技术文章丨移动光源的幻影效应评估

    1、前言

    目前很多汽车照明系统中均应用了LED光源，以实现多功能动态效果。对于动态信号灯，通过控制LED光源打开或关闭顺序来实现灯具的动态效果，常用的调光控制方法为PWM（脉冲宽度调制）。但是，光源调制过程中可能会对人眼视觉产生幻影效应。本文研究了导致幻影效应的两种不同原因：一种是眼球运动，另一种是光源运动。

    2、实验方法

    A.实验仪器

    我们开发了一个可旋转圆盘，LED光源安装在圆盘的边缘，可随圆盘同步转动。LED光源的PWM频率通过手机蓝牙进行控制。LED光源及其控制器由电池进行驱动。如图1所示，当观察者的眼睛位于距圆盘中心50cm处时，观察者眼睛的视角为40度。该系统通过电机对圆盘转速进行控制，该实验所用装置的系统设计方法如图2所示。

    图1 观察者眼睛位置与圆盘设置方法示意图

    图2 实验系统设计示意图

    B.实验过程

    实验中使用红色LED光源作为视觉刺激。红色光源的色坐标为(0.691,0.308)，亮度为252.87cd/m²。实验使用的PWM频率如表1所示。

    表1 实验使用的PWM频率

    我们通过控制圆盘的转速来控制光源的运动速度，实验中一共使用了四种不同的旋转速度，如表2所示。其中RPM表示每分钟圆盘的旋转圈数。例如：120RPM表示圆盘每秒旋转两圈，角速度为720度/秒。

    表2 实验中使用的圆盘旋转速度

    共有11名被试参与本实验，其中包括2名女性和9名男性，平均年龄为28.7岁。实验是在暗室中进行的，除了LED光源之外，没有其他光源。在实验开始之前，被试首先进行7分钟暗适应，在暗适应过程中，主试对幻影效应的视觉效果进行解释。每个被试参与实验的时间约20分钟。

    3、实验结果

    每个被试产生幻影效应的阈值频率如图3所示。结果表明每个个体的差异很大。但是，根据光源的旋转速度，阈值频率存在一定趋势。电机转速与平均阈值频率的关系如图4和表3所示。由图表可知，幻影效应的阈值频率与电机转速成正比。

    图3被试的幻影效应阈值频率

    表3 实验中电机的旋转速度

    图4 产生幻影效应的阈值频率与电机转速的关系

    4、讨论

    通过对实验结果的分析，我们得到以下结论：一个是幻影效应阈值频率与电机转速的相关性，另一个是眼睛扫视运动与实验得到的眼动速度的阈值频率具有相似性。

    第一个结论表明，视网膜上有光源快速移动时，即PWM频率非常高时，易产生幻影效应。在现实生活中，当前车的尾灯非常靠近驾驶员并且前车尾灯与后车驾驶员眼睛之间的相对运动速度非常快时，就会发生这种情况。

    第二个结论与眼睛扫视运动速度相关。人类眼睛扫视的角速度最高可达700度/秒至1000度/秒，对应的频率为116.7RPM至166.7RPM。本实验中，我们对11名被试关于光源转速与幻影效应阈值频率的数据进行了分析，如图5所示。结果表明，在120RPM的运动速度下，大部分参与者的阈值频率与眼睛扫视运动频率相近。

    图5 光源转速与幻影效应阈值频率关系直方图

    5、结论

    本文发现幻影效应的阈值频率与光源运动速度成正比。此外，光源运动与眼睛扫视运动具有相似的结果。幻影效应阈值频率有很大的个体差异。我们将基于单个眼球运动速度和视敏度的实验结果进行进一步研究，以解释幻影效应阈值的个体差异。

    还有许多其他因素会影响幻影效应的阈值，例如：光束几何形状、亮度、色度等。需要进一步进行研究，以探索这些因素对幻影效应的影响。