Осторожно, AMOLED-экран! Всё, что нужно знать о вреде мерцания и ШИМ

Признаюсь, после публикации статьи о безвредности экранов для глаз, меня очень удивило то, что ни один читатель не задал, как мне казалось, очевидный и закономерный вопрос.

Неужели все забыли о мерцании подсветки!? Ведь об этом говорится практически в каждом обзоре смартфона с AMOLED-экраном (включая наши обзоры). На форумах можно встретить тысячи сообщений от людей, которые видят ШИМ (мерцание) и в буквальном смысле физически от этого страдают.

После выхода первого iPhone c OLED-дисплеем, в сети появилось огромное количество однотипных жалоб: головные боли, усталость, сыпь и резь в глазах.

И в этом, кажется, есть логика. Ведь солнечный свет, равно как и свет от IPS-дисплея или электронной «читалки» с подсветкой в основном излучается непрерывным потоком, в то время как технология ШИМ, словно маленький ребенок, бесконечно щелкает выключателем, зажигая и гася AMOLED-экран сотни раз в секунду!

Конечно, с одной стороны, всё, о чем шла речь в упомянутой статье — правда. Экраны с обычной подсветкой действительно оказывают на зрение такое же влияние, как и обычные бумажные книги. Но существуют дисплеи, у которых управление яркостью происходит при помощи ШИМ (широтно-имульсной модуляции), работающей на низких частотах и с большой глубиной модуляции (об этом чуть позже).

Влияет ли это как-то на зрение или психику? В чем опасность мерцания (ШИМ) и почему большинство AMOLED-экранов мерцают? Что конкретно происходит с человеком, когда он смотрит в такой дисплей и почему только единицы ощущают на себе его пагубное влияние? Пагубно ли оно вообще?

Зачастую, в интернете об этом говорят «в общем и целом», без какой-либо конкретики. Но эта тема требует отдельного серьезного исследования и объяснения. Именно поэтому я не стал затрагивать её в первой статье и публикую в качестве отдельного материала.

Если вы хорошо понимаете, почему мерцают OLED-экраны, и хотите только понять, как это влияет на здоровье, сразу переходите ко второй части.

Часть 1. Почему AMOLED-экраны мерцают, а IPS — нет?

В чем же заключается принципиальная разница между свечением IPS- и AMOLED-экранов, если сегодня везде используются светодиоды? Даже в «читалках» на электронных чернилах (e-ink) иногда используется подсветка на светодиодах.

Как вы знаете, IPS-экран не светится сам по себе и если бы под ним не размещалась лампочка, мы бы не увидели никакой картинки.

Во всех современных смартфонах с IPS-дисплеями установлены светодиоды (LED). Такие лампочки светят условно белым светом, а каждый отдельный пиксель дополнительно накрывается цветным фильтром — стекляшкой одного из 3 основных цветов (красного, зеленого и синего).

Когда белый свет от LED-лампочки проходит через зеленую стекляшку, точка на экране горит зеленым цветом, а когда через красную — мы видим красный пиксель:

Чтобы на экране показать оранжевую точку, нам нужно пропустить максимальное количество белого света через красную стекляшку; почти вдвое меньше света — через зеленую стекляшку и совсем чуть-чуть света через синий фильтр.

Так как эти отдельные точки находятся очень близко друг к другу, мы не сможем различить отдельные цвета и на нашей сетчатке они сольются в единый оранжевый цвет:

Если же нам просто нужно снизить общую яркость экрана, мы снизим количество излучаемого лампочкой света.

И главный вопрос заключается в том, как именно происходит это снижение яркости. Можем ли мы просто пропустить меньше тока через светодиод? Запросто! Понижаем напряжение и вот наши лампочки уже горят тусклее.

Собственно, именно так и работает управление яркостью на подавляющем большинстве смартфонов с IPS-экраном.

Но OLED-дисплеи работают иначе. Им не нужны никакие цветные фильтры и белые лампочки. Каждый пиксель — это и есть отдельный органический светодиод, излучающий один из трех основных цветов.

Соответственно, если мы хотим отобразить оранжевую точку на AMOLED-экране, нужно включить яркость красной лампочки на максимум, немного снизить яркость зеленого светодиода, а синий практически выключить:

И вот тут-то нас ожидает неприятный сюрприз. Оказывается, нельзя без последствий просто взять и пропустить меньше тока через органический диод, как мы делали в случае с белыми светодиодами IPS-экрана.

К сожалению, OLED-лампочка меняет свой оттенок в зависимости от подаваемого тока.

Возьмем, к примеру, зеленый светодиод. При пропускании через него тока в 20 мА, он начинает излучать свет, длина волны которого равняется примерно 525 нанометрам (напомню, воспринимаемый глазом цвет зависит исключительно от длины волны). Но если мы снизим яркость до 20% (в 5 раз), то получим уже другой оттенок зеленого цвета с длиной волны ~532 нм¹:

Как же с такими светодиодами можно добиться точной цветопередачи? Если мы не можем изменять яркость отдельной лампочки, регулируя напряжение или силу тока, нужно придумать другой способ.

И решение оказалось очень простым. Нужно всегда подавать на каждый пиксель один и тот же ток — 20 мА, чтобы все лампочки горели на максимальной яркости и не меняли свой оттенок. Но делать это необходимо порциями, скажем, 100 раз в секунду. Делим 1 секунду на 100 и получаем 10 миллисекунд — это и будет длительность каждой «порции» (или цикла подачи тока).

То есть, мы отсчитываем 10 миллисекунд и начинаем подавать максимальный ток на диод в течение какого-то времени, затем выключаем ток. Как только 10 мс закончились, снова подаем ток и отсчитываем следующий 10-мс цикл.

Если мы захотим, чтобы красная лампочка горела максимально ярко, мы вообще не будем ее выключать в течение каждого 10-миллисекундного цикла. Получится что-то вроде этого:

А если мы захотим снизить яркость какого-то светодиода до 20%, нужно просто сократить в 5 раз время свечения лампочки в течение каждого цикла:

Таким образом, красный светодиод включается на максимальной яркости (ток — 20 мА) и светится в течение 2 миллисекунд, затем отключается и не горит в течение 8 мс. Как только 10-мс цикл закончился, мы снова включаем лампочку на 2 мс и выключаем на 8 мс. Другими словами, лампочка горит только 20% от общего времени.

Этот трюк работает благодаря одному интересному свойству нашего зрения под названием критическая частота слияния мельканий (КЧСМ). Глаз способен уловить отдельные мерцания света, если они происходят с частотой ниже 100 Герц, то есть, когда свет включается и выключается менее 100 раз в секунду².

Но когда скорость включения/выключения превышает эту цифру, мы не ощущаем мерцания и нам кажется, что экран светится непрерывно, только более тускло.

К примеру, экран iPhone 12 Pro Max имеет разрешение 1170 x 2532 пикселей, суммарно это более 7 млн отдельных OLED-лампочек! И микропроцессор управляет яркостью каждой из них, контролируя время и продолжительность ее включения/выключения.

Каждый такой светодиод должен поддерживать сотни и даже тысячи уровней яркости (изменяемых пульсацией), чтобы отображать всевозможные цвета и оттенки.

Дело не столько в частоте…

Логика подсказывает, что частота — это не единственный параметр, от которого зависит степень мерцания. Важно то, как долго в течение одного цикла будет гореть лампочка.

На максимальной яркости мерцания не будет совсем, даже если частота при этом будет низкой. Ведь в этом случае лампочка горит 100% времени всего цикла. А вот при низкой яркости светодиод может гореть всего 10% от времени цикла. Получается, большую часть времени экран выключен и отдельные вспышки света выделены отчетливее:

Также производитель может комбинировать снижение яркости как при помощи модуляции (мерцанием), так и снижая напряжение. К примеру, до определенного уровня яркость снижается током (искажение цвета не заметно без приборов), а дальше включается модуляция, т.е. дисплей начинает быстро включаться и выключаться.

Важную роль играет и глубина модуляции света — то есть, разница между максимальной и минимальной яркостью работы светодиода. В некоторых случаях (например, в LED-подсветке IPS-экранов с использованием люминофора), яркость может не опускаться до нуля из-за послесвечения люминофора.

Чтобы не учитывать и не отслеживать отдельно все эти параметры, используется одна единственная характеристика, которая и отображает степень мерцания — это коэффициент пульсации, рассчитываемый по очень простой формуле³:

K = 100 * (E_макс — E_мин) / 2 * E_ср

Где K — это коэффициент пульсации, E_макс — максимальная яркость экрана (когда на светодиод подается ток), E_мин — минимальная яркость (когда ток не подается), E_ср — среднее значение яркостей за один цикл.

Например, если ШИМ работает с частотой 100 Гц (то есть, каждый цикл длится 10 мс), максимальная яркость экрана равняется 400 нит, минимальная — 0, а яркость на смартфоне при этом выставлена на 50% (то есть, светодиод горит в течение 5 мс и еще в течение 5 мс выключен), тогда коэффициент пульсации рассчитывается так:

K = 100 * (400 — 0) / 2 * 200 = 100%

Коэффициент пульсации в этом примере равен 100%. Это значит, что экран половину времени просто выключен. Такое мерцание считается очень высоким. Если же коэффициент пульсаций равняется 0%, значит экран светится непрерывно и мерцание полностью отсутствует. Такое значение показывают практически все смартфоны с IPS-экранами и многие читалки на электронных чернилах (e-ink).

Коэффициент пульсации может запросто превышать 100%. Для этого нужно, чтобы светодиоды большую часть времени не светились. Например, если они будут загораться на 2 мс и затем не светиться в течение 8 мс, то коэффициент пульсации составит 500%.

Этих знаний достаточно для того, чтобы перейти к сути проблемы.

Часть 2. Вредно ли мерцание AMOLED-экранов и почему?

Многие люди уверены в том, что мерцание AMOLED-экранов — не более, чем психическое расстройство. Дескать, мнительные люди начитались страшилок в интернете и теперь им везде мерещится это мерцание.

На самом деле такое заблуждение связано с тем, что человек не понимает разницы между ощущением и восприятием. Ощущение — это любое воздействие на органы чувств, которое мы осознаем. Но есть вещи, которые организм воспринимает, но мы этого не ощущаем осознанно.

Мерцание замечают практически все люди, если его частота не очень высокая (в среднем, не выше 60-70 Гц). Такое ощутимое мерцание не просто вызывает дискомфорт, но и в редких случаях может стать причиной светочувствительной эпилепсии. Тысячи отдельных нейронов мозга на короткое время начинают активироваться синхронно с определенной периодичностью, что приводит к эпилептическому припадку⁴.

Если вы впервые слышите о синхронизации нейронов, обязательно почитайте нашу статью о фазах сна, которые пытаются отслеживать фитнес-браслеты. Там эта тема раскрыта более подробно.

Но AMOLED-экраны работают на частотах, в 5 раз превышающих порог слияния мерцаний, поэтому дело здесь должно быть в чем-то другом.

Причем здесь зрачок?

В интернете можно найти интересную легенду, гласящую, что зрачок человека расширяется и сужается в такт мерцанию AMOLED-экрана. Подобное голословное (не подкрепленное ссылками на научные данные) заявление встречается даже на официальном сайте производителя мониторов ViewSonic и тестовой лаборатории DxOMark.

Собственно, именно такое молниеносное непрекращающееся колебание размера зрачка приводит к быстрому перенапряжению и усталости глаз. По мнению ViewSonic и DxOMark.

Это интересная теория, но в реальности зрачок человека реагирует на изменение света с относительно большой задержкой (не менее 180 миллисекунд⁵), что по сути не превышает частоту в 6 Гц.

А ведь мы говорим о частотах в 30-50 раз выше! То есть, зрачок должен реагировать на изменение освещенности в течение одной миллисекунды, что, конечно же, невозможно с учетом минимальной задержки его работы в 180 мс.

В одном из исследований⁶ даже проводилось измерение реакции зрачка на мерцающий свет. Вот как это выглядело при мерцании с частотой 0.7 Гц (свет включается и выключается каждые полторы секунды):

На графике вертикальными линиями показаны моменты, когда экран включается (сплошная линия) и выключается (пунктирная линия). Мы видим, как зрачок сужается и расширяется в такт мерцания света (размер зрачка указан в относительных единицах, а не миллиметрах).

А вот что происходит при мерцании экрана с частотой в 1 Гц:

Мы видим, что работа зрачка уже не совсем адекватно отвечает моментам включения и выключения экрана (присутствует небольшая задержка), тем не менее, колебания зрачка четко прослеживаются.

Как оказалось, колебания зрачка в такт мерцания света отчетливо наблюдаются до 2.3 Гц, с едва уловимыми колебаниями вплоть до 3 Гц:

Очевидно, что зрачок даже теоретически не может реагировать на частоту мерцания экрана в 240 Гц, что в 70 раз превышает порог едва фиксируемых аппаратурой колебаний. Видимо, дело снова в чем-то другом.

Важное замечание: диаметр зрачка действительно связан с неприятными ощущениями при чтении в темноте с любого экрана. Но связь эта совершенно иная. В зависимости от полярности контраста (черный текст на белом фоне или белый текст на черном фоне), в глаз может попадать больше света, чем нужно, что будет вызывать болевое ощущение. Обо всем этом я подробно рассказывал в предыдущей статье.

«Мы ничего не нашли…»

Если мы почитаем последний официальный отчет⁷ научного комитета Еврокомиссии по вопросам здоровья (от 5 июня 2018 года), то увидим очень интересный вывод касательно мерцания света на высокой частоте:

Хотя мы и не нашли исследований на эту тему, есть утверждения, что некоторые люди очень чувствительны к модуляции света с частотой около 100 Гц, вызывающей такие симптомы, как головные боли, мигрень и общее недомогание.

European Commission, SCHEER, 5-6 June, 2018

И еще из этого же отчета:

Возможно, некоторая восприимчивость к высокочастотному (100 Гц и выше) мерцанию может быть связана с фантомным массивом, даже если этот массив не воспринимается.

European Commission, SCHEER, 5-6 June, 2018

Это кажется забавным, что не нашлось ни единого исследования, посвященного проблеме, о которой говорит «весь интернет». Тем не менее, Еврокомиссия немножко лукавит, намекая на фантомные массивы.

Еще в конце прошлого века эксперименты⁸ доказывали, что человек способен различить отдельные мерцания света с частотой 200 Гц, то есть, когда ШИМ работает циклами по 5 миллисекунд (лампочка загорается на 1 мс каждые 5 мс).

Электроретинограмма прямо показывает⁹, что сетчатка фиксирует модуляцию света на частоте до 200 Гц и обрабатывает этот сигнал, хотя он и превышает в разы тот «максимальный» предел, осознаваемый человеком (60-70 Гц).

Другими словами, в медицине есть такое понятие, как невидимое, но оказывающее определенное влияние, высокочастотное мерцание света.

В сравнении человеческой сетчатки с матрицей камеры я говорил о том, что наш глаз имеет очень низкое разрешение. Но «картинка» в целом выглядит четкой благодаря саккадам — быстрым согласованным движениям глаз.

Такими саккадами мозг непрерывно сканирует изображение, чтобы спроецировать его на крохотный центральный участок сетчаки с высоким разрешением (реальное разрешение глаза ничтожно мало и только в центре сетчатки более-менее высокая плотность колбочек).

Вы наверняка слышали о так называемом «карандашном тесте», когда перед источником света (экраном или лампочкой) начинают очень быстро размахивать карандашом в стороны. Если след от карандаша кажется нам размытым, значит, свет не мерцает. Но если появляются четкие контуры карандаша, значит, подсветка регулируется при помощи ШИМ, то есть, свет от источника мерцает:

Примерно то же происходит, когда объект неподвижен, а глаза совершают саккады, сканируя быстрыми рывками изображение (например, при чтении текста с AMOLED-экрана). В результате на сетчатке строятся отдельные четкие копии одного и того же изображения с небольшим смещением вместо необходимого размытия.

Не для слабонервных…

Отвлекитесь на секунду от статьи и посмотрите прямо перед собой, а затем переведите взгляд в сторону. Вам ничего не показалось странным?

Скорее всего, вы не заметили никакой аномалии. Но если бы вы попробовали включить запись видео на своем смартфоне и быстро провели камерой в сторону, то результат выглядел бы иначе.

На записи вы увидите, как все предметы во время движения камеры становятся размытыми и «улетают» в сторону:

Но почему такого не происходит со зрением?

Признаться, причина этому жутковатая. В момент перевода взгляда (когда глаза совершают саккады), вы на мгновение в буквальном смысле слепните. Происходит это благодаря саккадическому подавлению¹⁰ — специальному биологическому механизму, который отключает обработку изображения с сетчатки, когда оно становится полностью размытым.

В итоге, вам кажется, что все предметы стоят на своих местах и вся сцена четкая. Но в действительности мозг просто делает бесшовную склейку двух сцен — до начала движения глаз и после окончания саккады. А всё, что было между этими сценами, просто вырезается.

Если вы не осознали масштабы этой иллюзии, тогда подойдите к зеркалу, раскройте пошире глаза и начните переводить взгляд с одного глаза на другой. Вы удивитесь, но как бы вы ни старались, ваши глаза всё время будут неподвижны, будто взгляд застыл на одной точке.

То есть, на самом-то деле ваши глаза будут активно двигаться, просто перед началом каждого движения вы будете слепнуть, а после окончания движения глаз, зрение будет снова возвращаться к вам.

Думаю, вы понимаете, насколько глупо с таким мозгом придерживаться принципа «если я чего-то не ощущаю, значит, этого не существует». Мозг доводит до нашего сознания лишь незначительную долю поступающих сигналов.

Фантомный массив

Когда сцена освещается мерцающей лампочкой или когда мы смотрим на мерцающий экран, во время саккад, изображение становится четким (см. выше карандашный тест), то есть, вместо смазанного шлейфа появляются четкие контуры. Это и называется фантомным массивом.

И вот тут для мозга начинается «веселье». Особенно, если вы смотрите на мерцающий экран в полной темноте. Ведь в этом случае единственный видимый источник света мерцает и мозгу не за что зацепиться, чтобы замаскировать те четкие образы, появляющиеся внутри саккад. Подобные эффекты могут происходить при мерцающем свете с частотой вплоть до 2000 Гц¹¹.

Но, повторюсь, это напрямую зависит от коэффициента пульсаций (то, о чем мы говорили выше и рассчитывали по формуле). При определенном коэффициенте мерцание экрана не будет вызывать никаких биологических реакций. И этот коэффициент посчитать еще проще¹¹:

• Граница полностью безопасного коэффициента пульсации: частота мерцаний * 0.0333
• Граница коэффициента пульсации с низким риском: частота мерцаний * 0.08

Например, если экран iPhone 12 mini работает с ШИМ на частоте 250 Гц, то мерцание с коэффициентом пульсации до 8% (250*0.0333) не будет оказывать никакого биологического эффекта. А коэффициент пульсации до 20% (250*0.08) может представлять незначительный риск.

Вот как выглядит реальный коэффициент пульсации на iPhone 12 mini зависимости от яркости (цифры приблизительные):

То есть, мы видим, что при яркости выше 75%, экран не оказывает никакого влияния, но при низкой яркости эффект очень значительный. Что хуже всего, у многих смартфонов (даже самых дорогих) коэффициент пульсации при 50% яркости может доходить до 150%.

Возвращаясь к саккадам глаз и фантомному массиву, хотелось бы еще показать результаты интересного исследования, в котором анализировалось влияние частоты мерцания экрана на движение глаз. В частности, сравнивалось чтение с экрана, мерцающего на частоте 100 Гц, с чтением при освещении без мерцания.

Вот выводы этого исследования¹²:

Результаты согласуются с мнением о том, что мерцание оказывает на чтение два различных эффекта, оба из которых потенциально вредны. Первый связан с увеличением количества преждевременно сработавших саккад, которые в результате становятся менее точными. Во-вторых, увеличивается количество саккад, нарушенных в полете, которые останавливаются незадолго до намеченной цели. Эти два механизма могут иметь разные последствия для читателей (в зависимости от стиля чтения).

Такие нарушения приводят к тому, что мозгу требуется делать больше корректирующих саккад, что, видимо, вызывает дополнительную нагрузку и усталость.

Как бы там ни было, организм любого человека способен воспринимать мерцание света с высоким коэффициентом пульсации. Но почему лишь немногие ощущают это влияние — наука пока не знает, а может и не особо хочет узнавать.

Способен ли мерцающий на высокой частоте свет испортить зрение? Об этом речь не идет, так как проблема высокочастотного мерцания не связана с глазными заболеваниями. Такая связь не подтверждается ни наблюдениями, ни теорией.

Однако же, мерцающий свет может вызывать быструю утомляемость и неприятные ощущения в глазах, что некоторые исследователи связывают именно с саккадическими движениями глаз и обработкой возникающих фантомных изображений на сетчатке.

Также высокий коэффициент пульсации оказывает определенное влияние на психику человека, так как мозг получает и непрерывно обрабатывает сигнал, из-за чего, вероятно, могут возникать головные боли и усталость.

Я не встречал информации о том, чтобы высокочастотное мерцание синхронизировало электрическую активность мозга, но низкочастотное мерцание LED-лампочек (в частности, на 40 Гц) индуцирует гамма-ритм мозга на частотах 38-42 Гц, что отчетливо видно на электроэнцефалограмме¹³.

Напомню, гамма-ритм возникает в мозге человека при решении задач, требующих максимального сосредоточенного внимания¹⁴. Частота колебаний гамма-волн лежит в диапазоне от 30 до 170 Гц, а по некоторым данным может доходить и до 500 Гц.

Ухудшится ли у вас память или вы станете более раздражительным через 5 лет активного использования мерцающего AMOLED-экрана — таких данных нет ни у кого. Но лучше придерживаться рекомендуемых норм и не подвергать себя продолжительному воздействию любого источника света с высоким коэффициентом пульсации.

Алексей, глав. ред. Deep-Review