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!
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。
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。
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。
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:
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。
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。
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。