LED電視普通照明燈具頻閃對(duì)電視圖像影響的研究

田高峰，趙貴華

（中央電視臺(tái)，北京 100859）

LED電視普通照明燈具頻閃對(duì)電視圖像影響的研究

田高峰，趙貴華

（中央電視臺(tái)，北京 100859）

測(cè)試LED照明燈具頻閃對(duì)電視圖像的影響，對(duì)測(cè)試的主要內(nèi)容、結(jié)果和具體結(jié)論加以闡述，為電視演播室采用LED照明燈具提供依據(jù)，

LED；照明；脈寬調(diào)制；電子快門；頻閃

引言

中央電視臺(tái)于2009年12月～2010年6月底，開展了LED照明燈具在電視演播室應(yīng)用研究，針對(duì)LED燈具在電視演播室的應(yīng)用進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)，為LED燈具在電視演播室的適用性提供科學(xué)依據(jù)。本文在相關(guān)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上整理而成，主要探討LED電視普通照明燈具頻閃對(duì)電視圖像的影響。

LED電視照明燈具一般采用PWM（脈寬調(diào)制）方式調(diào)光——通過改變數(shù)字脈沖占空比，即可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)改變平均輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光 LED 的亮度。當(dāng)脈沖頻率過低時(shí)，電視圖像會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。通過試驗(yàn)測(cè)試出脈沖頻率最低值是多少時(shí)，電視圖像會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，以及電子快門速度與脈沖頻率的配合關(guān)系。最后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論及建議。

1 理論分析

數(shù)字高清攝像機(jī)拍攝圖像時(shí)首先是要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電荷耦合器件CCD就是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。我國使用的彩色電視制式是PAL-D，每秒鐘25幀圖像，由于采用了隔行掃描方式，每幀分兩場(chǎng)，即每秒鐘50場(chǎng)圖像，場(chǎng)頻為50 Hz。攝像機(jī)CCD上的光通量跟鏡頭的光孔徑和電子快門有關(guān)，我們通常采用鏡頭的光孔徑來控制光通量的高低，而用電子快門控制CCD的感光時(shí)間。目前的攝像機(jī)都可以專門設(shè)置電子快門開關(guān)和相應(yīng)參數(shù)值來控制攝像機(jī)CCD的感光時(shí)間，對(duì)于1080/50i的攝像機(jī)來說一般有1/60 s、1/125 s、1/250 s、1/500 s、1/1 000 s和1/2 000 s等，有些攝像機(jī)（如索尼HDC-1580）電子快門還可以通過采用一定的頻率脈沖來控制CCD感光時(shí)間，一般為50 Hz～4 700 Hz連續(xù)可調(diào)。正常拍攝時(shí)攝像機(jī)一般將快門置于關(guān)閉狀態(tài)，CCD曝光時(shí)間約為1/50 s即20 ms（實(shí)際曝光時(shí)間為場(chǎng)正程時(shí)間約18.4 ms）。

針對(duì)高端應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器，一般都采用固定頻率工作模式的PWM調(diào)光機(jī)制。在PWM調(diào)光中，LED正向電流以減少的占空比在0%～100%間轉(zhuǎn)換，以進(jìn)行亮度控制。

對(duì)于LED調(diào)光范圍，在PWM調(diào)光中，LED正向電流以受控的占空比（DDim）進(jìn)行開/關(guān)（ON/OFF），以達(dá)到想要的亮度級(jí)別。DDim的動(dòng)態(tài)范圍定義了PWM調(diào)光配置所能實(shí)現(xiàn)的最大亮度級(jí)別。如上所述，LED亮度與LED正向電流成比例，因此，在使用PWM調(diào)光配置時(shí)所得到的最高和最低LED電流平均值分別由式（1）和式（2）表示。

式中：ILED為LED電流；ILED_Max為LED電流的平均最高值；ILED_Min為LED電流的平均最低值；DDim_Max為最大調(diào)光占空比；DDim_Min為最小調(diào)光占空比。最高和最低LED明亮的比率，又被看作PWM調(diào)光范圍，用式（3）表示。

式（3）表示的是PWM調(diào)光范圍與最大、最小調(diào)光占空比之間的關(guān)系。對(duì)于給定的調(diào)光頻率FDim，DDim_Max表示最大占空比，即LED電流在下一個(gè)調(diào)光周期開始前，從所需的正向電流降低至零的時(shí)間；DDim_Min表示最小占空比，即LED電流由零升至所需的正向電流（IF）的時(shí)間。

PWM調(diào)光信號(hào)的頻率過低時(shí)，電視圖像會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。為避免出現(xiàn)電視圖像閃爍現(xiàn)象，高端照明系統(tǒng)的調(diào)光頻率范圍一般要求在幾萬赫茲?？墒?，更高的調(diào)光頻率將大幅縮小驅(qū)動(dòng)的調(diào)光范圍，反而降低系統(tǒng)的最大亮度。期望通過試驗(yàn)找出LED燈具PWM調(diào)光的最佳頻率范圍，既能保證圖像不出現(xiàn)閃爍，又能達(dá)到要求的調(diào)光精度。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 測(cè)試目的

（1）在不使用電子快門的情況下，測(cè)試出脈沖頻率最低值是多少時(shí)，可使圖像不閃爍。

（2）在使用電子快門的情況下，測(cè)試出電子快門速度與脈沖頻率的配合關(guān)系處于何種情況時(shí)，可使圖像不閃爍。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

測(cè)試在演播室條件下進(jìn)行，設(shè)備包括：攝像機(jī)（索尼HDC-1580）、高清監(jiān)視器（松下BT-LH2600WMC）及特制燈具一臺(tái)（100WLED聚光燈）。燈具PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)光的脈沖頻率可調(diào)（245 Hz ～ 62.5 kHz）。

2.3 試驗(yàn)方法步驟

LED燈具亮度選擇為50%，因?yàn)樵谡{(diào)光輸出幅度50%時(shí)，光源的閃爍最大、最為明顯。而在調(diào)光輸出100%時(shí)，不存在閃爍問題。

（1）攝像機(jī)電子快門為OFF時(shí)

在攝像機(jī)不使用電子快門的情況下，燈具PWM頻率從245 Hz向上調(diào)節(jié)，記錄各測(cè)試點(diǎn)攝像機(jī)圖像狀況。

（2）攝像機(jī)電子快門為ON時(shí)

在攝像機(jī)使用電子快門的情況下，選擇6檔電子快門，即電子快門60 Hz、電子快門75 Hz、電子快門84.98 Hz、電子快門100.1 Hz、電子快門1 000 Hz、電子快門2 000 Hz，測(cè)試出電子快門速度與脈沖頻率的配合關(guān)系，燈具PWM頻率從245 Hz依次向上調(diào)節(jié)，記錄各測(cè)試點(diǎn)攝像機(jī)圖像狀況和實(shí)際效果。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試記錄，LED燈具亮度為50%時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

3 測(cè)試結(jié)果分析

電視圖像出現(xiàn)閃爍是由每一次曝光時(shí)間內(nèi)燈具的PWM脈沖次數(shù)不相等造成的。兩次曝光之間最大會(huì)出現(xiàn)1個(gè)脈沖的曝光誤差。如果PWM的周期遠(yuǎn)小于曝光時(shí)間，則由此帶來的曝光誤差很小，不會(huì)出現(xiàn)閃爍。例如，攝像機(jī)選擇電子快門1 000 Hz時(shí)，曝光時(shí)間為1 ms，PWM頻率為20 833 Hz時(shí)，脈沖周期為0.048 ms，即一個(gè)曝光周期內(nèi)有20個(gè)脈沖，1個(gè)脈沖的曝光誤差就不會(huì)帶來可以察覺的閃爍。

如果PWM周期是曝光時(shí)間的整數(shù)倍，則兩次曝光時(shí)間內(nèi)的PWM脈沖數(shù)一定相等，圖像就不會(huì)出現(xiàn)閃爍。 測(cè)試結(jié)果中電子快門為75 Hz，PWM頻率為375 Hz附近時(shí)，曝光時(shí)間剛好是PWM周期的5倍，圖像無閃爍，附近的頻率出現(xiàn)閃爍，很好地驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

如果PWM周期是50（PAL制）或60（NTSC制）的整數(shù)倍，則每一次曝光的起始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的PWM波形相位相同，這樣從理論上講也能保證每個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)的PWM脈沖數(shù)相等，圖像無閃爍。但由于PWM頻率的誤差會(huì)使曝光對(duì)應(yīng)的相位發(fā)生改變，最終產(chǎn)生以差頻為頻率的脈沖誤差，表現(xiàn)為極低頻率的閃爍（即呼吸現(xiàn)象），這種情況在PWM頻率較低時(shí)較嚴(yán)重。從測(cè)試結(jié)果看，PWM頻率為300 Hz、349 Hz、400 Hz、1 953 Hz、2 155 Hz、12 500 Hz時(shí)，都產(chǎn)生了類似情況。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

（1）PWM頻率是攝像機(jī)快門頻率的整數(shù)倍時(shí)，圖像不閃爍。

（2）對(duì)于場(chǎng)頻為50 Hz的攝像機(jī)，PWM頻率是50 Hz的整數(shù)倍時(shí)，圖像不閃爍，但由于頻率誤差會(huì)帶來以差頻為頻率的極低頻閃爍（即呼吸現(xiàn)象），PWM頻率較低時(shí)比較嚴(yán)重。

（3）常態(tài)（電子快門關(guān)閉）時(shí)，P W M頻率大于1 200 Hz；選擇電子快門60 Hz時(shí)和電子快門75 Hz時(shí)，PWM頻率大于2 000 Hz；選擇電子快門84.98 Hz和電子快門100.1 Hz時(shí)，PWM頻率大于3 000 Hz；圖像不閃爍。

（4）PWM頻率高于30 kHz時(shí)，圖像不閃爍。

4.2 建議

（1）如需使用高速電子快門，燈具PWM頻率應(yīng)不低于30 kHz；

（2）如不使用高速電子快門，LED燈具可適當(dāng)降低PWM頻率，但應(yīng)選擇PWM頻率為50（PAL制）或60（NTSC制）的倍數(shù)，最好選擇50和60的公倍數(shù)。

（編輯 張 淼）

The Inf l uence of Strobof l ash of LED TV Lighting on Television Image

TIAN Gao-feng, ZHAO Gui-hua
(China Centre Television Station, Beijing 100859, China)

The inf l uence of strobof l ash of LED TV lighting on television image was tested in this paper. The main testing items,results and specif i c conclusions were expounded so as to provide the foundation for LED lighting of TV studio.

LED; lighting; pulse width modulation; electronic shutter; stroboscopic

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.1.003

田高峰，高級(jí)工程師，中央電視臺(tái)新臺(tái)新址工藝項(xiàng)目燈光系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。