田高峰，趙貴華

（中央電視臺，北京 100859）

LED電視普通照明燈具頻閃對電視圖像影響的研究

田高峰，趙貴華

（中央電視臺，北京 100859）

測試LED照明燈具頻閃對電視圖像的影響，對測試的主要內(nèi)容、結果和具體結論加以闡述，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用研究，針對LED燈具在電視演播室的應用進行了多項測試與實驗，為LED燈具在電視演播室的適用性提供科學依據(jù)。本文在相關測試與實驗的基礎上整理而成，主要探討LED電視普通照明燈具頻閃對電視圖像的影響。

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，即可簡單地實現(xiàn)改變平均輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光 LED 的亮度。當脈沖頻率過低時，電視圖像會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。通過試驗測試出脈沖頻率最低值是多少時，電視圖像會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，以及電子快門速度與脈沖頻率的配合關系。最后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，得出結論及建議。

1 理論分析

數(shù)字高清攝像機拍攝圖像時首先是要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電荷耦合器件CCD就是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件。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，即每秒鐘50場圖像，場頻為50 Hz。攝像機CCD上的光通量跟鏡頭的光孔徑和電子快門有關，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的感光時間。目前的攝像機都可以專門設置電子快門開關和相應參數(shù)值來控制攝像機CCD的感光時間，對于1080/50i的攝像機來說一般有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（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感光時間，一般為50 Hz～4 700 Hz連續(xù)可調(diào)。正常拍攝時攝像機一般將快門置于關閉狀態(tài)，CCD曝光時間約為1/50 s即20 ms（實際曝光時間為場正程時間約18.4 ms）。

針對高端應用的LED驅(qū)動器，一般都采用固定頻率工作模式的PWM調(diào)光機制。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，以進行亮度控制。

對于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）進行開/關（ON/OFF），以達到想要的亮度級別。DDim的動態(tài)范圍定義了PWM調(diào)光配置所能實現(xiàn)的最大亮度級別。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)光占空比之間的關系。對于給定的調(diào)光頻率FDim，DDim_Max表示最大占空比，即LED電流在下一個調(diào)光周期開始前，從所需的正向電流降低至零的時間；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）的時間。

PWM調(diào)光信號的頻率過低時，電視圖像會出現(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)動的調(diào)光范圍，反而降低系統(tǒng)的最大亮度。期望通過試驗找出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，又能達到要求的調(diào)光精度。

2 實驗測試

2.1 測試目的

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

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

2.2 實驗條件

測試在演播室條件下進行，設備包括：攝像機（索尼HDC-1580）、高清監(jiān)視器（松下BT-LH2600WMC）及特制燈具一臺（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 試驗方法步驟

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

（1）攝像機電子快門為OFF時

在攝像機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)，記錄各測試點攝像機圖像狀況。

（2）攝像機電子快門為ON時

在攝像機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，測試出電子快門速度與脈沖頻率的配合關系，燈具PWM頻率從245 Hz依次向上調(diào)節(jié)，記錄各測試點攝像機圖像狀況和實際效果。

2.4 試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗測試記錄，LED燈具亮度為50%時，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

3 測試結果分析

電視圖像出現(xiàn)閃爍是由每一次曝光時間內(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出現(xiàn)1個脈沖的曝光誤差。如果PWM的周期遠小于曝光時間，則由此帶來的曝光誤差很小，不會出現(xiàn)閃爍。例如，攝像機選擇電子快門1 000 Hz時，曝光時間為1 ms，PWM頻率為20 833 Hz時，脈沖周期為0.048 ms，即一個曝光周期內(nèi)有20個脈沖，1個脈沖的曝光誤差就不會帶來可以察覺的閃爍。

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

表1 實驗數(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刻對應的PWM波形相位相同，這樣從理論上講也能保證每個曝光時間內(nèi)的PWM脈沖數(shù)相等，圖像無閃爍。但由于PWM頻率的誤差會使曝光對應的相位發(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頻率較低時較嚴重。從測試結果看，PWM頻率為300 Hz、349 Hz、400 Hz、1 953 Hz、2 155 Hz、12 500 Hz時，都產(chǎn)生了類似情況。

4 結論及建議

4.1 結論

（1）PWM頻率是攝像機快門頻率的整數(shù)倍時，圖像不閃爍。

（2）對于場頻為50 Hz的攝像機，PWM頻率是50 Hz的整數(shù)倍時，圖像不閃爍，但由于頻率誤差會帶來以差頻為頻率的極低頻閃爍（即呼吸現(xiàn)象），PWM頻率較低時比較嚴重。

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

（4）PWM頻率高于30 kHz時，圖像不閃爍。

4.2 建議

（1）如需使用高速電子快門，燈具PWM頻率應不低于30 kHz；

（2）如不使用高速電子快門，LED燈具可適當降低PWM頻率，但應選擇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，高級工程師，中央電視臺新臺新址工藝項目燈光系統(tǒng)負責人。