高刷就是“不闪屏”?这么想,你可就大错特错了!

前沿科技 2年前 (2022) 虚像
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如今在选购显示器的时候,往往会看到厂商的产品说明里有一句 "Flicker-Free 不闪屏技术 ",但是很多朋友把这个不闪屏技术自行脑补为 " 超高刷新率超过人的感知能力所以不闪屏 ",认为它是一种高刷屏相关的特性。这么想,你可就大错特错了!

高刷就是“不闪屏”?这么想,你可就大错特错了!

交流电下,任何发光电器都要 " 闪 "

闪烁,其实是大部分在交流电环境下发光电器的固有属性。最简单的就是日光灯,尤其是坏掉的日光灯管,其闪烁就十分明显。这是由于这些发光电器都是在 50Hz 的交流电环境里使用:交流电是电流方向随着时间作周期性变化的电流,电流有一个波形,这个波形一般表现为正弦曲线,如果用数轴表示就是围绕着数轴作上下波动,这样就出现了峰谷,我国执行的电压是 220V50Hz,这样峰谷电压就是正负约 311V,平均电压为 0V,电流也是如此。

50Hz 就是 1 秒钟发生上述变化 50 个周期,这是发电机每秒钟转 50 转得来的。我国交流发电机采用的就是每分钟转速 3000 转,每秒转速 50 转,这样频率就是 50Hz,电流通过灯泡的电压和电流就是每秒 100 个峰谷,理论上灯泡的变化就会每秒闪烁 100 次。

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但对于普通的白炽灯类发光的光源来说,钨丝一旦被点亮,即便断电流也会在短时间内因没有完成散热冷却而保持一定亮度,由于视觉暂停原理,人眼看不到这种间隔仅为 0.01 秒的不明显的闪烁。

而对于 LED 电源来说,它本质上是二极管,只有通、断两个状态,如果没有专用的变压电路把交流电变成直流电的话,你就会看到非常明显的闪烁现象。

发光电器的闪烁,对人本质上是有害的。虽然大部分人在 80Hz 以上的闪烁情况下会忽略掉主观感受,但在一些冲刺性的颜色冲击下,仍然会产生视觉疲劳甚至光敏癫痫,这就是为什么节奏快的游戏,在打开时候都有光敏性癫痫健康警告的原因。

屏幕闪,是 PWM 调光机制

而回到液晶显示屏上来,LED 作为已经普及的液晶显示面板的背光光源技术,同样也会出现上述的问题。和模拟的 CRT 不同,LED 这种只有通和断状态的光源,在面临画面变化产生的亮度变化的时候,是怎么调整亮度的呢?

它通过非常快速的 " 通 "、" 断 " 操作,利用了人的 " 视觉暂停 " 原理,也就是大脑会 " 脑补 " 的错觉,用不同的高速频率的通断操作,模拟出了类似传统电光源的 " 视觉暂停 ",从而让画面实现了亮度的改变。

这就是 " 非不闪屏 " 调整亮度的方法,被称为 PWM,脉冲宽度调制。

显示器在 PWM 技术下,如下图,当要表示 100%" 纯白 " 亮度的时候,这时候的通断状态是一条直线," 常亮 "(图上没有表示);而当要表现出 10% 亮度时,则需要以比较慢的频率,形成长间隔的 " 通断 ",让亮的时间占比达到 10%,即可造成眼睛的视觉暂停,从而形成一种比较暗的亮度。同样,50% 亮度,只要控制亮的 " 通电 " 时长达到 50% 就可以了。

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PWM 调光技术聪明的利用了人感觉器官的 "bug",结构简单、精度高。但是如果面对的是机器,那么就会穿帮。例如,当你把手机摄像头对准屏幕的时候,PWM 调光就会出现明显的闪烁现象,骗不过摄像头:

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PWM 调光有啥坏处?

PWM 调光好处很多,成本低、发热低、调光精确(算是一种 " 数字化 " 调光),但坏就坏在这个取巧的 " 闪烁 " 方式上了。

闪烁的影响是用户的眼睛在移动的时候。在没有闪烁的持续照明下(如阳光),运动图像是平滑模糊的,这就是我们通常感知运动的方式。然而,当与使用 PWM 的光源相结合时,屏幕的几个不连续的残影可能同时被感知,并降低可读性和眼睛锁定物体的能力。即使原始图像是单色的,也可能引入虚假的颜色。下面是在不同的背光下,眼睛在水平方向(阅读方向)快速移动时,文字图像可能出现的例子,从上到下分别是原始图像、无 PWM 调光、传统 CCFL 冷光 PWM 调光、LED PWM 调光。

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而这完全是由于背光调光技术造成的,而显示器本身显示的是静态图像。事实上,当眼睛在移动时(如阅读时),有可能看到几百 Hz 的闪烁效果。观察闪烁的能力因人而异。

那么,PWM 循环开启和关闭背光灯的速度有多快?LED 背光通常在 180-420Hz 之间运行,低端的 PWM 调光显示器背光闪烁得更明显。请记住,175Hz 并不比直接连接到电源的交流电灯中观察到的 100-120Hz 的闪烁快多少。

虽然 CRT 显示器的闪烁频率可能低至 60Hz,但在电子枪从上到下扫描的过程中,任何时候都只有一个小的条带被照亮。在 CCFL 和 LED 背光 TFT 显示器中,整个屏幕表面一次被照亮,这意味着在短时间内发出更多的闪烁的光,这就是为啥老电影里,电视机屏幕上只有一条横线在向上滚动,而现在手机看 PWM 调光的 LED 液晶显示器是满屏幕的横条的原因。

随着高亮度 LED 的使用不断增加,越来越有必要使用短的 PWM 占空比来控制亮度,使闪烁成为一个更严重的问题,它利用了人脑的错觉,但错觉始终会在视觉神经和人脑之间产生冲突,时间一长,对健康的影响就出来了。

解决之道:DC 调光,或者更快的 PWM

解决传统 PWM 调光问题,各种 " 不闪屏 "(Flicker-Free)技术的显示器也就纷纷登场了。它们分为两大流派。第一派就是彻底把调光驱动电路改为 " 无级变速 " 的 DC(直流)调光,让光线的转化始终是在一条直线上通过功率大小的变动来实现,从而彻底避免了闪烁。

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而另一个方法,就是走更快的 PWM 的道路。因为医学家和电子工程师发现,当 PWM 高频闪烁到足够高,那么也就接近 DC 调光的效果,且人眼和大脑都不会产生明显 " 冲突 ",造成无论是视觉上的闪烁还是感官上的 " 不符 " 冲击。根据 IEEE 学会的研究,当 PWM 调光频率突破 1250Hz 的时候,就可以达到事实上的 " 不闪屏 " 体验,同时它又保留了低亮度下画质表现和调光精度的优势。这就是超高频 PWM 调光技术。

总之,不闪屏技术,是一种在调光机制上的改进,从而降低人的视觉疲劳和健康危害,它和屏幕的刷新率方面是没有太多的关系,希望大家在选择显示器时,认清这一点。

原文地址:http://www.myzaker.com/article/62e79c9fb15ec0229d759698

版权声明:虚像 发表于 2022年8月1日 pm6:45。
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