PWM調光科普(上篇):人類顯示器的黑歷史
PWM調光科普(上篇):人類顯示器的黑歷史
2018-07-20 17:21

開波之前,首先聲明。我們“LCD教”、“反OLED聯盟”都可以統稱為“反低頻PWM聯盟”。我們反對的是低頻的PWM調光,而不是其他顯示技術。

PWM調光科普(上篇):人類顯示器的黑歷史

我們不是針對誰,無論是LCD,是OLED,還是燈管,任何使用低頻PWM調光的顯示和照明設備,都是我們的譴責對象。

DC直流調光和高頻的PWM設備,都是我們的盟友。但現在滿街跑的三星AMOLED、中低端筆記本和桌面顯示器、以及數目稀少但也是在閃的LG p-OLED屏幕(Pixel 2 XL:黑人問號?),都是我們“反低頻PWM聯盟”的反對對象。愛搞機這次PWM科普的內容梗概:

  • 上半篇,主要是閃爍的危害、PWM調光的定義和顯示器史上的一些坑;

  • 下半篇,主要是如何評估低頻PWM的危害程度、個人檢測PWM的方法和A屏時代的護眼生存指南。

講真,如果你平時連續玩手機、看顯示器的時間在1小時以內,而且還是非敏感體質,那低頻PWM調光對你的影響就不會太大了。但手機電腦這種東西的使用時間太長了,每天用幾個小時,甚至10幾個小時的用戶都有。對于重度用戶,屏幕的調光方式就是很有必要考慮的因素了。

PS:個人作品難免會有疏漏,如有意見或建議,歡迎到評論區指教。

萬惡的頻閃

這次的故事起點放高一點,直接從顯示器出現之前開始說。而這篇科普的核心是“頻閃”二字。“人工照明的歷史,就是閃爍的歷史”,這個真的一點都不夸張。從特斯拉的交流電,打敗愛迪生直流電的那一瞬間,仿佛就決定了人類照明的閃爍史。因為,所有在交流電源下工作的光源都會閃爍……

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50Hz的交流電

1891年開始,人類開始大規模使用多相交流發電機,最后50Hz(我國正在用的頻率)和60Hz交流電占領了市場。交流電的頻率,決定了從古董的鎢絲燈,到現在大部分家用日光燈(熒光燈)的閃爍頻率都是100Hz,即每秒閃動100次(50Hz的正弦交流電,每秒有50次波峰和波谷,并經過零點100次)。


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不同LED產品的頻閃

而曾經被寄予厚望的LED光源,因為廠家的驅動電路不同,有非常復雜的頻閃形態。如果加上調光功能,其頻閃種類就更加多,更加復雜了。當然,好的產品是可以做到不閃或者閃動極其輕微的。但LED產品價格暴跌之后,不少廠家都用簡單的驅動電路,導致頻閃狀況惡化。

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室內室外的各種低頻閃爍光源

這下明白為什么室內拍的慢動作視頻,畫面會閃了吧。因為是真的在閃啊……除了被人類有意無意的看到閃爍之外,甚至連超市的掃描槍都會受燈光閃爍而影響識別率。

根據國際照明協會技術報告CIE TN006-2016定義,閃爍可以分為“閃爍、閃爍效應和幻影效應”3種,后兩者分別指觀察物體和觀察者移動時的物理效應。為了簡化說明,下面統一稱為閃爍和頻閃。

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人眼對閃爍頻率的敏感度曲線

部分不同人類對頻閃的敏感度很大的差異,甚至有“閃動敏感體質”的說法。人類最敏感的頻率是8.8Hz,隨后不停下降。大部分人在80Hz之后就看不出閃爍了,但即便如此,仍有部分人會因此覺得眼睛累、眼睛痛。2015年的電氣和電子工程師協會文檔IEEE Std 1789-2015指出,照明閃爍會產生潛在不利影響:

  • 光敏性癲癇或閃爍光誘導的癲癇發作(0.1%人口)

  • 偏頭痛或嚴重的頭痛,常伴惡心、視覺紊亂

  • 增加自閉癥人的反復行為

  • 視力衰弱包括:眼過勞、疲倦、視力模糊

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寶可夢沖擊事件

現在看回去近代最著名的“頻閃事故”,都有種都市傳說的氣息了,而且誰能想到主角居然是寶可夢《 Pokémon》……1997年12月16日,日本電視臺播放的寶可夢第38話《電腦戰士多邊獸(舊譯為3D龍)》,為了渲染電腦世界中的戰斗,大量使用12Hz的紅藍閃光展示爆炸場面,直接導致日本全國出現了700例癲癇癥(650例是兒童) 。這種低頻閃動,無論是什么顯示器看,可能都會導致相關癥狀(從未感覺到人類如此脆弱,如此容易翻車)。

該事件史稱“寶可夢沖擊”,它讓《寶可夢》這個看起來人畜無害,深受世界喜愛的動畫,享受到了被勒令停播的待遇,直到第二年的4月16日才從第39話繼續播。這個38話被永久在電視上禁播(網絡上還有)。而可憐的多邊獸,全家再也沒有在電視版上出鏡過了。無獨有偶,2007年的倫敦2012年宣傳預告片、2011年的《暮光之城:破曉》都有過“因色塊閃爍,導致觀眾癲癇發作”的事件。

感興趣的話,可以自行到視頻網站觀摩《寶可夢》的第38話,B站http://t.cn/RgY1iPk,空降位置是18分51秒。雖然數字化之后,視頻的精細度、色彩飽和度和刺激性都不如當年,但還是建議大家出發前注意安全,戴好安全帶再開車(外加一句很驚悚的廢話:在病發之前,我們根本不知道自己有病)。

PWM是什么?

回到我們的主角PWM調光。PWM,全稱Pulse Width Modulation,翻譯過來就是脈沖寬度調制,說到底,就是種把模擬信號調制成脈波的技術。它已經是應用非常廣泛的顯示器/光源的亮度控制方案,此外,還有我們之后會提到的DC直流調光(LED領域的CCR恒流調光,為方便表示,本系列科普統一用DC調光代稱)。

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進入正題前得科普一下信號的兩大分類:

  • 模擬信號,可以在0-100%之間有一系列值(接近無級變速)。

  • 數字信號,特征就是“0和1”。這兩個是很Geek的數字,畢竟人類整個IT體系,都是建立在邏輯電路“0和1”的控制之上的。

數字信號控制雖然成本低,但它最尷尬的地方是,無論是用高低電平做標識、還是光源的斷電和通電,都只對應“0和1”兩種狀態。針對這次說到的調光問題,數字信號的控制,只能生成“開和關”兩種狀態,亮度要么是0,要么是100%。也就注定做不到模擬信號那樣的無級亮度調節了。

那為什么我們的屏幕能無級調節亮度呢?因為聰明的人類發現肉眼反應速度有限,且有腦補作用。只要光源“明滅”切換速度夠快,肉眼就察覺不出來了。PWM調光就這樣粉墨登場了…… 通過閃爍來形成“載波”,然后控制“明和滅”的時間比值(占空比)就能達到控制亮度的效果:

PWM調光科普(上篇):人類顯示器的黑歷史

在每秒超過N次的閃爍中,如果需要的亮度低,那就讓滅掉的時間占比提升。例如,如果要把亮度調到10%,只要讓亮的時間占比達到10%即可。雖然聽起來有點雞賊,但PWM調光的優點還挺多的,結構簡單、精度高、控制“亮度變化”不會導致明顯偏色之外,還省電、發熱低。人類乃至地球上的大部分生物的眼睛,都是在連續的自然光下演化而來了,用閃爍這種視覺欺騙的方式調節亮度,會不會翻車呢?

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雖然上面提到,大部分人無法察覺超過80Hz的閃爍,但余光部分其實可以檢測到更高頻率的閃爍,神經系統和大腦皮層可以檢測到160Hz的刺激,視網膜更加敏感,可以對200Hz的閃爍做出反應。這些都曾被證實可以造成頭痛、偏頭痛和疲勞。

回顧國標給“頻閃”的定義(根據IEEE的說法,其實這個是“頻閃現象”的定義)。頻閃,就是在“閃爍光源下,觀察連續運動物體時,本應連續的圖像出現了離散的現象”。當我們閱讀或者視線從屏幕上移動時,因為頻閃效應的存在,肉眼能察覺到數百赫茲的閃爍。

課外閱讀:同樣利用人眼生理特性來“欺騙”視覺的例子,最著名的肯定是每秒24幀的電影了。這里還能延伸出,為什么電影24幀就夠了,但游戲要60幀起步呢?感興趣的話,可以戳我們的陳年科普《經典科普:為什么電影24幀就行,但游戲要60幀?》http://t.cn/RI59bAj

人類顯示史,各種黑歷史

歷史上每次顯示設備轉變都出過坑。如果你的年紀夠大,想必你還會記得以前那些又大又重的CRT(陰極射線管)電視和顯示器。以前除了陰極射線管掃描速度導致的一些畫面閃動外,印象中的它們,是不是畫面特別通透?特別絢麗?

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后來出現的LCD顯示器,除了體積外,都是被CRT按在地上全方位地摩擦的貨。早期的桌面LCD因背光不行,導致色域覆蓋不行,可視角度更加是個大坑。更可怕的是,當時LCD還更貴,但無奈它體積小,帥啊(當時人類的態度,就像現在看真·全面屏的手機一樣。帥,真的可以為所欲為)。

等了5、6年,主流LCD的背光追上來、IPS面板的大規模使用,畫質表現才勉強追了上來。期間桌面LCD屏幕經歷了畫面比例調整和分辨率的增長。畫面比例從5:4、4:3到16:10,最后定型在16:9。分辨率則從1280*1024到1440*900,最后定型在1920*1080。

在2010年上下,LCD顯示器的背光源經歷了從CCFL(冷陰極熒光燈管)到LED的轉變。CCFL因環保、功耗等多種因素,在隨后的2、3年被多個國家和地區明令禁止生產。然后,人類第一次感受到被“LED+低頻PWM調光”統治的恐怖,大量用戶發現新顯示器看著更加傷眼、累眼,甚至出現囤CCFL顯示器過日子的梗。

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風扇測頻閃大法

如果你的年紀夠大,應該還會記得國內曾經流行過用“揮手、鉛筆和風扇”看頻閃的測試方法。已經掉進歷史垃圾桶的CCFL背光顯示器,它們的PWM調光頻率幾乎都是175Hz,但它們有明顯的余暉效應(PWM控制熄滅的時間里,它們仍然在發光),大幅減緩了頻閃的效果。

而后來出現的LED背光顯示器,沿用了低頻PWM調光,頻率通常在180-420Hz之間。但因為LED這種光源的響應速度很快,余暉效應接近于0,其頻閃嚴重到已經可以產生“頻閃效應”了(即能夠像高速攝影一樣定格移動物體的畫面)。

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部分顯示器廠商抓住了商機,用“不閃屏”作為推廣手段,并開始大規模使用DC調光或DC+高頻PWM調光。時至今日,很大一部分顯示器依舊在用不閃屏做為宣傳。

而筆記本領域被夾在桌面和手機之間,向來被噴沒有好面板,而且背光也是個坑。筆記本市場有大量用低頻PWM調光的產品,有些是低亮度才會PWM,有些全程都在PWM。一大波筆記本廠商的很多新品,甚至高端產品,仍然在用低頻的PWM調光(機佬表示強烈譴責)。

非常幸運地,手機的LCD屏幕幾乎沒有受到過低頻PWM調光的困擾。即便部分手機LCD屏幕的亮度會有波動,但和現在OLED的低頻閃動,完全不是一個層次(科普的下篇會詳說其分別)。不過,就像當年桌面顯示器大規模使用PWM調光那樣,三星和LG,這些OLED廠商使用的低頻PWM調光,又讓人類回想起被PWM支配的恐怖……

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如果說從16:9屏幕到18:9全面屏還算是進步,從全面屏到劉海屏是倒退的話。那從OLED屏幕使用低頻PWM調光的那一刻起,就已經是倒退到歷史循環的坑里去了。

在下半篇,我們會就“如何評估低頻PWM的危害程度、個人檢測PWM的方法和A屏時代的護眼生存指南”進行科普,敬請期待。

參考資料:IEEEstd 1789-2015、國際照明學會報告CIE TN006:2016、IEC TR 61547-1、GB/T 9473-2017讀寫作業臺燈性能要求、臺灣照明燈具輸出業同業公會、notebookcheck、TFT CENTRAL


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