LED电视普通照明灯具频闪对
电视图像影响的研究

2017-4-1  来源:中央电视台  作者:田高峰,赵贵华  有25081人阅读

  【摘 要】 测试LED照明灯具频闪对电视图像的影响,对测试的主要内容、结果和具体结论加以阐述,为电视演播室采用LED照明灯具提供依据,

  【关键词】 LED;照明;脉宽调制;电子快门;频闪

  文章编号: 10.3969/j.issn.1674-8239.2011.1.003

  引言

  中央电视台于2009年12月~2010年6月底,开展了LED照明灯具在电视演播室应用研究,针对LED灯具在电视演播室的应用进行了多项测试与实验,为LED灯具在电视演播室的适用性提供科学依据。本文在相关测试与实验的基础上整理而成,主要探讨LED电视普通照明灯具频闪对电视图像的影响。

  LED电视照明灯具一般采用PWM(脉宽调制)方式调光——通过改变数字脉冲占空比,即可简单地实现改变平均输出电流,从而调节白光 LED 的亮度。当脉冲频率过低时,电视图像会出现闪烁现象。通过试验测试出脉冲频率最低值是多少时,电视图像会出现闪烁现象,以及电子快门速度与脉冲频率的配合关系。最后根据试验数据,得出结论及建议。

  1 理论分析

  数字高清摄像机拍摄图像时首先是要将光信号转换为电信号,电荷耦合器件CCD就是一种将光信号转换为电信号的器件。我国使用的彩色电视制式是PAL-D,每秒钟25帧图像,由于采用了隔行扫描方式,每帧分两场,即每秒钟50场图像,场频为50 Hz。摄像机CCD上的光通量跟镜头的光孔径和电子快门有关,我们通常采用镜头的光孔径来控制光通量的高低,而用电子快门控制CCD的感光时间。目前的摄像机都可以专门设置电子快门开关和相应参数值来控制摄像机CCD的感光时间,对于1080/50i的摄像机来说一般有1/60s、1/125s、1/250s、1/500s、1/1000 s和1/2000s等,有些摄像机(如索尼HDC-1580)电子快门还可以通过采用一定的频率脉冲来控制CCD感光时间,一般为50 Hz~4700 Hz连续可调。正常拍摄时摄像机一般将快门置于关闭状态,CCD曝光时间约为1/50s即20 ms(实际曝光时间为场正程时间约18.4ms)。

  针对高端应用的LED驱动器,一般都采用固定频率工作模式的PWM调光机制。在PWM调光中,LED正向电流以减少的占空比在0%~100%间转换,以进行亮度控制。

  对于LED调光范围,在PWM调光中,LED正向电流以受控的占空比( DDim)进行开/关( ON/OFF),以达到想要的亮度级别。 DDim的动态范围定义了PWM调光配置所能实现的最大亮度级别。如上所述,LED亮度与LED正向电流成比例,因此,在使用PWM调光配置时所得到的最高和最低LED电流平均值分别由式(1)和式(2)表示。

  ILED_Max = DDim_Max × ILED (1)

  ILED_Min = DDim_Min × ILED (2)

  式中: ILED为LED电流; ILED_Max为LED电流的平均最高值; ILED_Min为LED电流的平均最低值; DDim_Max为最大调光占空比; DDim_Min为最小调光占空比。最高和最低LED明亮的比率,又被看作PWM调光范围,用式(3)表示。

  调光范围=DDim_Max/DDim_Min (3)

  式( 3)表示的是PWM调光范围与最大、最小调光占空比之间的关系。对于给定的调光频率FDim,DDim_Max表示最大占空比,即LED电流在下一个调光周期开始前,从所需的正向电流降低至零的时间; DDim_Min表示最小占空比,即LED电流由零升至所需的正向电流(IF)的时间。

  PWM调光信号的频率过低时,电视图像会出现闪烁现象。为避免出现电视图像闪烁现象,高端照明系统的调光频率范围一般要求在几万赫兹。可是,更高的调光频率将大幅缩小驱动的调光范围,反而降低系统的最大亮度。期望通过试验找出LED灯具PWM调光的最佳频率范围,既能保证图像不出现闪烁,又能达到要求的调光精度。

  2 实验测试

  2.1 测试目的

  (1)在不使用电子快门的情况下,测试出脉冲频率最低值是多少时,可使图像不闪烁。

  (2)在使用电子快门的情况下,测试出电子快门速度与脉冲频率的配合关系处于何种情况时,可使图像不闪烁。

  2.2 实验条件

  测试在演播室条件下进行,设备包括:摄像机(索尼HDC-1580)、高清监视器(松下BT-LH2600WMC)及特制灯具一台(100WLED聚光灯)。灯具PWM(脉宽调制)调光的脉冲频率可调(245 Hz ~62.5 kHz)。

  2.3 试验方法步骤

  LED灯具亮度选择为50%,因为在调光输出幅度50%时,光源的闪烁最大、最为明显。而在调光输出100%时,不存在闪烁问题。

  (1)摄像机电子快门为OFF时

  在摄像机不使用电子快门的情况下,灯具PWM频率从245Hz向上调节,记录各测试点摄像机图像状况。

  (2)摄像机电子快门为ON时

  在摄像机使用电子快门的情况下,选择6档电子快门,即电子快门60Hz、电子快门75Hz、电子快门84.98Hz、电子快门100.1Hz、电子快门1000Hz、电子快门2 000Hz,测试出电子快门速度与脉冲频率的配合关系,灯具PWM频率从245Hz依次向上调节,记录各测试点摄像机图像状况和实际效果。

  2.4 试验数据

  根据试验测试记录,LED灯具亮度为50%时,试验数据如表1所示。

      表1 实验数据

PWM频率Hz
常态(电子快门OFF)
电子快门
60Hz
75 Hz
84.98 Hz
100.1 Hz
1000 Hz
2000 Hz
245
中等闪烁
中等闪烁
严重闪烁
严重闪烁
严重闪烁
 
 
300
严重闪烁(呼吸)
 
 
325
中等闪烁+
中等闪烁+
严重闪烁
轻微闪烁+
中等闪烁+
 
 
349
严重闪烁(大呼吸)
中度闪烁(呼吸)
中度闪烁(呼吸)
 
 
363
 
 
中度闪烁
 
 
 
 
365
 
 
轻微闪烁
 
 
 
 
367
 
 
轻微闪烁-
 
 
 
 
369
 
 
 
 
 
 
372
 
 
 
 
 
 
374
 
 
 
 
 
 
376
 
 
 
 
 
 
378
 
 
 
 
 
 
381
 
 
轻微闪烁-
 
 
 
 
383
 
 
轻微闪烁
 
 
 
 
385
 
 
中度闪烁
 
 
 
 
400
 
 
轻微闪烁(呼吸)
 
 
 
 
508
 
 
中度闪烁
 
 
 
 
512
 
 
中度闪烁
 
 
 
 
516
 
 
 
 
 
 
520
 
 
 
 
 
 
525
 
 
 
 
 
 
529
 
 
 
 
 
 
534
 
 
轻微闪烁
 
 
 
 
538
 
 
中度闪烁
 
 
 
 
600
 
 
625
轻微闪烁
轻微闪烁
轻微闪烁+
轻微闪烁+
轻微闪烁
 
 
822
轻微闪烁-
 
轻微闪烁
 
 
 
892
 
严重闪烁
 
 
 
919
轻微闪烁-
 
轻微闪烁
 
 
 
976
轻微闪烁-
 
轻微闪烁
 
 
 
1041
轻微闪烁--
 
中度闪烁
 
 
 
1077
轻微闪烁---
 
轻微闪烁-
轻微闪烁-
 
 
 
   1157
轻微闪烁---
中度闪烁
中度闪烁
中度闪烁
 
 
 
1201
 
 
 
 
1225
轻微闪烁-
轻微闪烁-
轻微闪烁-
严重闪烁
 
1275
 
 
 
 
1329
 
 
 
 
1358
中度闪烁
轻微闪烁+
 
 
 
1420
 
 
 
 
 
1524
轻微闪烁---
 
 
 
1602
 
 
 
 
 
 
1838
轻微闪烁---
中度闪烁-
轻微闪烁
中度闪烁
严重闪烁
 
1893
 
轻微闪烁---
轻微闪烁
轻微闪烁+
 
 
1953
 
轻微闪烁(呼吸)
 
 
2016
 
 
 
2083
 
 
 
2155
 
轻微闪烁
轻微闪烁(呼吸)
严重闪烁
 
2232
 
轻微闪烁--
 
 
2314
 
 
 
轻微闪烁--
 
 
2403
 
 
 
轻微闪烁--
 
 
2500
 
 
2604
 
 
 
 
 
2717
 
 
 
 
 
2840
 
 
 
轻微闪烁--
轻微闪烁--
严重闪烁
 
2976
 
 
 
 
 
3125
 
 
 
 
 
3289
 
 
 
 
 
3676
 
 
 
 
 
3906
 
 
 
 
 
 
4166
 
 
 
 
严重闪烁
 
4464
 
 
 
 
 
 
5208
 
 
 
 
 
严重闪烁
 
6944
 
 
 
 
 
 
7812
 
 
 
 
 
中度闪烁
 
8928
 
 
 
 
 
 
10416
 
 
 
 
 
中度闪烁
 
12500
 
 
 
 
 
轻微闪烁(呼吸)
 
15625
 
 
 
 
 
 
20833
 
 
 
 
 
严重闪烁
31250
 
 
 
 
 
62500
 
 
 
 
 

  3 测试结果分析

  电视图像出现闪烁是由每一次曝光时间内灯具的PWM脉冲次数不相等造成的。两次曝光之间最大会出现1个脉冲的曝光误差。如果PWM的周期远小于曝光时间,则由此带来的曝光误差很小,不会出现闪烁。例如,摄像机选择电子快门1000 Hz时,曝光时间为1 ms, PWM频率为20833 Hz时,脉冲周期为0.048 ms,即一个曝光周期内有20个脉冲,1个脉冲的曝光误差就不会带来可以察觉的闪烁。

  如果PWM周期是曝光时间的整数倍,则两次曝光时间内的PWM脉冲数一定相等,图像就不会出现闪烁。测试结果中电子快门为75 Hz,PWM频率为375 Hz附近时,曝光时间刚好是PWM周期的5倍,图像无闪烁,附近的频率出现闪烁,很好地验证了这一点。

  如果PWM周期是50( PAL制)或60( NTSC制)的整数倍,则每一次曝光的起始时刻对应的PWM波形相位相同,这样从理论上讲也能保证每个曝光时间内的PWM脉冲数相等,图像无闪烁。但由于PWM频率的误差会使曝光对应的相位发生改变,最终产生以差频为频率的脉冲误差,表现为极低频率的闪烁(即呼吸现象),这种情况在PWM频率较低时较严重。从测试结果看,PWM频率为300 Hz、349 Hz、400 Hz、1953 Hz、2155 Hz、12500 Hz时,都产生了类似情况。

  4 结论及建议

  4.1 结论

  (1) PWM频率是摄像机快门频率的整数倍时,图像不闪烁。

  (2)对于场频为50 Hz的摄像机,PWM频率是50 Hz的整数倍时,图像不闪烁,但由于频率误差会带来以差频为频率的极低频闪烁(即呼吸现象), PWM频率较低时比较严重。

  (3) 常态( 电子快门关闭) 时,P W M 频率大于1200 Hz;选择电子快门60 Hz时和电子快门75 Hz时,PWM频率大于2 000 Hz;选择电子快门84.98 Hz和电子快门100.1 Hz时, PWM频率大于3 000 Hz;图像不闪烁。

  (4) PWM频率高于30 kHz时,图像不闪烁。

  4.2 建议

  (1)如需使用高速电子快门,灯具PWM频率应不低于30 kHz;

  (2)如不使用高速电子快门,LED灯具可适当降低PWM频率,但应选择PWM频率为50( PAL制)或60(NTSC制)的倍数,最好选择50和60的公倍数。

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