈沖頻率的配合關(guān)系處于何種情況時(shí),可使圖像不閃爍。

        2.2 實(shí)驗(yàn)條件

        測試在演播室條件下進(jìn)行,設(shè)備包括:攝像機(jī)(索尼HDC-1580)、高清監(jiān)視器(松下BT-LH2600WMC)及特制燈具一臺(100WLED聚光燈)。燈具PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光的脈沖頻率可調(diào)(245 Hz ~ 62.5 kHz)。

        2.3 試驗(yàn)方法步驟

        LED燈具亮度選擇為50%,因?yàn)樵谡{(diào)光輸出幅度50%時(shí),光源的閃爍最大、最為明顯。而在調(diào)光輸出100%時(shí),不存在閃爍問題。

        (1)攝像機(jī)電子快門為OFF時(shí)

        在攝像機(jī)不使用電子快門的情況下,燈具PWM頻率從245 Hz向上調(diào)節(jié),記錄各測試點(diǎn)攝像機(jī)圖像狀況。

        (2)攝像機(jī)電子快門為ON時(shí)

        在攝像機(jī)使用電子快門的情況下,選擇6檔電子快門,即電子快門60 Hz、電子快門75 Hz、電子快門84.98 Hz、電子快門100.1 Hz、電子快門1 000 Hz、電子快門2 000 Hz,測試出電子快門速度與脈沖頻率的配合關(guān)系,燈具PWM頻率從245 Hz依次向上調(diào)節(jié),記錄各測試點(diǎn)攝像機(jī)圖像狀況和實(shí)際效果。

        2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        根據(jù)試驗(yàn)測試記錄,LED燈具亮度為50%時(shí),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

        3 測試結(jié)果分析

        電視圖像出現(xiàn)閃爍是由每一次曝光時(shí)間內(nèi)燈具的PWM脈沖次數(shù)不相等造成的。兩次曝光之間最大會出現(xiàn)1個(gè)脈沖的曝光誤差。如果PWM的周期遠(yuǎn)小于曝光時(shí)間,則由此帶來的曝光誤差很小,不會出現(xiàn)閃爍。例如,攝像機(jī)選擇電子快門1 000 Hz時(shí),曝光時(shí)間為1 ms,PWM頻率為20 833 Hz時(shí),脈沖周期為0.048 ms,即一個(gè)曝光周期內(nèi)有20個(gè)脈沖,1個(gè)脈沖的曝光誤差就不會帶來可以察覺的閃爍。

        如果PWM周期是曝光時(shí)間的整數(shù)倍,則兩次曝光時(shí)間內(nèi)的PWM脈沖數(shù)一定相等,圖像就不會出現(xiàn)閃爍。 測試結(jié)果中電子快門為75 Hz,PWM頻率為375 Hz附近時(shí),曝光時(shí)間剛好是PWM周期的5倍,圖像無閃爍,附近的頻率出現(xiàn)閃爍,很好地驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

        表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        如果PWM周期是50(PAL制)或60(NTSC制)的整數(shù)倍,則每一次曝光的起始時(shí)刻對應(yīng)的PWM波形相位相同,這樣從理論上講也能保證每個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)的PWM脈沖數(shù)相等,圖像無閃爍。但由于PWM頻率的誤差會使曝光對應(yīng)的相位發(fā)生改變,最終產(chǎn)生以差頻為頻率的脈沖誤差,表現(xiàn)為極低頻率的閃爍(即呼吸現(xiàn)象),這種情況在PWM頻率較低時(shí)較嚴(yán)重。從測試結(jié)果看,PWM頻率為300 Hz、349 Hz、400 Hz、1 953 Hz、2 155 Hz、12 500 Hz時(shí),都產(chǎn)生了類似情況。

        4 結(jié)論及建議

        4.1 結(jié)論

        (1)PWM頻率是攝像機(jī)快門頻率的整數(shù)倍時(shí),圖像不閃爍。

        (2)對于場頻為50 Hz的攝像機(jī),PWM頻率是50 Hz的整數(shù)倍時(shí),圖像不閃爍,但由于頻率誤差會帶來以差頻為頻率的極低頻閃爍(即呼吸現(xiàn)象),PWM頻率較低時(shí)比較嚴(yán)重。

        (3)常態(tài)(電子快門關(guān)閉)時(shí),P W M頻率大于1 200 Hz;選擇電子快門60 Hz時(shí)和電子快門75 Hz時(shí),PWM頻率大于2 000 Hz;選擇電子快門84.98 Hz和電子快門100.1 Hz時(shí),PWM頻率大于3 000 Hz;圖像不閃爍。

        (4)PWM頻率高于30 kHz時(shí),圖像不閃爍。

        4.2 建議

        (1)如需使用高速電子快門,燈具PWM頻率應(yīng)不低于30 kHz;

        (2)如不使用高速電子快門,LED燈具可適當(dāng)降低PWM頻率,但應(yīng)選擇PWM頻率為50(PAL制)或60(NTSC制)的倍數(shù),最好選擇50和60的公倍數(shù)。

        (編輯 張 淼)

        The Inf l uence of Strobof l ash of LED TV Lighting on Television Image

        TIAN Gao-feng, ZHAO Gui-hua
        (China Centre Television Station, Beijing 100859, China)

        The inf l uence of strobof l ash of LED TV lighting on television image was tested in this paper. The main testing items,results and specif i c conclusions were expounded so as to provide the foundation for LED lighting of TV studio.

        LED; lighting; pulse width modulation; electronic shutter; stroboscopic

        10.3969/j.issn.1674-8239.2011.1.003

        田高峰,高級工程師,中央電視臺新臺新址工藝項(xiàng)目燈光系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。

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