日常生活
#视觉感知#LED驱动#扫视#频闪

为什么盯着LED尾灯看,余光里会拖出一串鬼影光点?

夜间开车时,用余光扫过前车的LED尾灯或路口的红绿灯,常会看到一串断续的光点或拖影。这篇文章解释这一现象的两个来源:眼睛快速扫视时并非匀速转动,以及LED灯具以脉冲方式驱动。文章还会说明为什么相机拍到的结果与肉眼余光观察不同,以及如何判断这属于正常视觉现象而非灯具故障。

夜间跟车时,你盯着前方路面,余光扫过前车的红色LED尾灯,会看到它拖出一串断断续续的光点,像被谁沿着视线方向复制了好几份。转头看路口的红绿灯,同样的现象也会出现。灯具本身没有坏,亮度也没有忽明忽暗,但那一串”鬼影”确实存在。

这篇文章要回答的就是:这串光点从哪里来。答案涉及两个独立环节——你的眼球在快速扫视时并不是匀速转动,而LED灯具的光输出也不是一条平滑的直线。两者叠加,才产生了这种只在余光、只在移动视线时出现的图案。

眼球扫视:视线不是滑过去的,而是跳过去的

先做一个可以自己验证的观察。坐在房间里,头保持不动,让视线从左边一个物体快速移到右边另一个物体。你主观上感觉视线是平滑滑过去的,像摄像机摇镜头。但如果有人从侧面录下你的眼睛,会发现眼球在那一瞬间是急速跳过去的,中间几乎没有平滑过渡。

这种快速跳跃式眼动在视觉科学里叫扫视(saccade)。资料显示,扫视是人类眼球最快的运动之一,大幅扫视的峰值角速度可达约700度每秒;扫视的启动通常需要约200毫秒,持续时间约20~200毫秒,具体取决于转动幅度。阅读时常见的扫视更短,典型约20~30毫秒。

关键不在于它快,而在于它”不连续”。扫视期间,眼球以接近恒定的高速从起点跳到终点,而不是缓慢加速再减速地滑过去。这意味着,当你的视线扫过一盏亮着的灯时,灯光在视网膜上的投影位置也在高速移动,并且这个移动是分段的——起点一段、跳跃一段、终点一段。

如果灯是持续稳定发光的,这个分段本身不会产生可见图案,因为每一段投影都同样亮,连起来就是一条均匀的拖影。真正让拖影变成”一串光点”的,是第二个环节。

LED的脉冲驱动:灯其实在快速开关

LED是发光二极管,通电时发光。它的亮度可以通过调节电流大小来控制,也可以更简单地通过快速开关来控制——让灯在一秒内亮灭很多次,只要亮的时间占比合适,人眼感受到的平均亮度就合适。这种控制方式叫脉冲宽度调制,其中”亮的时间占整个周期的比例”叫占空比

举例来说,一个周期内亮一半、灭一半,占空比就是50%。如果开关频率足够高,比如每秒几百次甚至上千次,人眼不会觉得灯在闪,只会觉得它比一直亮着时暗一些。资料中提到,当明暗交替的频率高到视觉系统无法分辨时,明暗印象会融合成中间亮度的连续画面,这一规律由Talbot-Plateau定律描述。

问题在于,融合需要时间。视觉系统对光刺激的响应有延迟,刺激开始后需要一段时间才能建立印象,刺激结束后印象还会持续一小段。资料把这种视觉暂留区分为”可见暂留”和”信息暂留”,前者与刺激的持续时间和强度成反比关系,后者属于更高层的皮层加工。

当你的眼球静止时,这几十毫秒的延迟足以把LED的快速开关抹平,你看到的是稳定发光的灯。但当眼球以扫视的方式高速掠过灯时,情况变了:灯在视网膜上的投影位置本身就在快速移动,而LED恰好在某些时刻是灭的。灭的那些时刻,投影位置已经移到了别处,于是视网膜上留下的不是一条连续的亮线,而是一段亮、一段暗、再一段亮的断续图案。

这就是”鬼影”或”幻影阵列”的由来。资料中,国际照明委员会(CIE)将这一现象定义为:在静止环境中,非静止观察者观看亮度或光谱随时间波动的光源时,感知到的物体形状或空间布局发生变化。这里的”非静止”,指的就是观察者做出了扫视这类快速眼动。

为什么只在余光里、只在夜间明显

有两个条件让这串光点更容易在余光中出现。

第一,余光区域的视觉分辨率低。视网膜中央负责高分辨率的区域叫中央凹,资料显示它只覆盖约1~2度的视角。正因为中央凹太小,人眼才需要不断扫视,把场景的不同部分轮流送进中央凹来获得清晰细节。当你用余光看灯时,灯落在分辨率较低的外周区域,那里对空间细节的辨别力弱,但对亮度变化和运动更敏感。断续的光点在外周不容易被”平滑”掉,反而更容易被察觉。

第二,夜间瞳孔放大、灯光对比强。资料指出,幻影阵列效应在低光环境下最容易观察到。暗环境下瞳孔扩大,进入眼睛的光量增加,亮灯的相对亮度更高,断续图案的对比度也随之提高。白天环境光强,灯的相对亮度低,同样的扫视就不容易产生可见的鬼影。

这也解释了为什么这个现象常出现在夜间跟车或看路口信号灯时:暗背景、高亮度点光源、快速扫视,三个条件同时满足。

相机拍到的和肉眼看到的为什么不一样

用手机对着LED尾灯拍一张照片,回看时往往看不到那串鬼影,或者只看到一条模糊的拖影。这常让人困惑:既然肉眼能看到,相机为什么拍不到?

原因在于两者记录光的方式不同。相机传感器在一段曝光时间内累积光子,曝光时间通常远长于LED的一个开关周期,也长于一次扫视的持续时间。在这段时间里,传感器把亮和灭的时刻平均在一起,断续图案被积分成均匀的亮度或轻微模糊。肉眼则不同,它是在扫视过程中实时、分段地采样,每一小段对应LED当时的状态,所以能”看到”断续。

反过来,如果相机用很短的曝光时间,并且恰好在LED灭的时刻曝光,拍到的灯可能是暗的甚至不亮。这说明相机能否拍到鬼影,取决于曝光时间与LED开关周期、以及拍摄时是否发生相对运动的关系,而不是简单地”相机不如眼睛”。

这算不算灯具故障

不算。幻影阵列是观察者眼动与光源时间调制共同作用的结果,属于正常视觉现象。资料明确将其归为时间光调制引起的视觉伪影之一,与灯具是否损坏无关。

不过,这一现象也提示了一个实际信息:如果一盏LED灯在静止注视时就能看到明显的闪烁,那可能是驱动电路的问题,而不是扫视造成的鬼影。区分方法很简单——保持眼球不动,盯着灯看。扫视相关的鬼影会在眼球停止移动后消失;真正在闪的灯,静止注视时依然在闪。

下面这张流程图概括了从光源到感知的完整链条。

flowchart TD
    A[LED以脉冲方式快速开关] --> B[光输出随时间波动]
    C[眼球做扫视,高速掠过光源] --> D[灯光投影在视网膜上快速移动]
    B --> E[亮灭时刻对应不同投影位置]
    D --> E
    E --> F[视网膜上留下断续亮段]
    F --> G[余光外周区域对亮度变化敏感]
    G --> H[感知为一串鬼影光点]

容易混淆的几种情况

现象触发条件眼球静止时是否可见与灯具故障的关系
幻影阵列(鬼影)扫视 + LED脉冲驱动 + 暗环境无关,属正常视觉现象
灯具真实频闪驱动电路异常或调光不兼容可能相关,需检查驱动
相机拍摄拖影长曝光 + 相对运动不适用无关,属成像积分结果
屏幕拍摄条纹相机快门与屏幕刷新不同步不适用无关,属采样不同步

需要说明的是,表格中”灯具真实频闪”一栏的判断,依据的是静止注视时是否可见闪烁这一可操作标准,而不是对具体灯具质量的评价。不同驱动方案、不同调光方式下的表现会有差异。

可以自己试的小观察

找一个夜晚,站在离路口红绿灯或前车尾灯有一定距离的位置,保持头部不动,用余光看灯,然后让视线在灯和旁边一个暗目标之间快速来回移动。多数人会在移动的瞬间看到断续光点,停下后消失。

反过来,如果换成老式白炽灯或持续发光的灯,同样的扫视通常不会产生这种断续图案,因为它的光输出不随时间快速波动。这个对比能帮你把”眼动”和”光源调制”两个因素分开:眼动提供分段的投影,光源调制提供亮灭的差异,缺一不可。

理解这一点之后,再看到余光里的鬼影,就不必怀疑尾灯坏了。它只是你的眼睛和LED驱动方式在夜间合作演出的一场小把戏。

资料来源

  1. Wikipedia: Saccade
  2. Wikipedia: Persistence of vision
  3. Wikipedia: LED lamp
  4. Perception of Ghosting in LED Lighting: Modeling the visibility of Ghosting (or Phantom Array Effect) - Onderzoeksportaal Eindhoven University of Technology