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PWM调光科普(上篇):人类显示器的黑历史
PWM调光科普(上篇):人类显示器的黑历史
2018-07-20 17:21

开波之前,首先声明。我们“LCD教”、“反OLED联盟”都可以统称为“反低频PWM联盟”。我们反对的是低频的PWM调光,而不是其他显示技术。

PWM调光科普(上篇):人类显示器的黑历史

我们不是针对谁,无论是LCD,是OLED,还是灯管,任何使用低频PWM调光的显示和照明设备,都是我们的谴责对象。

DC直流调光和高频的PWM设备,都是我们的盟友。但现在满街跑的三星AMOLED、中低端笔记本和桌面显示器、以及数目稀少但也是在闪的LG p-OLED屏幕(Pixel 2 XL:黑人问号?),都是我们“反低频PWM联盟”的反对对象。爱搞机这次PWM科普的内容梗概:

  • 上半篇,主要是闪烁的危害、PWM调光的定义和显示器史上的一些坑;

  • 下半篇,主要是如何评估低频PWM的危害程度、个人检测PWM的方法和A屏时代的护眼生存指南。

讲真,如果你平时连续玩手机、看显示器的时间在1小时以内,而且还是非敏感体质,那低频PWM调光对你的影响就不会太大了。但手机电脑这种东西的使用时间太长了,每天用几个小时,甚至10几个小时的用户都有。对于重度用户,屏幕的调光方式就是很有必要考虑的因素了。

PS:个人作品难免会有疏漏,如有意见或建议,欢迎到评论区指教。

万恶的频闪

这次的故事起点放高一点,直接从显示器出现之前开始说。而这篇科普的核心是“频闪”二字。“人工照明的历史,就是闪烁的历史”,这个真的一点都不夸张。从特斯拉的交流电,打败爱迪生直流电的那一瞬间,仿佛就决定了人类照明的闪烁史。因为,所有在交流电源下工作的光源都会闪烁……

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50Hz的交流电

1891年开始,人类开始大规模使用多相交流发电机,最后50Hz(我国正在用的频率)和60Hz交流电占领了市场。交流电的频率,决定了从古董的钨丝灯,到现在大部分家用日光灯(荧光灯)的闪烁频率都是100Hz,即每秒闪动100次(50Hz的正弦交流电,每秒有50次波峰和波谷,并经过零点100次)。


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不同LED产品的频闪

而曾经被寄予厚望的LED光源,因为厂家的驱动电路不同,有非常复杂的频闪形态。如果加上调光功能,其频闪种类就更加多,更加复杂了。当然,好的产品是可以做到不闪或者闪动极其轻微的。但LED产品价格暴跌之后,不少厂家都用简单的驱动电路,导致频闪状况恶化。

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室内室外的各种低频闪烁光源

这下明白为什么室内拍的慢动作视频,画面会闪了吧。因为是真的在闪啊……除了被人类有意无意的看到闪烁之外,甚至连超市的扫描枪都会受灯光闪烁而影响识别率。

根据国际照明协会技术报告CIE TN006-2016定义,闪烁可以分为“闪烁、闪烁效应和幻影效应”3种,后两者分别指观察物体和观察者移动时的物理效应。为了简化说明,下面统一称为闪烁和频闪。

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人眼对闪烁频率的敏感度曲线

部分不同人类对频闪的敏感度很大的差异,甚至有“闪动敏感体质”的说法。人类最敏感的频率是8.8Hz,随后不停下降。大部分人在80Hz之后就看不出闪烁了,但即便如此,仍有部分人会因此觉得眼睛累、眼睛痛。2015年的电气和电子工程师协会文档IEEE Std 1789-2015指出,照明闪烁会产生潜在不利影响:

  • 光敏性癫痫或闪烁光诱导的癫痫发作(0.1%人口)

  • 偏头痛或严重的头痛,常伴恶心、视觉紊乱

  • 增加自闭症人的反复行为

  • 视力衰弱包括:眼过劳、疲倦、视力模糊

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宝可梦冲击事件

现在看回去近代最著名的“频闪事故”,都有种都市传说的气息了,而且谁能想到主角居然是宝可梦《 Pokémon》……1997年12月16日,日本电视台播放的宝可梦第38话《电脑战士多边兽(旧译为3D龙)》,为了渲染电脑世界中的战斗,大量使用12Hz的红蓝闪光展示爆炸场面,直接导致日本全国出现了700例癫痫症(650例是儿童) 。这种低频闪动,无论是什么显示器看,可能都会导致相关症状(从未感觉到人类如此脆弱,如此容易翻车)。

该事件史称“宝可梦冲击”,它让《宝可梦》这个看起来人畜无害,深受世界喜爱的动画,享受到了被勒令停播的待遇,直到第二年的4月16日才从第39话继续播。这个38话被永久在电视上禁播(网络上还有)。而可怜的多边兽,全家再也没有在电视版上出镜过了。无独有偶,2007年的伦敦2012年宣传预告片、2011年的《暮光之城:破晓》都有过“因色块闪烁,导致观众癫痫发作”的事件。

感兴趣的话,可以自行到视频网站观摩《宝可梦》的第38话,B站http://t.cn/RgY1iPk,空降位置是18分51秒。虽然数字化之后,视频的精细度、色彩饱和度和刺激性都不如当年,但还是建议大家出发前注意安全,戴好安全带再开车(外加一句很惊悚的废话:在病发之前,我们根本不知道自己有病)。

PWM是什么?

回到我们的主角PWM调光。PWM,全称Pulse Width Modulation,翻译过来就是脉冲宽度调制,说到底,就是种把模拟信号调制成脉波的技术。它已经是应用非常广泛的显示器/光源的亮度控制方案,此外,还有我们之后会提到的DC直流调光(LED领域的CCR恒流调光,为方便表示,本系列科普统一用DC调光代称)。

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进入正题前得科普一下信号的两大分类:

  • 模拟信号,可以在0-100%之间有一系列值(接近无级变速)。

  • 数字信号,特征就是“0和1”。这两个是很Geek的数字,毕竟人类整个IT体系,都是建立在逻辑电路“0和1”的控制之上的。

数字信号控制虽然成本低,但它最尴尬的地方是,无论是用高低电平做标识、还是光源的断电和通电,都只对应“0和1”两种状态。针对这次说到的调光问题,数字信号的控制,只能生成“开和关”两种状态,亮度要么是0,要么是100%。也就注定做不到模拟信号那样的无级亮度调节了。

那为什么我们的屏幕能无级调节亮度呢?因为聪明的人类发现肉眼反应速度有限,且有脑补作用。只要光源“明灭”切换速度够快,肉眼就察觉不出来了。PWM调光就这样粉墨登场了…… 通过闪烁来形成“载波”,然后控制“明和灭”的时间比值(占空比)就能达到控制亮度的效果:

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在每秒超过N次的闪烁中,如果需要的亮度低,那就让灭掉的时间占比提升。例如,如果要把亮度调到10%,只要让亮的时间占比达到10%即可。虽然听起来有点鸡贼,但PWM调光的优点还挺多的,结构简单、精度高、控制“亮度变化”不会导致明显偏色之外,还省电、发热低。人类乃至地球上的大部分生物的眼睛,都是在连续的自然光下演化而来了,用闪烁这种视觉欺骗的方式调节亮度,会不会翻车呢?

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虽然上面提到,大部分人无法察觉超过80Hz的闪烁,但余光部分其实可以检测到更高频率的闪烁,神经系统和大脑皮层可以检测到160Hz的刺激,视网膜更加敏感,可以对200Hz的闪烁做出反应。这些都曾被证实可以造成头痛、偏头痛和疲劳。

回顾国标给“频闪”的定义(根据IEEE的说法,其实这个是“频闪现象”的定义)。频闪,就是在“闪烁光源下,观察连续运动物体时,本应连续的图像出现了离散的现象”。当我们阅读或者视线从屏幕上移动时,因为频闪效应的存在,肉眼能察觉到数百赫兹的闪烁。

课外阅读:同样利用人眼生理特性来“欺骗”视觉的例子,最著名的肯定是每秒24帧的电影了。这里还能延伸出,为什么电影24帧就够了,但游戏要60帧起步呢?感兴趣的话,可以戳我们的陈年科普《经典科普:为什么电影24帧就行,但游戏要60帧?》http://t.cn/RI59bAj

人类显示史,各种黑历史

历史上每次显示设备转变都出过坑。如果你的年纪够大,想必你还会记得以前那些又大又重的CRT(阴极射线管)电视和显示器。以前除了阴极射线管扫描速度导致的一些画面闪动外,印象中的它们,是不是画面特别通透?特别绚丽?

PWM调光科普(上篇):人类显示器的黑历史

后来出现的LCD显示器,除了体积外,都是被CRT按在地上全方位地摩擦的货。早期的桌面LCD因背光不行,导致色域覆盖不行,可视角度更加是个大坑。更可怕的是,当时LCD还更贵,但无奈它体积小,帅啊(当时人类的态度,就像现在看真·全面屏的手机一样。帅,真的可以为所欲为)。

等了5、6年,主流LCD的背光追上来、IPS面板的大规模使用,画质表现才勉强追了上来。期间桌面LCD屏幕经历了画面比例调整和分辨率的增长。画面比例从5:4、4:3到16:10,最后定型在16:9。分辨率则从1280*1024到1440*900,最后定型在1920*1080。

在2010年上下,LCD显示器的背光源经历了从CCFL(冷阴极荧光灯管)到LED的转变。CCFL因环保、功耗等多种因素,在随后的2、3年被多个国家和地区明令禁止生产。然后,人类第一次感受到被“LED+低频PWM调光”统治的恐怖,大量用户发现新显示器看着更加伤眼、累眼,甚至出现囤CCFL显示器过日子的梗。

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风扇测频闪大法

如果你的年纪够大,应该还会记得国内曾经流行过用“挥手、铅笔和风扇”看频闪的测试方法。已经掉进历史垃圾桶的CCFL背光显示器,它们的PWM调光频率几乎都是175Hz,但它们有明显的余晖效应(PWM控制熄灭的时间里,它们仍然在发光),大幅减缓了频闪的效果。

而后来出现的LED背光显示器,沿用了低频PWM调光,频率通常在180-420Hz之间。但因为LED这种光源的响应速度很快,余晖效应接近于0,其频闪严重到已经可以产生“频闪效应”了(即能够像高速摄影一样定格移动物体的画面)。

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部分显示器厂商抓住了商机,用“不闪屏”作为推广手段,并开始大规模使用DC调光或DC+高频PWM调光。时至今日,很大一部分显示器依旧在用不闪屏做为宣传。

而笔记本领域被夹在桌面和手机之间,向来被喷没有好面板,而且背光也是个坑。笔记本市场有大量用低频PWM调光的产品,有些是低亮度才会PWM,有些全程都在PWM。一大波笔记本厂商的很多新品,甚至高端产品,仍然在用低频的PWM调光(机佬表示强烈谴责)。

非常幸运地,手机的LCD屏幕几乎没有受到过低频PWM调光的困扰。即便部分手机LCD屏幕的亮度会有波动,但和现在OLED的低频闪动,完全不是一个层次(科普的下篇会详说其分别)。不过,就像当年桌面显示器大规模使用PWM调光那样,三星和LG,这些OLED厂商使用的低频PWM调光,又让人类回想起被PWM支配的恐怖……

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如果说从16:9屏幕到18:9全面屏还算是进步,从全面屏到刘海屏是倒退的话。那从OLED屏幕使用低频PWM调光的那一刻起,就已经是倒退到历史循环的坑里去了。

在下半篇,我们会就“如何评估低频PWM的危害程度、个人检测PWM的方法和A屏时代的护眼生存指南”进行科普,敬请期待。

参考资料:IEEEstd 1789-2015、国际照明学会报告CIE TN006:2016、IEC TR 61547-1、GB/T 9473-2017读写作业台灯性能要求、台湾照明灯具输出业同业公会、notebookcheck、TFT CENTRAL


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