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El efecto estroboscópico es un fenómeno visual causado por el aliasing que se produce cuando un movimiento rotacional continuo u otro movimiento cíclico se representa mediante una serie de muestras cortas o instantáneas (en contraposición a una imagen continua) con una frecuencia de muestreo cercana al período del movimiento. Explica el " efecto de rueda de carro ", llamado así porque en vídeo, las ruedas con radios (como las de los carros tirados por caballos) a veces parecen girar hacia atrás.
Una fuente estroboscópica, un chorro de gotas de agua que caen a intervalos regulares e iluminadas con una luz estroboscópica , es un ejemplo del efecto estroboscópico aplicado a un movimiento cíclico no rotacional. Vista con luz normal, se trata de una fuente de agua común. Vista bajo una luz estroboscópica cuya frecuencia se ajusta a la velocidad de caída de las gotas, estas parecen estar suspendidas en el aire. Ajustando la frecuencia del estroboscopio, se puede lograr que las gotas parezcan moverse lentamente hacia arriba o hacia abajo.
Según la frecuencia de iluminación, el efecto visual recibe diferentes nombres. Hasta aproximadamente 80 hercios, o el umbral de fusión del parpadeo, se denomina parpadeo visible . Entre aproximadamente 80 y 2000 hercios se denomina efecto estroboscópico (véase este artículo). Con frecuencias superpuestas, pero desde 80 hercios hasta aproximadamente 6500 hercios, existe un tercer efecto llamado efecto de matriz fantasma o efecto fantasma , un fenómeno óptico causado por los rápidos movimientos oculares ( sacadas ) del observador. [ 1 ]
Simon Stampfer , quien acuñó el término en su solicitud de patente de 1833 para su stroboscopische Scheiben (más conocido como el " fenakistiscopio "), explicó cómo se produce la ilusión de movimiento cuando, durante interrupciones de luz regulares y muy breves que pasan desapercibidas, una figura es reemplazada por otra similar en una posición ligeramente diferente. De este modo, cualquier serie de figuras puede manipularse para mostrar movimientos en cualquier dirección deseada. [ 2 ]
Explicación
El estroboscopio es un dispositivo comúnmente utilizado en el análisis mecánico. Se trata de una luz estroboscópica que emite destellos a una frecuencia ajustable. Por ejemplo, si un objeto gira a 60 revoluciones por segundo y se observa con una serie de destellos cortos a 60 veces por segundo, cada destello ilumina el objeto en la misma posición de su ciclo de rotación, dando la impresión de que está inmóvil. Además, esta frecuencia puede superar el umbral de fusión de parpadeo, suavizando así la secuencia de destellos para que la imagen percibida sea continua .
Si se observa el mismo objeto giratorio a 61 destellos por segundo, cada destello lo iluminará en una fase ligeramente anterior de su ciclo de rotación. Se producirán sesenta y un destellos antes de que el objeto vuelva a verse en la misma posición, y la serie de imágenes se percibirá como si girara hacia atrás una vez por segundo.
El mismo efecto se produce si el objeto se observa a 59 destellos por segundo, con la diferencia de que cada destello lo ilumina un poco más tarde en su ciclo de rotación y, por lo tanto, el objeto parecerá estar girando hacia adelante.
Lo mismo podría aplicarse a otras frecuencias, como los 50 Hz característicos de las redes de distribución eléctrica de la mayoría de los países del mundo.
En el caso del cine, la acción se captura como una rápida sucesión de imágenes fijas y puede producirse el mismo efecto estroboscópico.
Conversión de audio a partir de patrones de luz
El efecto estroboscópico también interviene en la reproducción de audio. Los discos compactos se basan en los reflejos estroboscópicos del láser en la superficie del disco para su procesamiento (este efecto también se utiliza para datos informáticos ). Los DVD y los discos Blu-ray tienen funciones similares.
El efecto estroboscópico también influye en los micrófonos láser .
Efecto de rueda de carreta
Las cámaras de cine suelen filmar a 24 fotogramas por segundo. Si bien es improbable que las ruedas de un vehículo giren a 24 revoluciones por segundo (ya que sería extremadamente rápido), supongamos que cada rueda tiene 12 radios y gira a solo dos revoluciones por segundo. Filmada a 24 fotogramas por segundo, los radios aparecerán en la misma posición en cada fotograma. Por lo tanto, la rueda se percibirá como inmóvil. De hecho, cada radio capturado fotográficamente en una posición determinada será un radio diferente en cada fotograma sucesivo, pero como los radios son prácticamente idénticos en forma y color, no se percibirá ninguna diferencia. Así pues, siempre que el número de veces que la rueda gira por segundo sea un factor de 24 y 12, la rueda parecerá estar inmóvil.
Si la rueda gira un poco más despacio que a dos revoluciones por segundo, se observa que la posición de los radios se retrasa un poco más en cada fotograma sucesivo y, por lo tanto, la rueda parecerá girar hacia atrás.
Efectos beneficiosos
Los principios estroboscópicos, y su capacidad para crear la ilusión de movimiento, son la base de la teoría que subyace a la animación , el cine y otras imágenes en movimiento.
En algunas aplicaciones especiales, las pulsaciones estroboscópicas ofrecen ventajas. Por ejemplo, un estroboscopio es un instrumento que produce destellos de luz cortos y repetitivos que se pueden usar para medir frecuencias de movimiento o para analizar la sincronización de objetos en movimiento. Una lámpara estroboscópica para automóviles es un dispositivo especializado que se utiliza para ajustar manualmente el momento de encendido de un motor de combustión interna .
El entrenamiento visual estroboscópico (EVE) es una herramienta reciente destinada a mejorar el rendimiento visual y perceptivo de los deportistas mediante la realización de actividades en condiciones de iluminación modulada o visión intermitente. [ 3 ]
Efectos no deseados en la iluminación común
El efecto estroboscópico es uno de los artefactos lumínicos temporales más comunes . En aplicaciones de iluminación habituales, el efecto estroboscópico es un efecto no deseado que puede hacerse visible al observar un objeto en movimiento o rotación iluminado por una fuente de luz modulada en el tiempo. La modulación temporal de la luz puede deberse a fluctuaciones de la propia fuente de luz o a la aplicación de ciertas tecnologías de atenuación o regulación del nivel de luz. Otra causa de modulaciones lumínicas pueden ser las lámparas con atenuadores externos de modulación por ancho de pulso sin filtrar . Esto puede comprobarse con cualquier objeto que gire rápidamente.
Efectos
Diversos comités científicos han evaluado los posibles aspectos relacionados con la salud, el rendimiento y la seguridad derivados de las modulaciones temporales de la luz (TLM), incluido el efecto estroboscópico. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Los efectos adversos en las áreas de aplicación de iluminación comunes incluyen molestias, disminución del rendimiento en las tareas, fatiga visual y dolor de cabeza. Los aspectos de visibilidad del efecto estroboscópico se presentan en una nota técnica de la CIE , véase CIE TN 006:2016 [ 7 ] y en la tesis de Perz. [ 8 ] [ 9 ]
Los efectos estroboscópicos también pueden generar situaciones de riesgo en lugares de trabajo con maquinaria que gira o se mueve rápidamente. Si la frecuencia de la maquinaria o las piezas móviles que giran rápidamente coincide con la frecuencia, o con múltiplos de la frecuencia, de la modulación de la luz, la maquinaria puede parecer estática o moverse a otra velocidad, lo que podría generar situaciones peligrosas . [ 1 ] Los efectos estroboscópicos que se hacen visibles en objetos giratorios también se conocen como el efecto de la rueda de carro .
En general, los efectos no deseados en la percepción visual de un observador humano inducidos por fluctuaciones en la intensidad de la luz se denominan Artefactos Temporales de Luz (ATL). En el seminario web grabado « ¿Es todo solo un parpadeo? » se ofrece información adicional y explicaciones sobre los diferentes fenómenos de ATL, incluido el efecto estroboscópico. [ 10 ]
Algunos problemas médicos inducidos por la estroboscopia pueden presentarse en ciertas personas, como migrañas y dolores de cabeza, conductas repetitivas autistas, fatiga ocular , disminución del rendimiento en tareas visuales, ansiedad y (más raramente) convulsiones epilépticas. [ 1 ]
Causas fundamentales
La luz emitida por equipos de iluminación, como luminarias y lámparas, puede variar en intensidad con el tiempo, ya sea de forma intencionada o no. Las variaciones intencionadas de la luz se utilizan para advertencia, señalización (por ejemplo, semáforos , luces intermitentes de aviación) y espectáculos (como la iluminación de escenarios ), con el fin de que el parpadeo sea percibido por las personas. Generalmente, la salida de luz de los equipos de iluminación también puede presentar modulaciones residuales no intencionadas del nivel de luz debido a la tecnología de los equipos de iluminación en relación con el tipo de conexión a la red eléctrica. Por ejemplo, los equipos de iluminación conectados a una red monofásica suelen tener modulaciones residuales del nivel de luz equivalentes al doble de la frecuencia de la red, ya sea a 100 o 120 Hz (según el país).
La magnitud, la forma, la periodicidad y la frecuencia de las modulaciones de luz (TLM) dependerán de muchos factores, como el tipo de fuente de luz, la frecuencia de la red eléctrica, la tecnología del controlador o balasto y el tipo de tecnología de regulación de luz aplicada (por ejemplo, modulación por ancho de pulso). Si la frecuencia de modulación está por debajo del umbral de fusión del parpadeo y la magnitud de la TLM supera cierto nivel, dichas TLM se perciben como parpadeo . Las modulaciones de luz con frecuencias de modulación superiores al umbral de fusión del parpadeo no se perciben directamente, pero pueden hacerse visibles ilusiones en forma de efecto estroboscópico (véase la figura 1).
Los LED no producen modulaciones temporales de forma intrínseca; simplemente reproducen muy bien la forma de onda de la corriente de entrada, y cualquier ondulación en dicha forma de onda se reproduce mediante una ondulación de luz debido a la rápida respuesta de los LED. Por lo tanto, en comparación con las tecnologías de iluminación convencionales (incandescentes, fluorescentes), la iluminación LED presenta una mayor variedad en sus propiedades de modulación temporal de la luz (TLA). Se utilizan diversos tipos y topologías de circuitos controladores de LED ; la electrónica más sencilla y la ausencia o limitación de condensadores de amortiguación suelen generar una mayor ondulación de corriente residual y, por consiguiente, una mayor modulación temporal de la luz.
Las tecnologías de atenuación, ya sean reguladores externos (incompatibles) o reguladores internos del nivel de luz, pueden tener un impacto adicional en el nivel del efecto estroboscópico; el nivel de modulación temporal de la luz generalmente aumenta a niveles de luz más bajos.
NOTA: La causa principal de la modulación temporal de la luz se suele denominar parpadeo. Asimismo, el efecto estroboscópico también se suele denominar parpadeo. Sin embargo, el parpadeo es un efecto directamente visible que resulta de modulaciones de luz a frecuencias relativamente bajas, normalmente inferiores a 80 Hz, mientras que el efecto estroboscópico en aplicaciones comunes (residenciales) puede hacerse visible si existen modulaciones de luz con frecuencias superiores a 80 Hz.
Mitigación
En general, el efecto estroboscópico indeseado puede evitarse reduciendo el nivel de TLM.
El diseño de equipos de iluminación para reducir la transmitancia lumínica total (TLM) de las fuentes de luz suele implicar una compensación con otras propiedades del producto y, por lo general, aumenta el costo y el tamaño, acorta la vida útil o disminuye la eficiencia energética.
Por ejemplo, para reducir la modulación de la corriente que alimenta los LED, lo que también disminuye la visibilidad de las TLA, se requiere un condensador de almacenamiento grande, como un condensador electrolítico . Sin embargo, el uso de estos condensadores reduce significativamente la vida útil del LED, ya que presentan la mayor tasa de fallos entre todos los componentes. Otra solución para disminuir la visibilidad de las TLA es aumentar la frecuencia de la corriente de alimentación; no obstante, esto reduce la eficiencia del sistema y aumenta su tamaño total.
Visibilidad
El efecto estroboscópico se hace visible si la frecuencia de modulación del TLM está en el rango de 80 Hz a 2000 Hz y si la magnitud del TLM supera cierto nivel. Otros factores importantes que determinan la visibilidad de los TLM como efecto estroboscópico son:
- La forma de la onda de luz modulada temporal (por ejemplo, pulso sinusoidal, rectangular y su ciclo de trabajo );
- El nivel de iluminación de la fuente de luz;
- La velocidad de movimiento de los objetos en movimiento observados;
- Factores fisiológicos como la edad y la fatiga.
Todas las cantidades de influencia relacionadas con el observador son parámetros estocásticos, porque no todos los humanos perciben el efecto de la misma ondulación de luz de la misma manera. Por eso, la percepción del efecto estroboscópico siempre se expresa con cierta probabilidad. Para los niveles de luz que se encuentran en aplicaciones comunes y para velocidades moderadas de movimiento de objetos (relacionadas con las velocidades que pueden alcanzar los humanos), se ha derivado una curva de sensibilidad promedio basada en estudios de percepción. [ 8 ] [ 11 ] La curva de sensibilidad promedio para formas de onda de luz moduladas sinusoidalmente, también llamada función umbral de contraste del efecto estroboscópico, en función de la frecuencia f es la siguiente:
La función de umbral de contraste se muestra en la Figura 2. El efecto estroboscópico se hace visible si la frecuencia de modulación del TLM se encuentra en el rango de aproximadamente 10 Hz a 2000 Hz y si la magnitud del TLM supera cierto nivel. La función de umbral de contraste muestra que, a frecuencias de modulación cercanas a 100 Hz, el efecto estroboscópico será visible con magnitudes de modulación relativamente bajas. Si bien en teoría el efecto estroboscópico también es visible en el rango de frecuencia inferior a 100 Hz, en la práctica la visibilidad del parpadeo predominará sobre el efecto estroboscópico en el rango de frecuencia de hasta 60 Hz. Además, es improbable que se produzcan grandes magnitudes de TLM repetitivos intencionales con frecuencias inferiores a 100 Hz en la práctica, ya que los TLM residuales generalmente ocurren a frecuencias de modulación que son el doble de la frecuencia de la red eléctrica (100 Hz o 120 Hz).
También se ofrecen explicaciones detalladas sobre la visibilidad del efecto estroboscópico y otros artefactos temporales de la luz en CIE TN 006:2016 [ 7 ] y en un seminario web grabado titulado “¿ Es todo solo un parpadeo? ” [ 10 ] .
Evaluación objetiva del efecto estroboscópico
Medidor de visibilidad con efecto estroboscópico
Para la evaluación objetiva del efecto estroboscópico se ha desarrollado la medida de visibilidad del efecto estroboscópico (SVM). [ 7 ] [ 8 ] [ 11 ] La especificación del medidor de visibilidad del efecto estroboscópico y el método de prueba para la evaluación objetiva de equipos de iluminación se publican en el informe técnico IEC TR 63158. [ 12 ] La SVM se calcula utilizando la siguiente fórmula de suma:
![{\displaystyle SVM={\sqrt[{3.7}]{\textstyle \sum _{m=1}^{\infty }\displaystyle \left({\frac {C_{m}}{T_{m}}}\right)^{3.7}}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c49bc10774828abf5922b879e27ca6f31fab7fd9)
donde C m es la amplitud relativa del m-ésimo componente de Fourier ( representación de la serie trigonométrica de Fourier ) de la iluminancia relativa (en relación con el nivel de CC);
T m es la función umbral de contraste del efecto estroboscópico para la visibilidad del efecto estroboscópico de una onda sinusoidal en la frecuencia del m-ésimo componente de Fourier (véase § Visibilidad ). SVM puede utilizarse para la evaluación objetiva por un observador humano de los efectos estroboscópicos visibles de la modulación temporal de la luz de los equipos de iluminación en aplicaciones interiores generales, con niveles típicos de luz interior (> 100 lx) y con movimientos moderados de un observador o un objeto cercano manipulado (< 4 m/s). Para evaluar los efectos estroboscópicos no deseados en otras aplicaciones, como la percepción errónea de maquinaria que gira o se mueve rápidamente en un taller, por ejemplo, pueden ser necesarias otras métricas y métodos, o la evaluación puede realizarse mediante pruebas subjetivas (observación).
NOTA: Se están utilizando diversas métricas alternativas, como la profundidad de modulación, el porcentaje de parpadeo o el índice de parpadeo, para especificar el rendimiento del efecto estroboscópico de los equipos de iluminación. Ninguna de estas métricas es adecuada para predecir la percepción humana real, ya que esta se ve afectada por la profundidad de modulación, la frecuencia de modulación, la forma de onda y, en su caso, el ciclo de trabajo del TLM.
Caja de herramientas de Matlab
Una caja de herramientas de Matlab para la medición de la visibilidad del efecto estroboscópico, que incluye una función para calcular SVM y algunos ejemplos de aplicación, está disponible en Matlab Central a través de la comunidad de Mathworks. [ 13 ]
Criterio de aceptación
Si el valor de SVM es igual a uno, la modulación de entrada de la forma de onda de la luz produce un efecto estroboscópico que es apenas visible, es decir, en el umbral de visibilidad. [ 7 ] Esto significa que un observador promedio podrá detectar el artefacto con una probabilidad del 50 %. Si el valor de la medida de visibilidad es superior a la unidad, el efecto tiene una probabilidad de detección superior al 50 %. Si el valor de la medida de visibilidad es inferior a la unidad, la probabilidad de detección es inferior al 50 %. Estos umbrales de visibilidad muestran la detección promedio de un observador humano promedio en una población. Sin embargo, esto no garantiza la aceptabilidad. Para algunas aplicaciones menos críticas, el nivel de aceptabilidad de un artefacto podría estar muy por encima del umbral de visibilidad. Para otras aplicaciones, los niveles aceptables podrían estar por debajo del umbral de visibilidad. NEMA 77-2017 [ 14 ] , entre otros, proporciona orientación sobre los criterios de aceptación en diferentes aplicaciones.
Aplicaciones de prueba y medición
En la Figura 3 se muestra una configuración de prueba típica para la prueba del efecto estroboscópico. El medidor de visibilidad del efecto estroboscópico se puede aplicar para diferentes propósitos (véase IEC TR 63158 [ 12 ] ):
- Medición del rendimiento intrínseco del efecto estroboscópico de los equipos de iluminación cuando se alimentan con una tensión de red estable;
- Prueba del efecto de la regulación de la luz de los equipos de iluminación o del efecto de un atenuador externo (compatibilidad con atenuadores).
Publicación de organizaciones de desarrollo de normas
- CIE TN 006:2016: introduce términos, definiciones, metodologías y medidas para la cuantificación de TLA, incluido el efecto estroboscópico. [ 7 ]
- IEC TR 63158:2018: incluye la especificación del medidor de visibilidad de efecto estroboscópico y el método de verificación, y los procedimientos de prueba ao para la compatibilidad con atenuadores. [ 12 ]
- NEMA 77-2017: [ 14 ] entre otros, métodos de prueba de parpadeo y guía para criterios de aceptación.
Peligros en los lugares de trabajo
El efecto estroboscópico puede generar situaciones de riesgo en lugares de trabajo con maquinaria que gira o se mueve a gran velocidad. Si la frecuencia de rotación de la maquinaria o las piezas móviles coincide con la frecuencia, o con múltiplos de la frecuencia, de la modulación de la luz, la maquinaria puede parecer estática o moverse a otra velocidad, lo que podría provocar situaciones peligrosas.
Debido a la ilusión que el efecto estroboscópico puede producir en la maquinaria en movimiento, se recomienda evitar la iluminación monofásica. Por ejemplo, una fábrica iluminada con una fuente de alimentación monofásica y con iluminación básica tendrá un parpadeo de 100 o 120 Hz (según el país, 50 Hz x 2 en Europa, 60 Hz x 2 en EE. UU., el doble de la frecuencia nominal), por lo que cualquier maquinaria que gire a múltiplos de 50 o 60 Hz (3000–3600 rpm) puede parecer que no gira, lo que aumenta el riesgo de lesiones para el operario. Las soluciones incluyen el uso de una fuente de alimentación trifásica completa, o el uso de controladores de alta frecuencia que alimenten las luces a frecuencias más seguras [ 15 ] o iluminación de corriente continua.
El efecto estroboscópico de 100/120 Hertz en la iluminación comercial puede provocar problemas disruptivos y resultados improductivos en espacios de trabajo como hospitales y centros médicos, instalaciones industriales, oficinas, escuelas o salas de videoconferencia. [ 1 ]
Véase también
Referencias
- 1 2 3 4 Miller, Naomi. "Conceptos básicos sobre el parpadeo" . www.energy.gov . Departamento de Energía de EE . UU . Consultado el 15 de enero de 2025 .
- ^ Stampfer, Simón (1833). Die stroboscopischen Scheiben; oder, Optischen Zauberscheiben: Deren Theorie und wissenschaftliche anwendung, erklärt von dem Erfinder [ Los discos estroboscópicos; o discos mágicos ópticos: su teoría y aplicación científica, explicada por el inventor ] (en alemán). Viena y Leipzig: Trentsensky y Vieweg. pag. 2.
- ↑ Luke Wilkins, Carl Nelson, Simon Tweddle, Entrenamiento visual estroboscópico: un estudio piloto con tres porteros de fútbol juvenil de élite, J Cogn Enhanc (2018) 2:3–11, DOI 10.1007/s41465-017-0038-z
- ↑ Norma IEEE Std 1789:2015, Prácticas recomendadas de la IEEE para modular la corriente en LED de alto brillo para mitigar los riesgos para la salud de los espectadores. ( enlace)
- ↑ SCENIHR (Comité Científico sobre Riesgos Sanitarios Emergentes y Recientemente Identificados), Efectos de la luz artificial en la salud , 19 de marzo de 2012 ( ISBN) 978-92-79-26314-9).
- ↑ SCHEER (Comité Científico de la CE sobre Salud, Medio Ambiente y Riesgos Emergentes), Dictamen final sobre los riesgos potenciales para la salud humana de los diodos emisores de luz (LED) , junio de 2018. (enlace) .
- 1 2 3 4 5 CIE TN 006:2016, Aspectos visuales de los sistemas de iluminación modulada en el tiempo: definiciones y modelos de medición. (pdf)
- 1 2 3 M. Perz, Modelado de la visibilidad de artefactos de luz temporales , tesis, Universidad Tecnológica de Eindhoven, 05/02/2019 ( ISBN) 978-90-386-4681-7) [2]
- ↑ TU/e News, Medición de la visibilidad estroboscópica: comprender cómo las personas experimentan la fluctuación de la luz LED, 1 de febrero de 2019. Enlace
- 1 2 D. Sekulovski, Grabación del seminario web “¿ Es todo solo un parpadeo? ” (YouTube)
- 1 2 MALGORZATA PERZ, DRAGAN SEKULOVSKI, INGRID VOGELS E INGRID HEYNDERICKX, Efecto estroboscópico: función de umbral de contraste y dependencia del nivel de iluminación, Vol. 35, No. 2 / Febrero de 2018 / Journal of the Optical Society of America A, págs. 309.
- 1 2 3 IEC TR 63158:2018 + COR 1, Equipos para fines de iluminación general – Método de ensayo objetivo para efectos estroboscópicos de equipos de iluminación, 19-03-2018.
- ↑ Caja de herramientas para la medición de la visibilidad del efecto estroboscópico en Matlab Central.
- 1 2 NEMA 77-2017: Artefactos de luz temporales: Métodos de prueba y guía para criterios de aceptación . (enlace)
- ↑ Cronshaw, Geoff (otoño de 2008), "Luminarias e instalaciones de iluminación de la Sección 559: una visión general" , Wiring Matters (28), The IET: 4, archivado del original el 19 de diciembre de 2016 , recuperado el 20 de septiembre de 2012.
Enlaces externos
- https://www.youtube.com/watch?v=3_vVB9u-07I Un claro ejemplo de este efecto.
- Fuente estroboscópica interactiva : permite ajustar la frecuencia del efecto estroboscópico para controlar el movimiento aparente de las gotas que caen.
- Yutaka Nishiyama (2012), "Matemáticas de los abanicos" (PDF), Revista Internacional de Matemáticas Puras y Aplicadas, 78 (5): 669–678.
- Tecnología cinematográfica y de vídeo
- ilusiones ópticas
