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人类显示器的黑历史!从AMOLED的PWM调光到烧屏

OLEDindustry  · 公众号  ·  · 2019-09-16 20:53

正文


开播之前,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。


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,都是我们的反对对象。潜台词:它们都应该被扔进历史的垃圾桶。

DC直流调光和高频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(小米Note 2、Pixel 2 XL等机器),都是我们的反对对象。这次PWM科普的内容梗概 主要是闪烁的危害、PWM调光的定义和显示器史上的一些坑。


PWM是什么?

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。它是一种广泛使用的显示器亮度控制方式,另外一种是DC直流调光(LED领域的CCR调光,为方便表示,下文统一用DC调光代称)。


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”,它只有开和关两种状态,要么是0,要么是100%。这是很Geek的两个数字,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,只有断电和通电,也就是0和1两种状态,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……

这种数字电路不能像模拟信号那样做出连续的亮度调节,但 通过闪烁来形成“载波”,然后控制“明和灭”的时间比值就能达到控制亮度的效果:

在每秒超过N次的闪烁中,需要的亮度越低,灭掉的时间占比就越高。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、亮度变化不偏色之外,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?答案是肯定的。


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,肉眼可以察觉到数百赫兹的闪烁。

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?

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1400*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因功耗、环保等多种因素,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”统治的可怕,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。

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)。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 (即能像高速摄影一样定格移动物体的画面)。

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。

部分笔记本的屏幕参数与频闪频率

而被夹在桌面和手机之间,向来被喷没有好面板的 笔记本领域,还有一大堆在用低频PWM调光的产品 ,有些是低亮度才会PWM,有些全程都在PWM。包括联想、惠普、戴尔、小米等一大波笔记本厂商,很多新品,甚至高端产品,仍然在用低频的PWM调光。

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OLED的频闪完全不是一个层次的。不过,就像当年桌面显示器大规模使用PWM调光那样,当三星和LG这些OLED厂商,人类又回忆起被PWM支配的恐怖……


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调光那一刻起,就已经倒退倒到坑里去了。


AMOLED究竟有多伤眼

既然谈到OLED,这里还要谈下OLED的一个 不可忽略的缺陷—— 「瞎眼」 「烧屏」


瞎 眼

根据IEEE (电气和电子工程师协会)文献所述,LED灯的频闪会造成 视觉疲劳相关疾病、偏头痛或光敏性癫痫等疾病


而根据IEEE PAR1789所述,目前采用PWM调光的OLED屏幕手机,在低风险影响人体健康的PWM调光闪动频率至少应该在 1250Hz以上 ,基本不会影响人体健康的PWM调光闪动频率应该在 3000Hz以上!


即便是目前手机上最好的OLED屏——三星Super AMOLED,而它的PWM调光闪动频率仅为 215Hz-250Hz左右的 远低于IEEE文献所述的健康允许范围值。


OLED屏除了低于健康允许值的频闪频率外,还有个参数可以影响对人的伤害: 频闪指数。


频闪指数=(最大亮度-当前亮度)/最大亮度


简单来说,对于PWM调光闪动频率为240Hz的Super AMOLED屏来说,健康建议值应该是0.24。


计算目前iPhone X:iPhone X的全屏最大亮度为580nits, 单从频闪方面来说使用亮度应该是不能低于440nits的。


而手机一般在白天室内使用的屏幕亮度建议值是在 100nits-200nits ,夜晚健康使用的亮度也就更低了。小米甚至曾在小米6上宣传过1nit亮度的超暗夜光屏。


也就是说, 任何时候当你在室内使用AMOLED屏幕手机的时候, 不是处于高亮度伤眼的情况,就是处于被频闪伤眼 的情况。


看看下面的动图就知道频闪是什么样了。随着iPhone X屏幕亮度的变化,PWM调控也会随之变化。


虽然相机能够捕捉到频闪,但是不代表眼睛能够感觉到频闪 ,因为有些人对频闪比较敏感,有些人不太敏感,所以频闪方面还是存在个体差异的问题。


烧 屏

「瞎眼」说完了,我们再来看看烧屏。


为什么OLED屏会出现烧屏的现象呢?


因为OLED屏(包括三星AMOLED屏)自身显示原理的问题,OLED屏幕的每个像素点都是可以自发光的,但由于不同像素点的发光时间不一样,所以每个像素点的衰减速度不一样,也就是我们所说的“烧屏”。


但是在一般情况下,OLED屏要出现下面图片这种情况的烧屏是很难实现的!因为根据此前Cetizen的烧屏测试, iPhone X要出现这种程度的烧屏是亮屏显示相同图片510小时后才会出现的!


对于一般用户来说,是不会在开启最大屏幕亮度并显示同一个画面510个小时以上的,所以 一般情况下还是很难出现烧 屏的。


但是这并不意味着OLED屏完全不会出现烧屏现象 ,即便是对于昂贵的iPhone X来说,苹果自己也不敢保证完全不会出现烧屏。


并且在苹果官方看来, iPhone X的烧屏并不是一种故障问题而是正常 表现。


总的来说,由于目前硬件条件的限制下,OLED屏的烧屏确实个难以避免的问题, 不过如果你在注意使用习惯的情况下,烧屏的情况是可以大大减少甚至不会 出现的。 并且频闪的感官问题也是因人而异的,如果你使用过OLED屏幕并没有感觉眼睛有什么不适的情况下,那就放心的继续使用吧。


但如果你就此认为用上LCD屏就没有频闪的风险的话,那你还是太年轻。


实际上LCD屏幕也是可以用PWM调光的,甚至LCD屏幕大规模用PWM调光的时间,比OLED还早。2011年-2014年,桌面LCD屏幕为了响应国家“节能减排的号召”,从CCFL(冷阴极荧光灯管)转型到了LED背光, 但大部分厂商都选择了成本更低,更容易控制品质的“PWM调 光”。


随后,很多用户都发现新款显示器比旧款显示器伤眼。当时厂商受到的抵制力度,不亚于现在的民间“反OLED联盟”的抗议,随后才有很多厂商开始推广的“不闪屏”。







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