Schwellwert für Flickerfusion - Flicker fusion threshold

Die Flicker-Fusion-Schwelle oder die Flicker-Fusion-Rate ist ein Konzept in der Psychophysik des Sehens . Sie ist definiert als die Frequenz, bei der ein intermittierender Lichtreiz für den durchschnittlichen menschlichen Betrachter völlig gleichmäßig erscheint . Die Flimmerfusionsschwelle hängt mit der Persistenz des Sehvermögens zusammen . Obwohl Flimmern für viele Wellenformen, die zeitvariante Intensitätsschwankungen darstellen, erfasst werden kann, wird es herkömmlicherweise und am einfachsten im Hinblick auf eine sinusförmige Intensitätsmodulation untersucht. Es gibt sieben Parameter, die die Fähigkeit bestimmen, das Flimmern zu erkennen:

  1. die Frequenz der Modulation;
  2. die Amplitude oder Tiefe der Modulation (dh was ist die maximale prozentuale Abnahme der Beleuchtungsintensität von ihrem Spitzenwert);
  3. die durchschnittliche (oder maximale – diese können ineinander umgewandelt werden, wenn die Modulationstiefe bekannt ist) Beleuchtungsintensität;
  4. die Wellenlänge (oder Wellenlängenbereich) der Beleuchtung (dieser Parameter und die Beleuchtungsstärke können für Menschen oder andere Tiere zu einem einzigen Parameter zusammengefasst werden, für den die Empfindlichkeiten von Stäbchen und Zapfen als Funktion der Wellenlänge unter Verwendung der Lichtstromfunktion bekannt sind) ;
  5. die Position auf der Netzhaut, an der die Stimulation erfolgt (aufgrund der unterschiedlichen Verteilung der Photorezeptortypen an verschiedenen Positionen);
  6. der Grad der Hell- oder Dunkeladaption, dh die Dauer und Intensität der vorherigen Belichtung mit Hintergrundlicht, die sowohl die Intensitätsempfindlichkeit als auch die zeitliche Auflösung des Sehens beeinflusst;
  7. physiologische Faktoren wie Alter und Müdigkeit.

Erläuterung

Solange die Modulationsfrequenz oberhalb der Fusionsschwelle gehalten wird, kann die wahrgenommene Intensität durch Veränderung der relativen Hell-Dunkel-Perioden verändert werden. Man kann die Dunkelperioden verlängern und damit das Bild verdunkeln; daher sind die effektive und die durchschnittliche Helligkeit gleich. Dies ist als das Talbot-Plateau-Gesetz bekannt . Wie alle psychophysischen Schwellenwerte ist die Flimmerfusionsschwelle eher eine statistische als eine absolute Größe. Es gibt eine Reihe von Frequenzen, innerhalb derer manchmal Flimmern zu sehen ist und manchmal nicht, und der Schwellenwert ist die Frequenz, bei der Flimmern bei 50 % der Versuche erkannt wird.

Verschiedene Punkte im visuellen System haben sehr unterschiedliche Empfindlichkeiten der kritischen Flimmerfusionsrate (CFF); die Gesamtschwellenfrequenz für die Wahrnehmung kann die langsamste davon für eine gegebene Modulationsamplitude nicht überschreiten. Jeder Zelltyp integriert Signale unterschiedlich. Zum Beispiel sind Stäbchen-Photorezeptorzellen , die außerordentlich empfindlich sind und zur Einzelphotonen-Detektion fähig sind, mit Zeitkonstanten bei Säugern von etwa 200 ms sehr träge. Im Gegensatz dazu haben Zapfen , obwohl sie eine viel geringere Intensitätsempfindlichkeit haben, eine viel bessere Zeitauflösung als Stäbchen. Sowohl beim Stäbchen- als auch beim Zapfen-vermittelten Sehen steigt die Fusionsfrequenz als Funktion der Beleuchtungsintensität, bis sie ein Plateau erreicht, das der maximalen Zeitauflösung für jeden Sehtyp entspricht. Die maximale Fusionsfrequenz für stabvermitteltes Sehen erreicht ein Plateau bei etwa 15  Hertz (Hz), während Zapfen ein nur bei sehr hohen Beleuchtungsstärken beobachtbares Plateau von etwa 60 Hz erreichen.

Zusätzlich zur Zunahme mit der durchschnittlichen Beleuchtungsintensität nimmt die Fusionsfrequenz auch mit dem Ausmaß der Modulation (der maximalen relativen Abnahme der dargestellten Lichtintensität) zu; für jede Frequenz und durchschnittliche Beleuchtung gibt es eine charakteristische Modulationsschwelle, unterhalb derer das Flimmern nicht erkannt werden kann, und für jede Modulationstiefe und durchschnittliche Beleuchtung gibt es eine charakteristische Frequenzschwelle. Diese Werte variieren mit der Wellenlänge der Beleuchtung aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit der Photorezeptorempfindlichkeit, und sie variieren mit der Position der Beleuchtung innerhalb der Netzhaut aufgrund der Konzentration der Zapfen in den zentralen Bereichen einschließlich der Fovea und der Makula und der Dominanz von Stäbchen in den peripheren Regionen der Netzhaut.


Technologische Überlegungen

Bildrate anzeigen

Flicker Fusion ist bei allen Technologien zur Präsentation von bewegten Bildern wichtig, die fast alle auf die Präsentation einer schnellen Abfolge von statischen Bildern angewiesen sind (zB die Frames in einem Kinofilm, einer TV-Show oder einer digitalen Videodatei ). Fällt die Bildrate unter die Flimmerfusionsschwelle für die gegebenen Betrachtungsbedingungen, ist für den Betrachter Flimmern wahrnehmbar und Bewegungen von Objekten auf dem Film erscheinen ruckartig. Für die Darstellung von Bewegtbildern wird die menschliche Flimmerfusionsschwelle üblicherweise zwischen 60 und 90 Hz angesetzt, kann aber in bestimmten Fällen um eine Größenordnung höher liegen. In der Praxis werden Filme mit 24 Bildern pro Sekunde aufgenommen und durch zwei- oder dreimaliges Wiederholen jedes Bildes für ein Flimmern von 48 oder 72 Hz angezeigt. Fernsehen in Standardauflösung arbeitet mit 25 oder 30 Bildern pro Sekunde oder manchmal mit 50 oder 60 (Halb-) Bildern pro Sekunde durch Interlacing . High-Definition-Video wird mit 24, 25, 30, 60 Bildern pro Sekunde oder höher angezeigt.

Die Flicker-Fusion-Schwelle verhindert nicht die indirekte Erkennung einer hohen Bildfrequenz, wie den Phantom-Array-Effekt oder den Wagenrad-Effekt , da auf einem experimentellen 480-Hz-Display immer noch für den Menschen sichtbare Nebenwirkungen einer endlichen Bildfrequenz zu sehen waren.

Bildwiederholrate anzeigen

Kathodenstrahlröhren- (CRT-)Displays arbeiteten normalerweise standardmäßig mit einer vertikalen Abtastrate von 60 Hz, was oft zu merklichem Flimmern führte. Viele Systeme erlaubten eine Erhöhung der Frequenz auf höhere Werte wie 72, 75 oder 100 Hz, um dieses Problem zu vermeiden. Die meisten Menschen erkennen kein Flimmern über 400 Hz. Andere Displaytechnologien flimmern nicht merklich, sodass die Bildrate weniger wichtig ist. Flachbildschirme mit Flüssigkristallanzeige (LCD) scheinen überhaupt nicht zu flackern, da die Hintergrundbeleuchtung des Bildschirms mit einer sehr hohen Frequenz von fast 200 Hz arbeitet und jedes Pixel bei einem Scan geändert wird, anstatt sich kurz ein- und wieder auszuschalten wie bei CRT-Displays. Die Art der verwendeten Hintergrundbeleuchtung kann jedoch zu Flimmern führen – Leuchtdioden (LEDs) können nicht einfach gedimmt werden und erzeugen daher durch Pulsweitenmodulation die Illusion des Dimmens, und die verwendete Frequenz kann als Flimmern wahrgenommen werden sensible Nutzer.

Beleuchtung

Flackern ist auch im Bereich der Haushaltsbeleuchtung ( Wechselstrom ) wichtig , wo ein merkliches Flackern durch unterschiedliche elektrische Lasten verursacht werden kann und daher für Stromversorger sehr störend sein kann. Die meisten Stromanbieter haben Flicker-Grenzwerte, die sie für Haushaltskunden einzuhalten versuchen.

Leuchtstofflampen mit konventionellen magnetischen Vorschaltgeräten flackern mit der doppelten Netzfrequenz. Elektronische Vorschaltgeräte erzeugen kein Lichtflimmern, da die Leuchtstoffbeständigkeit länger als eine halbe Periode der höheren Betriebsfrequenz von 20 kHz ist. Das von magnetischen Vorschaltgeräten erzeugte 100-120-Hz-Flimmern wird mit Kopfschmerzen und Überanstrengung der Augen in Verbindung gebracht. Personen mit einer hohen kritischen Flicker-Fusion-Schwelle sind besonders vom Licht von Leuchtstoffröhren mit magnetischem Vorschaltgerät betroffen: Ihre EEG-Alphawellen werden deutlich gedämpft und sie erledigen Büroaufgaben mit höherer Geschwindigkeit und geringerer Genauigkeit. Bei elektronischen Vorschaltgeräten werden die Probleme nicht beobachtet. Normale Menschen haben eine bessere Leseleistung mit elektronischen Hochfrequenz-Vorschaltgeräten (20–60 kHz) als mit magnetischen Vorschaltgeräten, obwohl der Effekt außer bei hohem Kontrastverhältnis gering war.

Das Flackern von Leuchtstofflampen ist selbst mit magnetischen Vorschaltgeräten so schnell, dass es für Personen mit Epilepsie unwahrscheinlich ist . Frühe Studien vermuteten einen Zusammenhang zwischen dem Flackern von Leuchtstofflampen mit magnetischen Vorschaltgeräten und sich wiederholenden Bewegungen bei autistischen Kindern. Diese Studien hatten jedoch Interpretationsprobleme und wurden nicht repliziert.

LED-Lampen profitieren im Allgemeinen nicht von der Flimmerdämpfung durch Phosphor-Nachleuchtdauer, die bemerkenswerte Ausnahme sind weiße LEDs. Flimmern bei Frequenzen von bis zu 2000 Hz (2 kHz) kann von Menschen während Sakkaden wahrgenommen werden, und Frequenzen über 3000 Hz (3 kHz) wurden empfohlen, um menschliche biologische Auswirkungen zu vermeiden.

Visuelle Phänomene

In einigen Fällen ist es bei schnellen Augenbewegungen ( Sakkaden ) oder Objektbewegungen über den "Phantom-Array"-Effekt möglich, Flimmern mit Raten über 2000 Hz (2 kHz) zu sehen . Sich schnell bewegende, flackernde Objekte, die über die Ansicht zoomen (entweder durch Objektbewegung oder durch Augenbewegungen wie z. Stroboskope werden manchmal verwendet, um diesen Effekt absichtlich herbeizuführen. Einige Spezialeffekte, wie zum Beispiel bestimmte Arten von elektronischen Leuchtstäben, die häufig bei Outdoor-Veranstaltungen zu sehen sind, sehen im Ruhezustand einfarbig aus, erzeugen jedoch eine mehrfarbige oder gepunktete Unschärfe, wenn sie in Bewegung geschwenkt werden. Dies sind typischerweise LED-basierte Leuchtstäbe. Die Variation des Tastverhältnisses der LED(s) führt zu einem geringeren Stromverbrauch, während die Eigenschaften der Flimmerfusion den direkten Effekt der Helligkeitsvariation haben. Wenn die Taktfrequenz der angesteuerten LED(s) bei Bewegung unter dem Schwellwert für die Flimmerfusion liegt, werden Timing-Unterschiede zwischen dem Ein-/Aus-Zustand der LED(s) offensichtlich und die Farbe(n) erscheinen als gleichmäßig beabstandete Punkte im peripheren Sehen.

Ein verwandtes Phänomen ist der DLP-Regenbogeneffekt , bei dem für dasselbe Objekt aufgrund von Zeitraffer unterschiedliche Farben an verschiedenen Stellen auf dem Bildschirm angezeigt werden.

Flackern

Flicker ist die Wahrnehmung von visuellen Intensitätsschwankungen und Unstetigkeiten in Gegenwart eines Lichtreizes, die von einem statischen Beobachter in einer statischen Umgebung wahrgenommen werden. Für das menschliche Auge sichtbares Flimmern wird mit einer Frequenz von bis zu 80 Hz betrieben.

Stroboskop-Effekt

Der stroboskopische Effekt wird manchmal verwendet, um "Bewegungen zu stoppen" oder kleine Unterschiede in sich wiederholenden Bewegungen zu untersuchen. Der Stroboskopeffekt bezeichnet das Phänomen, das auftritt, wenn sich die Wahrnehmung von Bewegung ändert, verursacht durch einen Lichtreiz, der von einem statischen Beobachter in einer dynamischen Umgebung wahrgenommen wird. Der stroboskopische Effekt tritt typischerweise in einem Frequenzbereich zwischen 80 und 2000 Hz auf, kann jedoch für einen Prozentsatz der Bevölkerung weit über 10.000 Hz hinausgehen.

Phantom-Array

Phantom Array, auch als Ghosting-Effekt bekannt, tritt auf, wenn sich die Wahrnehmung von Formen und räumlichen Positionen von Objekten ändert. Das Phänomen wird durch einen Lichtreiz in Kombination mit schnellen Augenbewegungen (Sakkaden) eines Betrachters in einer statischen Umgebung verursacht. Ähnlich dem Stroboskopeffekt tritt auch der Phantomeffekt bei ähnlichen Frequenzbereichen auf. Der Mauspfeil ist ein gängiges Beispiel für den Phantom-Array-Effekt.

Nicht-menschliche Spezies

Die Flimmerfusionsschwelle variiert auch zwischen den Arten . Es wurde gezeigt, dass Tauben eine höhere Schwelle haben als Menschen (100 Hz gegenüber 75 Hz), und das gleiche gilt wahrscheinlich für alle Vögel, insbesondere Greifvögel . Viele Säugetiere haben einen höheren Anteil an Stäbchen in ihrer Netzhaut als Menschen, und wahrscheinlich haben sie auch höhere Flimmer-Fusionsschwellen. Dies wurde bei Hunden bestätigt.

Die Forschung zeigt auch, dass Größe und Stoffwechselrate zwei Faktoren sind, die eine Rolle spielen: Kleine Tiere mit einer hohen Stoffwechselrate neigen dazu, hohe Flimmerfusionsschwellen zu haben.

Siehe auch

Verweise

Externe Links

( Wayback-Maschinenkopien )