Драйверы светодиодов для замедленной съёмки на спортивных мероприятиях

Вступление

Требования к телевизионным программам в высоком качестве растут изо дня в день. Одним из таких требований есть замедленная съемка в спортивных программах. Замедленное видео предоставляет зрителю возможность увидеть все движения спортсмена при повторе, а также помогает судье принять правильное решение в спорных моментах. Частота кадров видеосъемки для стандарта NTSC составляет 24 fps (кадра в секунду) или 25 fps в случае PAL/SECAM. Замедленная съемка достигается за счет увеличения fps (количества кадров за секунду). На Олимпийских играх в Пекине в 2008 году замедленная съемка проводилась на частоте 70 fps, а уже через 4 года во время Олимпийских игр в Лондоне частота составляла 300 fps. На последних летних Олимпийских играх в Рио-де-Жанейро в 2016 количество кадров при замедленной съемке было увеличено до 1 500 fps. В результате, выросли требования к освещению во время замедленной съемки видео, потому что каждый кадр должен получить одинаковое количество света, чтобы избежать мерцаний. Количество мерцаний определяется согласно коэффициенту мерцаний или проценту мерцания. После решения Олимпийского комитета, Союз европейских футбольных ассоциаций (УЕФА) также установил технические требования касающиеся работы драйверов светодиодной системы освещения на основе коэффициента мерцаний и других параметров. Поэтому, данная статья призвана разъяснить влияние коэффициента мерцания на видео в ультра замедленной съемке и то, как драйвера для светодиодов компании MEAN WELL способны удовлетворить все требования для такого видео.

Пульсации тока и коэффициент мерцаний

Традиционные спортивные площадки используют галогенные лампы HID. Однако, одним из их основных недостатков является высокий уровень потребления электроэнергии. По этой причине все больше и больше арен переходят на светодиодные осветительные системы. Кроме экономии электроэнергии, есть и другие преимущества, связанные с использованием светодиодного освещения: широкий диапазон управления яркостью, равномерное распределение света, лучшая светоотдача (CRI>80), отсутствие времени ожидания достижения полной яркости, более длительный жизненный цикл и последнее, но не менее важное преимущество, это низкий коэффициент мерцаний, который соответствует современным требованиям к освещению при замедленной съемке. Принцип работы светодиода состоит в преобразовании электрической энергии, подаваемой светодиодным драйвером в свет. Такой механизм мультифизической трансформации имеет полулинейную связь, потому что колебания электричества будут воспроизводиться в области света, что приведет к появлению мерцаний. В результате, характеристики мерцания светодиодной системы освещения в основном зависят от светодиодного драйвера. Как показано на рисунке 1, идеальный ток на выходе светодиодного драйвера должен быть линейным. На самом же деле он синусоидальный. Параметром такого поведения является пульсация тока, которая определяет изменение амплитуды тока за определенный период времени. В освещенной области, параметр для определения скачков света вверх и вниз связан с коэффициентом мерцания. Как обсуждалось ранее, существует полулинейная связь между пульсациями тока и коэффициентом мерцания, поэтому, чтобы сэкономить время, разработчик системы светодиодного освещения может проанализировать пульсации тока светодиодного драйвера и оценить эффективность мерцания всей системы.

Видео в замедленной съемке и возникновение мерцаний

Частота кадров видео в замедленной съемке составляет 24 fps для NTSC или 25 fps в случае PAL/SECAM. Частота постоянного тока на выходе светодиодного драйвера составляет 100 Гц, что в два раза выше, чем 50 Гц от сети переменного тока в Европе и обусловлено преобразованием энергии. В случае работы с нормальной скоростью захвата, стандартная частота 24 или 25 кадров в секунду не является проблемной, если частота захваченного света составляет 100 Гц. Это связано с тем, что количество света для каждого кадра одинаковое, потому что свет падает в одну и ту же точку кадра, хотя и в разное время, как показано на рисунке 2. Когда частота кадров увеличивается (при замедленной съемке), количество света, попадающего на каждый кадр во время экспозиции, может быть не одинаковым, поэтому, при повторном воспроизведении кадров, возникает мерцание. Тем не менее, количество мерцаний также зависит от скорости затвора. Мерцания возникают в приложениях с большим количеством кадров в секунду.

Существует два способа устранения мерцаний — аппаратное и с помощью программного обеспечения. Аппаратное решение также делится на два типа. Первый — увеличить частоту синусоидального выходного тока, это приведет к тому, что экспозиция кадра в случае высоких fps будет одинаковой. Данный метод часто используется при традиционном освещении HID (High Speed Ballast) лампами. Процедура такова: сначала синусоидальный сигнал выходного тока должен быть преобразован в меандр, после чего частота меандра увеличивается, например, до 1 000 Гц, для потребностей сверх замедленного видео до 1 000 кадров в секунду. Второй способ заключается в уменьшении пульсаций тока на выходе преобразователя, это приведет к тому, что количество света, падающего на каждый кадр, не будет сильно отличаться. Конечно, мы можем использовать и программные решения для настройки значений каждого кадра с одинаковой выходной мощностью, но для высоких fps потребуется компьютер с высокой вычислительной мощностью, чтобы решить вышеописанную задачу.

Требования к замедленной съемке на спортивных аренах

Требования к fps для видео в замедленной съемке достигают 1 500 кадров в секунду. В 2008 году, во время Олимпийских игр в Пекине, используемый стандарт составлял 70 кадров в секунду. Диапазон супер замедленной съемки 150–300 fps начали использовать во время Олимпийских игр в Лондоне. Если же число кадров секунду более 300, то это уже видео в ультра замедленной съемке. В 2016 году, во время Олимпийских игр в Рио, среднее значение fps составляло 1 500. Стандартные требования рекламной и телевизионной индустрии для видео в ультра замедленной съемке на частоте 1 000 fps приведены в таблице 1.

УЕФА также определяет технические характеристики для коэффициента мерцаний. В соответствии с этими требованиями, при 300 кадрах в секунду на стадионе Elite Level A, средний коэффициент мерцания должен быть менее 5 %. В соответствии с этими же требованиями, для стадионов уровня А и уровня B средний коэффициент мерцания должен быть менее 12 %, а для стадионов уровня С коэффициент мерцания должен быть менее 20 %.

Пульсации тока светодиодного драйвера

Ранее мы уже определили, что значения пульсаций тока светодиодного драйвера могут использоваться для оценки соответствия уровню мерцаний в телепрограммах и на турнирах под эгидой УЕФА. В этом разделе объясняется, как найти или определить параметр пульсаций тока используя таблицу в техническом описании (даташите) драйвера MEAN WELL. Существует три типа светодиодных драйверов: со стабилизацией по току (CC), со стабилизацией по напряжению (CV) и со сдвоенной характеристикой — стабилизация по напряжению и току (CV + CC). Параметр Current ripple можно найти в таблице даташита драйвера постоянного тока. Например, для серии HLG-320H-C от MEAN WELL пульсации тока составляют менее 5 %. Фактически измеренная пульсация тока зафиксирована в отчете об испытаниях (test report). Как показано на рисунке 3, реальная измеренная пульсация тока составляет 1.14 %, что соответствует требованиям (пульсации до 5 %) для стадиона Elite Level A по классификации УЕФА.

Что касается драйверов со стабилизацией по напряжению (CV), то очень часто используют регулируемый модуль между выходом светодиодного драйвера и светодиодным модулем. Поэтому коэффициент мерцаний всей светодиодной системы освещения должен также учитывать наличие дополнительного модуля регулирующего напряжение. В случае отсутствия подобного регулятора, оценку следует производить согласно следующему абзацу, в котором описывается последний тип драйвера CV + CC. Для CV + CC вообще не существует параметра пульсации тока, как для модели CC. Поэтому оценку можно выполнить, взяв параметр пульсации и шума, а затем выполнить простое математическое преобразование, как показано на рисунке 4. Рисунок 4 показывает, что расчетная пульсация тока является довольно точным результатом, поскольку измеренный параметр пульсации и шума зависит от двух внешних конденсаторов емкостью 0.1 μF и 47 μF, которые часто используются для промышленного применения. В случае, если требуется точный результат, рекомендуется выполнить измерение либо по току пульсации драйвера, либо по коэффициенту мерцания света. Тем не менее, приведенная ниже формула дает возможность быстро произвести оценку.

Конфигурация системы освещения стадиона для уменьшения коэффициента мерцаний

Для приложений с частотой от 1 000 до 2 500 кадров в секунду требуемое мерцание может быть достигнуто с помощью трехфазной сетки без использования высокопроизводительного flicker-free драйвера. Как показано на рисунке 5, светодиодные драйверы установлены на разных фазах сети переменного тока, и каждый из них проецируется на определенный участок. Поскольку пульсации тока каждого драйвера могут отличаться по фазе аж на 120 градусов, эквивалентный коэффициент мерцания будет ниже, чем в случае аппаратной настройки, где представлена только однофазная система. Как результат это полностью удовлетворяет требование по съемке сверх замедленного видео.

Выводы

Требования к источнику света для видео в ультра замедленной съемке очень жесткие, а в случае светодиодных систем главным решением является выбор правильного светодиодного драйвера. Следуя требованиям мирового спортивного сообщества, MEAN WELL предлагает полную линейку продукции и техническую информацию для поддержания клиентов при создании светодиодной системы освещения, подходящей для видео в замедленной съемке на спортивных аренах и стадионах.