PWM LED dimming για εφαρμογές φωτισμού σε βιντεοσκόπηση / φωτογράφιση

[kioan]

Με αφορμή τη συζήτηση που ξεκίνησε στο topic για το κύκλωμα PWM LED dimming, ας συνεχίσουμε εδώ.




Για να βοηθήσω λίγο να γίνει πιο κατανοητή η σχέση συχνότητας του PWM dimming με τον ρυθμό FPS της κάμερας, έφτιαξα ορισμένα γραφήματα.
Στον οριζόντιο άξονα έχουμε τον χρόνο εκφρασμένο σε ms, οι κίτρινες μπάρες αντιστοιχούν στις στιγμές που το LED είναι αναμμένο, ενώ με μπλε μπάρες έχω σημειώσει τις χρονικές στιγμές που ανοίγει το shutter της κάμερας για να καταγράψει την εικόνα. (Ο χρόνος που το shutter παραμένει ανοικτό εξαρτάται από τις ρυθμίσεις της κάμερας, αλλά για το παράδειγμά μας μπορούμε να θεωρήσουμε πως είναι 1ms χωρίς να επηρεάζεται αυτό που προσπαθώ να δείξω).

Όταν η μπλε μπάρα πέφτει επάνω σε μια κίτρινη περιοχή, η κάμερα καταγράφει φως. Όταν αυτή πέφτει σε λευκή περιοχή όπου τα LED είναι σβηστά, η κάμερα καταγράφει σκοτάδι. Αν διαδοχικές καταγραφές δεν έχουν την ίδια φωτεινότητα εμφανίζονται τα προβλήματα που ανέφερα.


Πρώτη περίπτωση: αργό PWM στα 20Hz και κάμερα 30 FPS




Δεύτερη περίπτωση: PWM στα 100Hz, αρκετά πάνω από το όριο που είναι ορατό στο ανθρώπινο μάτι και κάμερα στα 30 FPS





Τρίτη περίπτωση: γρήγορο PWM 500Hz το οποίο όμως και πάλι δεν είναι αρκετό για πραγματικά σταθερή εικόνα





Όπως μπορείτε να δείτε, ακόμα και στην περίπτωση του PWM στα 500Hz, αν η κάμερα και τα LED συγχρονιστούν ακριβώς και χωρίς ολίσθηση, στην τελική καταγραφή θα υπάρχουν εναλλάξ φωτεινές και σκοτεινές εικόνες.



Τέλος να προσθέσω πως αν και το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να αντιληφθεί εναλλαγές με ταχύτητα πάνω από (περίπου) 20Hz αυτό ισχύει μόνο για σταθερές εικόνες και όταν το μάτι είναι εστιασμένο σταθερά.
Όταν το μάτι κινείται ή όταν στο οπτικό πεδίο υπάρχουν κινούμενα αντικείμενα, η συχνότητα του PWM θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτό το νούμερο ώστε να μην γίνει αντιληπτή.

[ΜαστροΤζεπέτο]

Για να βοηθήσω λίγο να γίνει πιο κατανοητή η σχέση συχνότητας του PWM dimming με τον ρυθμό FPS της κάμερας, έφτιαξα ορισμένα γραφήματα.
Στον οριζόντιο άξονα έχουμε τον χρόνο εκφρασμένο σε ms, οι κίτρινες μπάρες αντιστοιχούν στις στιγμές που το LED είναι αναμμένο, ενώ με μπλε μπάρες έχω σημειώσει τις χρονικές στιγμές που ανοίγει το shutter της κάμερας για να καταγράψει την εικόνα. (Ο χρόνος που το shutter παραμένει ανοικτό εξαρτάται από τις ρυθμίσεις της κάμερας, αλλά για το παράδειγμά μας μπορούμε να θεωρήσουμε πως είναι 1ms χωρίς να επηρεάζεται αυτό που προσπαθώ να δείξω)...............

..........Τέλος να προσθέσω πως αν και το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να αντιληφθεί εναλλαγές με ταχύτητα πάνω από (περίπου) 20Hz αυτό ισχύει μόνο για σταθερές εικόνες και όταν το μάτι είναι εστιασμένο σταθερά.
Όταν το μάτι κινείται ή όταν στο οπτικό πεδίο υπάρχουν κινούμενα αντικείμενα, η συχνότητα του PWM θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτό το νούμερο ώστε να μην γίνει αντιληπτή.

Υπέροχο !!!
Δηλαδή το frame τι χρονική διάρκεια μπορεί να έχει ;;; τι Duty Cycle ;;;
Αν δεν σου κάνει κόπο δείξε μας κι ενα γράφημα με PWM στα 1000Hz που τυχαίνει να χρησιμοποιείται εδώ. Έχω την εντύπωση ότι μεγαλύτερες τιμές είναι ακραίες και περιττές .
Άρα κυρίαρχο λόγο παίζει και το duty cycle και των δυο συχνοτήτων το οποίο σε άλλες τιμές μπορεί να επιδεινώσει ή να βελτιώσει το αποτέλεσμα (της καταγραφής πάντα ή του κινούμενου δέκτη-ματιού).

Υ.Γ. Επειδή το θέμα που βάζεις έχει την δική του ιδιαιτερότητα και σοβαρότητα κόφτο τεχνηέντως και βάλτο κάπου σαν ολοκληρωμένο θέμα όπου να είναι διακριτοί οι όροι monitoring ( ;;; ) ,Light, PWM, Duty Cycle, Frequency .....

[ΜαστροΤζεπέτο]

Πρώτη περίπτωση: αργό PWM στα 20Hz και κάμερα 30 FPS




Δεύτερη περίπτωση: PWM στα 100Hz, αρκετά πάνω από το όριο που είναι ορατό στο ανθρώπινο μάτι και κάμερα στα 30 FPS





Τρίτη περίπτωση: γρήγορο PWM 500Hz το οποίο όμως και πάλι δεν είναι αρκετό για πραγματικά σταθερή εικόνα

Παντως η μπλέ μπάρα έχει εδώ διάρκεια 1ms ενώ το frame διαρκεί 33,3 ms και το μάτι μας (σε σταθερή εικόνα) κρατά τα 100ms ...... δλδ 2,5-3 frames. Άρα πάντα αφορά το 1/33,3 της συνολικής εικόνας.
Στην αρχική μου διατύπωση θεωρώ ως δεδομένο ότι ένα frame διαρκεί 33,3ms και άρα περιλαμβάνει πολλές επιμέρους εκφωτίσεις άνω των 50-60Hz ή και 120-140Hz και εφαρμόζοντας μια συχνότητα 500-1000Hz δεν υπάρχουν έντονα άσχημα φαινόμενα.
Η μπλέ μπάρα σου αποτυπώνει ίσως τις συνθήκες φωτογράφισης ή κινηματογράφησης που αφορά την κίνηση μιας σφαίρας όπλου ή μιας άλλης ταχύτατης δραστηριότητας και πως θα την φωτογραφίζαμε αλλά όχι μια απλή καθημερινή χρήση ... Είναι δεδομένο ότι κανείς που κάνει ρεπορτάζ υψηλών ταχυτήτων δεν χρησιμοποιεί τέτοιου είδους φωτισμούς.........

[kioan]

Παντως η μπλέ μπάρα έχει εδώ διάρκεια 1ms ενώ το frame διαρκεί 33,3 ms και το μάτι μας (σε σταθερή εικόνα) κρατά τα 100ms ...... δλδ 2,5-3 frames. Άρα πάντα αφορά το 1/33,3 της συνολικής εικόνας.

Έχεις απόλυτο δίκιο διόρθωσα το αρχείο με το οποίο παρήγαγα τα γραφήματα και θα επανέλθω λίγο αργότερα με πιο ακριβή screenshots.

Υπό φυσιολογικές συνθήκες σε μια κανονική κάμερα, αν έχουμε πχ ρυθμό 30 FPS, το κάθε frame εκτίθεται στο φως με ρυθμό διπλάσιο αυτού, δηλαδή για 1/60s.

Ισχύει πάντως πως υπάρχει διαφορά στον φωτισμό, αλλά λιγότερο εμφανής από ότι υπέθεταν τα προηγούμενα γραφήματα.

[selectronic]

Επίσης πέραν του αν το shutter ή αισθητήρας θα καταγράφει εικόνα με ή χωρίς τα LED αναμμένα, υπάρχει και το θέμα της αυτόματης επιλογής χρόνου που θα γράψει ο αισθητήρας (ή θα μείνει ανοικτό το shutter) ανάλογα με το φως στον χώρο.
Αν η μηχανή δει πολύ φως ο αισθητήρας θα γράψει για πολύ λίγο, και όσο πέφτει η φωτεινότητα θα πρέπει να γράφει για πιο πολλή ώρα ο αισθητήρας. Αν λοιπόν η "φωτομέτρηση" γίνει με τα LED αναμμένα αλλά σβήσουν αμέσως μετά και ο αισθητήρας γράψει για λίγο, θα βγει σκοτεινή η φωτογραφία.
Μπορεί δηλαδή να τραβήξεις δύο φωτογραφίες την μία μετά την άλλη και η πρώτη να βγει σκοτεινή και η άλλη κάτασπρη, εν δεν έχεις επιλέξει χειροκίνητα shutter speed και iso:

photography-shutter-speed-aperture-iso-cheat-sheet-chart-fotoblog-hamburg-daniel-peters-11-800x3.jpg

[kioan]

Έκανα αλλαγές στο αρχείο και πλέον στο γράφημα εμφανίζεται με πραγματικό πλάτος ένας τυπικός χρόνος για το shutter της κάμερας (πήρα την παραδοχή πως παραμένει ανοικτό για την ημιπερίοδο του frame rate).
Επίσης άλλαξα λίγο τον τρόπο υπολογισμού για να μπορώ να ρυθμίζω το βήμα του γραφήματος και πετυχαίνω καλύτερη ανάλυση στην απεικόνιση (είναι το scaling factor αλλά μπορείτε να το αγνοήσετε και να βλέπετε μόνο τις τιμές σε ms)

Τα παρακάτω γραφήματα είναι για frame rate 30FPS και συχνότητα PWM 1kHz, μεταβάλλοντας το duty cycle:


PWM duty cycle 30%



PWM duty cycle 50%



PWM duty cycle 70%



Παρατηρώντας λεπτομερώς το πρώτο γράφημα θα παρατηρήσετε ότι κατά το πρώτο άνοιγμα του shutter ο αισθητήρας της κάμερας φωτίζεται με 17 παλμούς φωτός, ενώ στο αμέσως επόμενο με 16 παλμούς. Ακόμα δηλαδή και με τη συχνότητα PWM στο 1kHz υπάρχει κάποιο ελαφρύ τραιμόπαιγμα (κατά 1/17 της έντασης του φωτός) το οποίο υποσυνθήκες μπορεί να είναι ορατό ή και όχι.

Αντίστοιχη διαφορά υπάρχει και με το μεγαλύτερο duty cycle, αλλά όσο πιο μεγάλο είναι το duty cycle, τόσο μικρότερη ποσοστικώς είναι αυτή η διαφορά ανάμεσα στα διαδοχικά frames.




Διπλασιάζοντας τη συχνότητα του PWM στα 20kHz και για duty cycle 30%, η αντίστοιχη διαφορά στην ένταση του φωτός (σε σχέση με το PWM του 1kHz) ανάμεσα στα διαδοχικά frames ελαττώνεται στο μισό (1/34).