智能手机OLED屏幕PWM频闪原理介绍
农步祥 于 2019.06.14 02:45:52 | 源自:soomal.com | 版权:原创 | 平均/总评分:08.70/200

PWM是Pulse Width Modulation的英文缩写,中文名称为脉冲宽度调制。随着OLED逐渐成为手机屏幕的标配面板技术,关于OLED闪屏瞎眼的讨论也一直没消停过,那么OLED的PWM频闪是怎么回事,是不是真的会无条件损害视力健康?今天就简单介绍一下PWM频闪的原理和相关的知识。

什么是PWM?

在半导体技术没有普及的过去,光电声信号的强度控制都是通过模拟器件完成的,例如常见的功放、耳机放大器上音量旋钮,就是一种模拟电位器。虽然模拟控制开关具有平滑、线性等优点,但是缺陷也比较致命,例如特性会随着使用时间出现变化,最简单的例子就是金属电阻通电受热后电阻值也会改变;另外由于是电阻直接控制,功耗发热巨大,而且抗干扰能力很差[例如手机信号会干扰到使用模拟功放的音响或者老收音机]。而PWM则采用了计数器进行开关频率控制以实现信号的控制,通过调节方波的频率和周期来实现信号的强弱控制,实际上是将模拟信号数字化控制。

  • 从上图中可以看出,PWM以通过控制方波的输出频率和周期控制大致实现了一个正弦波输出。PWM只有0和1两种状态,这样的二进制电路是现代半导体的工作基础,因为PWM具有功耗和体积上的优势,而且抗干扰能力强,因此可以进入到面积极小的大规模集成电路中,例如CPU、MCU等各种功能的芯片,是各类芯片的基础功能之一。我们当下的生活电器、电脑、手机等都离不开PWM功能进行声电信号的调节以实现各种生活需要的功能。

    PWM和频闪

    闪烁和频闪是很早就被发现的现象,例如风中的烛光、电闪雷鸣、眨眼睛的星星等等,都是生活中比较常见的光线闪烁。而在上个一百年由德国开启的电气时代起,交流电成为了市电的主流,频率为50Hz市电在简单的照明电路下光源难免会出现一定幅度的频闪,在工作温度普遍更低的T12荧光节能灯下,频闪问题变得更加明显。而CRT电视机、显示器更是依靠垂直刷新画面的方式实现动态显示,闪烁在录像机和数码相机的快门下非常明显,被普遍认为是儿童视力下降的罪魁祸首。早期的液晶显示器使用CCFL灯管,也以PWM为主。那么PWM是如何实现亮度控制的呢?下面的图表展示了PWM的工作周期[占空比]对信号强度的直接影响。

    上图中左边表示PWM的工作周期占比,右边表示实际信号输出的强度,可以理解为1表示最大亮度100%,0表示最低亮度,可以看到PWM是固定频率周期内调整通电时间的时长来实现明暗的调整。当PWM的频率较低时[50-200Hz],就会出现明显的明暗交替频闪。到了数字显示和LED照明成为主流的当下,PWM仍是比较常见的调光控制模式,采用高频PWM和直流DC调光的显示往往被当做显示器和笔记本电脑的卖点之一。虽然OLED和PWM频闪并不是完全绑定,例如LG在电视机上使用的OLED电视面板就以高频PWM或DC调光为主,很多LCD显示屏也采用PWM甚至低频PWM调光控制。目前三星、京东方提供的手机OLED面板都是200Hz左右的PWM调光模组,想要检测人眼识别范围能力以外的频闪,一般只需要通过一台支持手动快门速度的手机或者相机对着屏幕拍摄就能看到。

    有害频闪的标准

    根据比较权威的IEEE Std1789-2015国际标准和国内标准GB/T 9472-2017的报告中,明确表示光源闪烁对健康的潜在危害有:

    • 约0.1%的人会出现光敏性癫痫或闪烁光诱导癫痫发作;
      偏头痛或严重头痛伴随恶心、视觉紊乱;
      自闭病人反复行为;
      视力衰弱如眼过劳、疲倦、视力模糊以及头痛等。

    当然,以上受个人差异影响巨大,但是不是所有的频闪都是有害的?上图是3种不同的灯泡频闪对比,三款灯泡分别为40W白炽灯、飞利浦智能LED灯泡、杂牌LED灯泡。使用相机对着被认为是最健康的光源白炽灯时,可以看到白炽灯和智能灯泡同样有频闪,而最后一个杂牌LED灯泡在1/3333快门下也没有出现明显的频闪,可以被认为是DC调光的光源。由于智能灯泡有亮度和色温调节功能,依靠PWM实现也并不令人意外,那么这两款灯泡是否会真的损害视力?而且即使是高频PWM和DC调光本质上也是极高频的PWM调制,是否危害视力健康显然也离不开检测标准:频闪百分比,频闪百分比是光的波动周期内亮度最大值和最小值的差于最大值和最小值的和之比。波动同样在两篇权威报告中,频闪百分比和频率对应的安全区域。

    IEEE Std1789-2015中,还举例了12种常见光源的频闪值。典型的如60W白炽灯泡,其频闪百分比为6.6%,介于低风险水平和无显著影响水平之间。而T12节能灯管达到28.4%,因此需要镇流器,另一种常见的多管CFL节能灯泡为1.8%。当然要保护视力,光线的强度也需要尽量保证,但不在本文的讨论范围之内,也不考虑灯光的显色品质等。频闪在400Hz以上时人眼就难以察觉,但无法保证无危害性,而在PWM频率在1250Hz以上时,频闪危害基本处于低风险水平,最高的无显著影响标准则是3125Hz。

    将这套标准自然也可以用到OLED的PWM频闪上,当OLED亮度为100%时,频闪的波谷几乎为0,且周期很短,屏幕的波动深度低,当通过PWM降低亮度时,屏幕的波动深度较高,自然就对眼睛有明显刺激,也有类似华为P30 Pro这类90%亮度以下时闪烁就开始明显的机型。但由于测量波动深度需要专门的频闪检测仪,相机屏摄是无法检测波动深度的,我们暂时还没有条件进行测试,但低频率PWM下较高的波动深度对人眼还是会有明显刺激的。

    软件DC调光原理

    既然低亮度下OLED的PWM频闪确实有害,除了换LCD外,还有例如OPPO为Reno系列提供的DC调光功能。OPPO也公开了软件DC调光的算法,就是利用“双图层”的遮罩并控制遮罩透明度对亮度进行控制,由于OLED为主动发光,软件DC调光本身就是在降低OLED像素的亮度,在不影响PWM频闪百分比的情况下减低亮度。从实际使用效果来看,对中低亮度的频闪改善效果还是比较明显的,相信一加7Pro也采用了类似的方案实现软件DC调光。有意思的是OPPO这张宣传海报基本等同于完全公开了软件DC调光的算法,也大方地表示欢迎同行们采用,至于竞争对手们是否愿意采用就看厂商自己的意愿了,至少在技术和用户体验角度上是值得表扬和推广的,而且只要简单修改操作系统就可以在现有OLED屏幕手机上实现。目前在Google Play或者酷安上也有闪烁保护APP实现类似功能,当然软件DC调光也存在局限性,例如最低亮度下还是会出现明显频闪,以及低亮度屏幕信噪比和画质会下降等缺点。最好还是OLED面板厂商尽量提高PWM频率或者使用DC直流调光控制,才是比较一劳永逸的解决手段。

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    110.152.211.***
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    发表于2019.09.16 21:27:29
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    218.104.225.***
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    发表于2019.09.10 18:05:41
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    060.220.068.***
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    发表于2019.09.08 00:30:00
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    这么贵的手机竟然这么闪,还不如我的MATE9。。。。
    所以等MATE30看看。
    不过数码多来个科普文吧。要换手机了。究竟上不上5G呢?还是做等等党?
    谢谢先。
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    发表于2019.09.06 16:58:01
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    121.035.187.***
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    发表于2019.08.05 14:23:52
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    001.036.145.***
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    发表于2019.07.16 22:00:19
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    绿厂的类DC调光之前有参考LCD教主开源的那个算法吧
    发表于2019.06.26 10:44:58
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    119.054.172.***
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    发表于2019.06.24 09:33:58
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    049.158.022.***
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    发表于2019.06.23 12:40:48
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    180.137.107.***
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    发表于2019.06.22 15:13:31
    42
    121.035.098.***
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    发表于2019.06.21 10:38:37
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    发表于2019.06.20 07:23:01
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    115.156.216.***
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    发表于2019.06.19 16:38:10
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    为啥要用PWM,并不是因为这样节省成本,是因为OLED的暗光色准很难控制,用PWM调制会显著的提高显示的效果,这其实类似于等离子的那种显示方式。然后SHARP那块2500HZ的OLED效果怎么样?这些不都是可以展开来说说的么
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    发表于2019.06.19 13:39:17
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    好像还直接开源了……所以基本一大片国产都跟进了。
    发表于2019.06.19 09:19:10
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    122.227.143.***
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    发表于2019.06.18 11:06:19
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    045.056.153.***
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    发表于2019.06.17 05:20:54
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    发表于2019.06.15 11:38:49
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