Data-based modeling the detection of visual stroboscopic effects and investigating the impact of myopia on perception

The study of temporal light artefacts (TLAs) has gained growing importance in the context of solid state lighting (SSL) technologies, particularly with the widespread adoption of light emitting diodes (LEDs). Temporal light modulation (TLM), which refers to temporal fluctuations in light intensity and spectral composition, can induce various forms of visual discomfort, especially when parameters are suboptimally configured. Among these artifacts, the strobo- scopic effect is of particular concern, as it significantly impacts visual perception in a range of applications, including industrial lighting, traffic signaling, visual displays, and medical diagnostics. Accurately predicting the threshold frequency for the onset of stroboscopic effects is crucial for optimizing lighting design, minimizing visual discomfort, and enhancing task performance. Although prior studies have introduced several metrics to evaluate stroboscopic visibility, most notably the stroboscopic visibility measure (SVM), many of these models were developed under limited experimental conditions and have not been thoroughly validated across diverse lighting scenarios or user populations. This research addresses these limitations by constructing a predictive model capable of predicting threshold frequencies of stroboscopic effects under a wide range of experimental conditions. Additionally, the study refines the SVM metric to enhance accuracy and robustness, and evaluates applicability across individuals with varying visual characteristics. Through these efforts, the work offers deeper insight into the perceptual mechanisms governing stroboscopic visibility and contributes to the development of more universally applicable evaluation methods. In this work, a series of visual experiments was conducted to investigate the relationship between the visibility of the stroboscopic effect and various parameters, including duty cycles, illuminance levels and object speeds. A carefully controlled experimental setup was developed, comprising a modulated LED light source (4500 K correlated color temperature (CCT)), a black-coated rotating disk marked with a single white dot, and a data acquisition system designed to record participants’ visual responses. The LED was driven with a square-wave signal at a 100% modulation depth with frequencies ranging from 100 Hz to 4200 Hz. Five duty cycles, three object speeds and three illuminance levels were tested, resulting in a total of nine experimental conditions. To determine perceptual thresholds, the method of constant stimuli was employed, allowing for precise estimation of the frequency corresponding to a 50% detection probability. This approach facilitated accurate and repeatable measurement of the stroboscopic effect threshold across the various combinations of experimental parameters. The experimental data were used to develop an objective predictive model that quantifies the relationship between the threshold frequency of the stroboscopic effect and key parameters, including duty cycle, object speed, and illuminance level. Analysis of the results revealed a clear inverse relationship between threshold frequency and duty cycle: thresholds decreased as the duty cycle increased. In contrast, threshold frequency exhibited a positive correlation with object speed, increasing as object speed rose. Statistical tests indicated that illuminance level had no significant impact on threshold frequency, and therefore, was excluded from the final model formulation. Based on these findings, a predictive model was constructed using duty cycle and object speed as the primary input variables. The model demonstrated strong alignment with experimental data and robust performance across conditions. Its practical applicability was further supported by comparisons with established metrics under typical office conditions, showing close alignment with reference SVM values (SVM = 1). This outcome provides additional validation for the model’s reliability and its potential utility in real-world lighting applications. The application context of the original SVM metric was limited to object speeds up to 4 m/s. To extend applicability and assess reliability under broader and more realistic scenarios, this study proposed a refined approach incorporating waveform characteristics. By leveraging the dominant Fourier components of the square-wave modulation, correction factors were derived to recalibrate the temporal contrast threshold function. The modified metric showed improved alignment with expected reference SVM values and greater consistency across varying conditions, enhancing its robustness and practical relevance. To investigate individual differences, a dedicated set of experiments was conducted involving myopic participants to examine how refractive errors affect the perception of the stroboscopic effect. This extension of the study aimed to compare perceptual thresholds between individuals with normal vision and those with varying diopters of myopia, thereby enhancing the general- izability and applicability of the proposed metric. Participants exhibited a range of refractive errors from -0.00 to -8.00 diopters. The findings revealed that individuals with higher diopters of myopia exhibited lower threshold frequencies for detecting stroboscopic effects, indicating reduced sensitivity compared to participants with mild or no refractive errors. Further analysis showed that both the original and adjusted SVM metrics remained relatively stable and accurate for individuals with mild myopia (≤ -1.00 diopters). However, for participants with moderate to severe myopia (≥ -1.25 diopters), the metrics displayed increasing deviations, suggesting a decline in predictive accuracy as refractive error severity increased. These results highlight a limitation in the robustness of the SVM metric when applied to individuals with higher diopters of myopia. To explore these effects in greater detail, the study examined the influence of additional experimental parameters. Statistical analyses indicated that the duty cycle had no significant effect on threshold frequency in myopic participants. In contrast, a strong negative correlation was observed between the severity of myopia and threshold frequency, confirming that higher diopters are associated with diminished sensitivity to stroboscopic effects. With the presented framework and approaches of this doctoral thesis, it is now possible to predict the threshold frequency of the stroboscopic effect under various experimental conditions. The introduction of the adjusted temporal contrast sensitivity function has expanded the applicability of the SVM metric, allowing it to be used across a wider range of conditions with improved accuracy. Furthermore, the impact of refractive errors, such as myopia, on the perception of the stroboscopic effect has been investigated, offering new insights into how different visual conditions influence stroboscopic effect sensitivity. These findings contribute to the optimization of lighting systems to enhance visual comfort and prevent discomfort caused by stroboscopic effects, ultimately improving the quality of lighting design for diverse user groups.

Die Untersuchung zeitlicher Lichtartefakte (Temporal Light Artefacts, TLAs) hat im Zusammenhang mit Technologien der Festkörperbeleuchtung (Solid State Lighting, SSL), insbesondere mit der weitverbreiteten Nutzung von Leuchtdioden (LEDs), zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die zeitliche Lichtmodulation (Temporal Light Modulation, TLM), die sich auf zeitliche Schwankungen der Lichtintensität und der spektralen Zusammensetzung bezieht, kann verschiedene Formen visuellen Unbehagens hervorrufen, insbesondere wenn entsprechende Parameter suboptimal eingestellt sind. Unter diesen Artefakten stellt der stroboskopische Effekt ein besonderes Problem dar, da er die visuelle Wahrnehmung in einer Vielzahl von Anwendungen erheblich beeinflusst – darunter industrielle Beleuchtung, Verkehrssteuerung, visuelle Displays und medizinische Diagnostik. Die präzise Vorhersage der Schwellenfrequenz für das Auftreten stroboskopischer Effekte ist entscheidend, um die Lichtgestaltung zu optimieren, visuelles Unbehagen zu minimieren und die Leistungsfähigkeit bei visuellen Aufgaben zu verbessern. Obwohl frühere Studien mehrere Metriken zur Bewertung der Sichtbarkeit stroboskopischer Effekte eingeführt haben – insbesondere das Stroboscopic Visibility Measure (SVM) – wurden viele dieser Modelle unter eingeschränkten experimentellen Bedingungen entwickelt und bislang nicht umfassend unter verschiedenen Beleuchtungsszenarien oder mit unterschiedlichen Nutzergruppen validiert. Diese Arbeit setzt genau hier an und entwickelt ein Vorhersagemodell, das in der Lage ist, die Schwellenfrequenzen stroboskopischer Effekte unter einer Vielzahl experimenteller Bedingungen präzise zu prognostizieren. Darüber hinaus wird die SVM-Metrik verfeinert, um Genauigkeit und Robustheit zu erhöhen und ihre Anwendbarkeit für Personen mit unterschiedlichen visuellen Eigenschaften zu bewerten. Die Ergebnisse liefern ein tieferes Verständnis der Wahrnehmungsmechanismen, die der Sichtbarkeit stroboskopischer Effekte zugrunde liegen, und leisten einen Beitrag zur Entwicklung universell einsetzbarer Bewertungsmethoden.

In dieser Arbeit wurde eine Reihe visueller Experimente durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen der Sichtbarkeit des stroboskopischen Effekts und verschiedenen Parametern – einschließlich Tastverhältnis (Duty Cycle), Beleuchtungsstärke und Objektgeschwindigkeit – zu untersuchen. Hierfür wurde ein sorgfältig kontrollierter Versuchsaufbau entwickelt, der eine modulierte LED-Lichtquelle mit einer korrelierten Farbtemperatur (CCT) von 4500 K, eine schwarz beschichtete rotierende Scheibe mit einem einzelnen weißen Punkt sowie ein Datenerfassungssystem zur Aufzeichnung der visuellen Reaktionen der Teilnehmenden umfasste. Die LED wurde mit einem Rechtecksignal bei 100 % Modulationstiefe betrieben, mit Frequenzen zwischen 100 Hz und 4200 Hz. Fünf Tastverhältnisse, drei Objektgeschwindigkeiten und drei Beleuchtungsstärken wurden untersucht, was zu insgesamt neun experimentellen Bedingungen führte. Zur Bestimmung der Wahrnehmungsschwellen wurde die Methode der konstanten Stimuli eingesetzt, wodurch sich die Frequenz, die einer Erkennungswahrscheinlichkeit von 50 % entspricht, präzise bestimmen ließ. Dieses Verfahren ermöglichte eine genaue und reproduzierbare Messung der Schwellenwerte des stroboskopischen Effekts unter verschiedenen Kombinationen experimenteller Parameter.

Die gewonnenen experimentellen Daten dienten zur Entwicklung eines objektiven Vorhersagemodells, das den Zusammenhang zwischen der Schwellenfrequenz des stroboskopischen Effekts und den wichtigsten Parametern – Tastverhältnis, Objektgeschwindigkeit und Beleuchtungsstärke – quantifiziert. Die Analyse zeigte eine klare inverse Beziehung zwischen Schwellenfrequenz und Tastverhältnis: Mit zunehmendem Tastverhältnis sank die Schwellenfrequenz. Im Gegensatz dazu zeigte sich eine positive Korrelation zwischen Schwellenfrequenz und Objektgeschwindigkeit, sodass höhere Objektgeschwindigkeiten zu höheren Schwellenfrequenzen führten. Statistische Tests ergaben, dass die Beleuchtungsstärke keinen signifikanten Einfluss auf die Schwellenfrequenz hat und daher nicht in das endgültige Modell aufgenommen wurde. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurde ein Vorhersagemodell entwickelt, das das Tastverhältnis und die Objektgeschwindigkeit als primäre Eingangsgrößen verwendet. Das Modell zeigte eine hohe Übereinstimmung mit den experimentellen Daten und eine robuste Leistung unter verschiedenen Bedingungen. Seine praktische Anwendbarkeit wurde zusätzlich durch Vergleiche mit etablierten Metriken unter typischen Bürobedingungen unterstützt, wobei eine enge Übereinstimmung mit den Referenz-SVM-Werten (SVM = 1) festgestellt wurde. Dies bestätigt die Zuverlässigkeit des Modells und unterstreicht sein Potenzial für den Einsatz in realen Beleuchtungssituationen.

Der ursprüngliche Anwendungsbereich der SVM-Metrik war auf Objektgeschwindigkeiten bis 4 m/s beschränkt. Um die Anwendbarkeit auf breitere und realistischere Szenarien auszuweiten und die Zuverlässigkeit zu beurteilen, schlägt diese Studie einen verfeinerten Ansatz vor, der wellenformbezogene Charakteristika berücksichtigt. Unter Nutzung der dominanten Fourier-Komponenten der Rechteckmodulation wurden Korrekturfaktoren abgeleitet, um die Funktion der temporalen Kontrastempfindlichkeit neu zu kalibrieren. Die modifizierte Metrik zeigte eine verbesserte Übereinstimmung mit erwarteten Referenz-SVM-Werten sowie eine größere Konsistenz unter verschiedenen Bedingungen und damit eine erhöhte Robustheit und praktische Relevanz.

Zur Untersuchung individueller Unterschiede wurde eine gesonderte Versuchsreihe mit kurzsichtigen (myopen) Teilnehmenden durchgeführt, um zu analysieren, wie Brechungsfehler die Wahrnehmung des stroboskopischen Effekts beeinflussen. Ziel war es, die Wahrnehmungsschwellen zwischen Personen mit normaler Sehkraft und solchen mit unterschiedlichen Dioptrienwerten zu vergleichen und damit die Generalisierbarkeit und Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Metrik zu erhöhen. Die Teilnehmenden wiesen Brechungsfehler zwischen –0.00 und –8.00 Dioptrien auf. Die Ergebnisse zeigten, dass Personen mit höheren Myopiedioptrien niedrigere Schwellenfrequenzen aufwiesen, was auf eine geringere Empfindlichkeit im Vergleich zu Personen mit schwacher oder keiner Kurzsichtigkeit hindeutet. Weitere Analysen zeigten, dass sowohl die ursprüngliche als auch die angepasste SVM-Metrik für Personen mit leichter Myopie (≤ –1.00 Dioptrien) relativ stabil und präzise blieben. Bei Teilnehmern mit moderater bis starker Myopie (≥ –1.25 Dioptrien) traten jedoch zunehmende Abweichungen auf, was auf eine sinkende Vorhersagegenauigkeit mit zunehmender Ausprägung des Brechungsfehlers hindeutet. Diese Ergebnisse verdeutlichen eine Einschränkung der Robustheit der SVM-Metrik bei Personen mit höheren Myopiewerten. Zur vertieften Analyse wurden zusätzliche experimentelle Parameter berücksichtigt. Statistische Auswertungen ergaben, dass das Tastverhältnis bei myopen Teilnehmenden keinen signifikanten Einfluss auf die Schwellenfrequenz hat. Dagegen wurde eine starke negative Korrelation zwischen der Stärke der Myopie und der Schwellenfrequenz festgestellt, was bestätigt, dass höhere Dioptrienwerte mit einer verminderten Empfindlichkeit gegenüber stroboskopischen Effekten einhergehen.

Mit den in dieser Dissertation vorgestellten Methoden und Ansätzen ist es nun möglich, die Schwellenfrequenz des stroboskopischen Effekts unter verschiedenen experimentellen Bedingungen vorherzusagen. Die Einführung der angepassten zeitlichen Kontrastempfindlichkeitsfunktion erweitert die Anwendbarkeit der SVM-Metrik und ermöglicht deren Nutzung unter einem breiteren Spektrum von Bedingungen mit verbesserter Genauigkeit. Darüber hinaus wurde der Einfluss von Brechungsfehlern wie Myopie auf die Wahrnehmung des stroboskopischen Effekts untersucht, was neue Erkenntnisse darüber liefert, wie unterschiedliche visuelle Bedingungen die Empfindlichkeit gegenüber stroboskopischen Effekten beeinflussen. Diese Erkenntnisse tragen zur Optimierung von Beleuchtungssystemen bei, um den visuellen Komfort zu verbessern und störende stroboskopische Effekte zu vermeiden und damit die Qualität der Lichtgestaltung für verschiedene Nutzergruppen zu erhöhen.