技術文章丨移動光源的幻影效應評估

1、前言

目前很多汽車照明系統中均應用了LED光源，以實現多功能動態效果。對于動態信號燈，通過控制LED光源打開或關閉順序來實現燈具的動態效果，常用的調光控制方法為PWM（脈沖寬度調制）。但是，光源調制過程中可能會對人眼視覺產生幻影效應。本文研究了導致幻影效應的兩種不同原因：一種是眼球運動，另一種是光源運動。

2、實驗方法

A.實驗儀器

我們開發了一個可旋轉圓盤，LED光源安裝在圓盤的邊緣，可隨圓盤同步轉動。LED光源的PWM頻率通過手機藍牙進行控制。LED光源及其控制器由電池進行驅動。如圖1所示，當觀察者的眼睛位于距圓盤中心50cm處時，觀察者眼睛的視角為40度。該系統通過電機對圓盤轉速進行控制，該實驗所用裝置的系統設計方法如圖2所示。

圖1 觀察者眼睛位置與圓盤設置方法示意圖

圖2 實驗系統設計示意圖

B.實驗過程

實驗中使用紅色LED光源作為視覺刺激。紅色光源的色坐標為(0.691,0.308)，亮度為252.87cd/m²。實驗使用的PWM頻率如表1所示。

表1 實驗使用的PWM頻率

我們通過控制圓盤的轉速來控制光源的運動速度，實驗中一共使用了四種不同的旋轉速度，如表2所示。其中RPM表示每分鐘圓盤的旋轉圈數。例如：120RPM表示圓盤每秒旋轉兩圈，角速度為720度/秒。

表2 實驗中使用的圓盤旋轉速度

共有11名被試參與本實驗，其中包括2名女性和9名男性，平均年齡為28.7歲。實驗是在暗室中進行的，除了LED光源之外，沒有其他光源。在實驗開始之前，被試首先進行7分鐘暗適應，在暗適應過程中，主試對幻影效應的視覺效果進行解釋。每個被試參與實驗的時間約20分鐘。

3、實驗結果

每個被試產生幻影效應的閾值頻率如圖3所示。結果表明每個個體的差異很大。但是，根據光源的旋轉速度，閾值頻率存在一定趨勢。電機轉速與平均閾值頻率的關系如圖4和表3所示。由圖表可知，幻影效應的閾值頻率與電機轉速成正比。

圖3被試的幻影效應閾值頻率

表3 實驗中電機的旋轉速度

圖4 產生幻影效應的閾值頻率與電機轉速的關系

4、討論

通過對實驗結果的分析，我們得到以下結論：一個是幻影效應閾值頻率與電機轉速的相關性，另一個是眼睛掃視運動與實驗得到的眼動速度的閾值頻率具有相似性。

第一個結論表明，視網膜上有光源快速移動時，即PWM頻率非常高時，易產生幻影效應。在現實生活中，當前車的尾燈非?？拷{駛員并且前車尾燈與后車駕駛員眼睛之間的相對運動速度非?？鞎r，就會發生這種情況。

第二個結論與眼睛掃視運動速度相關。人類眼睛掃視的角速度最高可達700度/秒至1000度/秒，對應的頻率為116.7RPM至166.7RPM。本實驗中，我們對11名被試關于光源轉速與幻影效應閾值頻率的數據進行了分析，如圖5所示。結果表明，在120RPM的運動速度下，大部分參與者的閾值頻率與眼睛掃視運動頻率相近。

圖5 光源轉速與幻影效應閾值頻率關系直方圖

5、結論

本文發現幻影效應的閾值頻率與光源運動速度成正比。此外，光源運動與眼睛掃視運動具有相似的結果。幻影效應閾值頻率有很大的個體差異。我們將基于單個眼球運動速度和視敏度的實驗結果進行進一步研究，以解釋幻影效應閾值的個體差異。

還有許多其他因素會影響幻影效應的閾值，例如：光束幾何形狀、亮度、色度等。需要進一步進行研究，以探索這些因素對幻影效應的影響。