PWM調光科普(上篇):人類顯示器的黑歷史

開波之前，首先聲明。我們「LCD教」、「反OLED聯盟」都可以統稱為「反低頻PWM聯盟」。我們反對的是低頻的PWM調光，而不是其他顯示技術。

我們不是針對誰，無論是LCD，是OLED，還是燈管，任何使用低頻PWM調光的顯示和照明設備，都是我們的譴責對象。

DC直流調光和高頻的PWM設備，都是我們的盟友。但現在滿街跑的三星AMOLED、中低端筆記本和桌面顯示器、以及數目稀少但也是在閃的LG p-OLED屏幕（Pixel 2 XL：黑人問號？），都是我們「反低頻PWM聯盟」的反對對象。愛搞機這次PWM科普的內容梗概：

講真，如果你平時連續玩手機、看顯示器的時間在1小時以內，而且還是非敏感體質，那低頻PWM調光對你的影響就不會太大了。但手機電腦這種東西的使用時間太長了，每天用幾個小時，甚至10幾個小時的用戶都有。對於重度用戶，屏幕的調光方式就是很有必要考慮的因素了。

PS：個人作品難免會有疏漏，如有意見或建議，歡迎到評論區指教。

萬惡的頻閃

這次的故事起點放高一點，直接從顯示器出現之前開始說。而這篇科普的核心是「頻閃」二字。「人工照明的歷史，就是閃爍的歷史」，這個真的一點都不誇張。從特斯拉的交流電，打敗愛迪生直流電的那一瞬間，仿佛就決定了人類照明的閃爍史。因為，所有在交流電源下工作的光源都會閃爍……

 

50Hz的交流電

1891年開始，人類開始大規模使用多相交流發電機，最後50Hz（我國正在用的頻率）和60Hz交流電佔領了市場。交流電的頻率，決定了從古董的鎢絲燈，到現在大部分家用日光燈（螢光燈）的閃爍頻率都是100Hz，即每秒閃動100次（50Hz的正弦交流電，每秒有50次波峰和波谷，並經過零點100次）。

不同LED產品的頻閃

而曾經被寄予厚望的LED光源，因為廠家的驅動電路不同，有非常複雜的頻閃形態。如果加上調光功能，其頻閃種類就更加多，更加複雜了。當然，好的產品是可以做到不閃或者閃動極其輕微的。但LED產品價格暴跌之後，不少廠家都用簡單的驅動電路，導致頻閃狀況惡化。

 

室內室外的各種低頻閃爍光源

這下明白為什麼室內拍的慢動作視頻，畫面會閃了吧。因為是真的在閃啊……除了被人類有意無意的看到閃爍之外，甚至連超市的掃描槍都會受燈光閃爍而影響識別率。

根據國際照明協會技術報告CIE TN006-2016定義，閃爍可以分為「閃爍、閃爍效應和幻影效應」3種，後兩者分別指觀察物體和觀察者移動時的物理效應。為了簡化說明，下面統一稱為閃爍和頻閃。

人眼對閃爍頻率的敏感度曲線

部分不同人類對頻閃的敏感度很大的差異，甚至有「閃動敏感體質」的說法。人類最敏感的頻率是8.8Hz，隨後不停下降。大部分人在80Hz之後就看不出閃爍了，但即便如此，仍有部分人會因此覺得眼睛累、眼睛痛。2015年的電氣和電子工程師協會文檔IEEE Std 1789-2015指出，照明閃爍會產生潛在不利影響：

• 光敏性癲癇或閃爍光誘導的癲癇發作（0.1%人口）

• 偏頭痛或嚴重的頭痛，常伴噁心、視覺紊亂

• 增加自閉症人的反覆行為

• 視力衰弱包括：眼過勞、疲倦、視力模糊

寶可夢衝擊事件

現在看回去近代最著名的「頻閃事故」，都有種都市傳說的氣息了，而且誰能想到主角居然是寶可夢《 Pokémon》……1997年12月16日，日本電視臺播放的寶可夢第38話《電腦戰士多邊獸（舊譯為3D龍）》，為了渲染電腦世界中的戰鬥，大量使用12Hz的紅藍閃光展示爆炸場面，直接導致日本全國出現了700例癲癇症（650例是兒童） 。這種低頻閃動，無論是什麼顯示器看，可能都會導致相關症狀（從未感覺到人類如此脆弱，如此容易翻車）。

該事件史稱「寶可夢衝擊」，它讓《寶可夢》這個看起來人畜無害，深受世界喜愛的動畫，享受到了被勒令停播的待遇，直到第二年的4月16日才從第39話繼續播。這個38話被永久在電視上禁播（網絡上還有）。而可憐的多邊獸，全家再也沒有在電視版上出鏡過了。無獨有偶，2007年的倫敦2012年宣傳預告片、2011年的《暮光之城：破曉》都有過「因色塊閃爍，導致觀眾癲癇發作」的事件。

感興趣的話，可以自行到視頻網站觀摩《寶可夢》的第38話，B站http://t.cn/RgY1iPk，空降位置是18分51秒。雖然數位化之後，視頻的精細度、色彩飽和度和刺激性都不如當年，但還是建議大家出發前注意安全，戴好安全帶再開車（外加一句很驚悚的廢話：在病發之前，我們根本不知道自己有病）。

PWM是什麼?

回到我們的主角PWM調光。PWM，全稱Pulse Width Modulation，翻譯過來就是脈衝寬度調製，說到底，就是種把模擬信號調製成脈波的技術。它已經是應用非常廣泛的顯示器/光源的亮度控制方案，此外，還有我們之後會提到的DC直流調光（LED領域的CCR恆流調光，為方便表示，本系列科普統一用DC調光代稱）。

進入正題前得科普一下信號的兩大分類：

數位訊號控制雖然成本低，但它最尷尬的地方是，無論是用高低電平做標識、還是光源的斷電和通電，都只對應「0和1」兩種狀態。針對這次說到的調光問題，數位訊號的控制，只能生成「開和關」兩種狀態，亮度要麼是0，要麼是100%。也就註定做不到模擬信號那樣的無級亮度調節了。

那為什麼我們的屏幕能無級調節亮度呢？因為聰明的人類發現肉眼反應速度有限，且有腦補作用。只要光源「明滅」切換速度夠快，肉眼就察覺不出來了。PWM調光就這樣粉墨登場了…… 通過閃爍來形成「載波」，然後控制「明和滅」的時間比值（佔空比）就能達到控制亮度的效果：

在每秒超過N次的閃爍中，如果需要的亮度低，那就讓滅掉的時間佔比提升。例如，如果要把亮度調到10%，只要讓亮的時間佔比達到10%即可。雖然聽起來有點雞賊，但PWM調光的優點還挺多的，結構簡單、精度高、控制「亮度變化」不會導致明顯偏色之外，還省電、發熱低。人類乃至地球上的大部分生物的眼睛，都是在連續的自然光下演化而來了，用閃爍這種視覺欺騙的方式調節亮度，會不會翻車呢？

雖然上面提到，大部分人無法察覺超過80Hz的閃爍，但餘光部分其實可以檢測到更高頻率的閃爍，神經系統和大腦皮層可以檢測到160Hz的刺激，視網膜更加敏感，可以對200Hz的閃爍做出反應。這些都曾被證實可以造成頭痛、偏頭痛和疲勞。

回顧國標給「頻閃」的定義（根據IEEE的說法，其實這個是「頻閃現象」的定義）。頻閃，就是在「閃爍光源下，觀察連續運動物體時，本應連續的圖像出現了離散的現象」。當我們閱讀或者視線從屏幕上移動時，因為頻閃效應的存在，肉眼能察覺到數百赫茲的閃爍。

課外閱讀：同樣利用人眼生理特性來「欺騙」視覺的例子，最著名的肯定是每秒24幀的電影了。這裡還能延伸出，為什麼電影24幀就夠了，但遊戲要60幀起步呢？感興趣的話，可以戳我們的陳年科普《經典科普：為什麼電影24幀就行，但遊戲要60幀？》http://t.cn/RI59bAj。

人類顯示史，各種黑歷史

歷史上每次顯示設備轉變都出過坑。如果你的年紀夠大，想必你還會記得以前那些又大又重的CRT（陰極射線管）電視和顯示器。以前除了陰極射線管掃描速度導致的一些畫面閃動外，印象中的它們，是不是畫面特別通透？特別絢麗？

後來出現的LCD顯示器，除了體積外，都是被CRT按在地上全方位地摩擦的貨。早期的桌面LCD因背光不行，導致色域覆蓋不行，可視角度更加是個大坑。更可怕的是，當時LCD還更貴，但無奈它體積小，帥啊（當時人類的態度，就像現在看真·全面屏的手機一樣。帥，真的可以為所欲為）。

等了5、6年，主流LCD的背光追上來、IPS面板的大規模使用，畫質表現才勉強追了上來。期間桌面LCD屏幕經歷了畫面比例調整和解析度的增長。畫面比例從5:4、4:3到16:10，最後定型在16:9。解析度則從1280*1024到1440*900，最後定型在1920*1080。

在2010年上下，LCD顯示器的背光源經歷了從CCFL（冷陰極螢光燈管）到LED的轉變。CCFL因環保、功耗等多種因素，在隨後的2、3年被多個國家和地區明令禁止生產。然後，人類第一次感受到被「LED+低頻PWM調光」統治的恐怖，大量用戶發現新顯示器看著更加傷眼、累眼，甚至出現囤CCFL顯示器過日子的梗。

 

風扇測頻閃大法

如果你的年紀夠大，應該還會記得國內曾經流行過用「揮手、鉛筆和風扇」看頻閃的測試方法。已經掉進歷史垃圾桶的CCFL背光顯示器，它們的PWM調光頻率幾乎都是175Hz，但它們有明顯的餘暉效應（PWM控制熄滅的時間裡，它們仍然在發光），大幅減緩了頻閃的效果。

而後來出現的LED背光顯示器，沿用了低頻PWM調光，頻率通常在180-420Hz之間。但因為LED這種光源的響應速度很快，餘暉效應接近於0，其頻閃嚴重到已經可以產生「頻閃效應」了（即能夠像高速攝影一樣定格移動物體的畫面）。

 

部分顯示器廠商抓住了商機，用「不閃屏」作為推廣手段，並開始大規模使用DC調光或DC+高頻PWM調光。時至今日，很大一部分顯示器依舊在用不閃屏做為宣傳。

而筆記本領域被夾在桌面和手機之間，向來被噴沒有好面板，而且背光也是個坑。筆記本市場有大量用低頻PWM調光的產品，有些是低亮度才會PWM，有些全程都在PWM。一大波筆記本廠商的很多新品，甚至高端產品，仍然在用低頻的PWM調光（機佬表示強烈譴責）。

非常幸運地，手機的LCD屏幕幾乎沒有受到過低頻PWM調光的困擾。即便部分手機LCD屏幕的亮度會有波動，但和現在OLED的低頻閃動，完全不是一個層次（科普的下篇會詳說其分別）。不過，就像當年桌面顯示器大規模使用PWM調光那樣，三星和LG，這些OLED廠商使用的低頻PWM調光，又讓人類回想起被PWM支配的恐怖……

如果說從16:9屏幕到18:9全面屏還算是進步，從全面屏到劉海屏是倒退的話。那從OLED屏幕使用低頻PWM調光的那一刻起，就已經是倒退到歷史循環的坑裡去了。

在下半篇，我們會就「如何評估低頻PWM的危害程度、個人檢測PWM的方法和A屏時代的護眼生存指南」進行科普，敬請期待。

參考資料：IEEEstd 1789-2015、國際照明學會報告CIE TN006:2016、IEC TR 61547-1、GB/T 9473-2017讀寫作業檯燈性能要求、臺灣照明燈具輸出業同業公會、notebookcheck、TFT CENTRAL

---

關注我們的微博@愛搞機

關注我們的微信公眾號：愛搞機（playphone）

當然，也關注我們的嗶哩嗶哩帳號：愛搞機