вредное мерцание ШИМ OLED-экранов

Почему болят глаза от смартфона с AMOLED-экраном или что такое ШИМ и DC Dimming?

Последнее обновление:
Рейтинг этой статьи по мнению читателей:
4.9
(19)

Сегодня AMOLED-экраны используются не только во всех флагманах, но и все чаще встречаются в среднем ценовом сегменте (Galaxy A-серия от Samsung — отличный тому пример). А это значит, что все большее число пользователей открывает для себя эту прекрасную технологию.

Но вместе с яркими цветами, превосходными углами обзоров и бесконечной контрастностью, пользователи открывают для себя еще одну интересную особенность OLED — неприятные ощущения в глазах, усталость и даже головные боли.

И самое обидное (или лучше сказать — опасное?) в этой ситуации то, что далеко не каждый человек ощущает этот негативный эффект, хотя и подвержен его влиянию наряду с теми, кому повезло меньше.

В этой статье мы подробно разберемся, что же не так с AMOLED-дисплеями и можно ли как-то с этим справиться.

В чем суть проблемы?

Суть проблемы заключается в том, что экран смартфона постоянно мерцает. Это мерцание подобно тому, что возникает при использовании дешевых люминесцентных ламп, особенно когда они уже доживают свой срок. Это мерцание действительно вызывает очень неприятные ощущения — многие могли не раз убедиться в этом лично.

Разница со смартфоном лишь в том, что частота мерцания экрана намного выше и потому не заметна глазу.

Почему некоторые люди ощущают мерцание, в то время, как большинство — нет?

Если мы будем каждую секунду включать и выключать лампочку, то, естественно, увидим мерцание света. И чем быстрее мы будем это делать, тем быстрее будет казаться мерцание. Однако на определенной частоте (примерно 60 раз в секунду, то есть, 60 Гц) мозг перестанет воспринимать мерцание и нам будет казаться, что лампочка горит непрерывно.

Этот эффект называется порогом слияния мерцания. У человека он равен 60 герцам, у собак — 70-80, у мух и того больше — 250-300 Гц. Однако, у некоторых людей восприимчивость бывает выше, например, некоторые пилоты истребителей при тестировании различают кадры, появившиеся на 4 мс (что соответствует 250 кадрам в секунду). То же касается и людей, слишком много времени проводящих за компьютерными играми с высоким FPS.

Другими словами, не нужно обладать супер-способностью, чтобы различить мерцание свыше 60 Гц. Но даже те люди, которые не воспринимают такой частоты и не ощущают никаких проблем с AMOLED-экранами, подвергаются негативному влиянию низкочастотного мерцания (или пульсации света).

Зрительные рецепторы способны улавливать пульсацию света с частотой вплоть до 300 Гц (или 300 раз в секунду), а мозг непрерывно обрабатывает полученные данные, находясь в возбужденном состоянии. Именно такой порог (300 Гц) является рекомендуемым минимумом по ГОСТу Р 54945-2012:

Пульсация освещенности свыше 300 Гц не оказывает влияния на общую и зрительную работоспособность

ГОСТ Р 54945-2012

Таким образом, даже если мерцание AMOLED-экрана вашего смартфона не вызывает у вас болевых ощущений в глазах, оно вполне может влиять на эмоциональное состояние и работоспособность.

Любопытный факт №1

старый кинопроектор

Все мы помним старые кинопроекторы, в которые помещалась пленка с серией неподвижных кадриков. Эта пленка передвигалась с определенной скоростью, сменяя кадр за кадром 24 раза в секунду.

Чтобы движение пленки не смазывало изображение, поток света перекрывался в момент смены кадра. Это приводило к сильному мерцанию, так как изображение постоянно обрывал «черный кадр».

Но вместо того, чтобы как-то ускорить процесс смены кадров, поток света стали просто перекрывать дважды — в момент смены кадра и вхолостую, когда пленка не двигалась и кадр отображался на экране. Это искусственно увеличило мерцание до 58 раз в секунду (чередование «черного кадра» с изображением).

Учитывая порог слияния кадров (50-60 Гц), мозг просто «отключал» восприятие мерцания и зритель наблюдал плавную картинку. А еще раньше, во времена немого кино, использовалась частота 16 кадров в секунду. Поэтому свет перекрывали трижды — один раз для смены кадра и два раза вхолостую, чтобы увеличить мерцание до 48 раз в секунду.

Что такое ШИМ или почему OLED-экран смартфона мерцает?

Мерцание экрана связано лишь с одной единственной задачей — управлением яркостью. Есть два способа регулировать яркость экрана и оба они успешно применяются в IPS-матрицах:

  1. Понижать/повышать напряжение
  2. Использовать пульсацию света

С первым пунктом все понятно — чем сильнее напряжение, тем ярче горит лампа и наоборот. А вот со вторым мы и разберемся подробнее.

ШИМ расшифровывается как широтно-импульсная модуляция. И означает этот термин буквально следующее: регулировка ширины (длительности) импульса. Пока что это ни о чем не должно вам говорить.

Импульс, говоря простым языком, — это всплеск напряжения в определенном промежутке времени. Его можно изобразить так:

один импульс при ШИМ

У импульса есть длина, мы можем сделать его короче или длиннее (шире). Также можно генерировать несколько таких импульсов с определенной периодичностью. К примеру, представим, что мы будем периодически посылать на светодиоды OLED-экрана несколько импульсов:

несколько импульсов подряд ШИМ экрана

Они идут с определенной постоянной частотой, скажем, 4 импульса в секунду. Получается, каждый из этих импульсов длится 0.25 с (1 секунда, разделенная на 4 импульса).

Когда через светодиод OLED-экрана проходит напряжение (импульс), он начинает светиться. Импульс появился — светодиод загорелся, импульс пропал — светодиод потух. В реальном AMOLED-экране количество таких импульсов может быть 200 в секунду (говорят «частота 200 Гц») или 250, а может и 500! Все зависит от производителя.

Но как же нам теперь снизить яркость на 50%? Достаточно всего лишь, не меняя напряжение, сократить длительность (ширину) импульса в 2 раза. Частота при этом сохраняется, то есть, каждый новый импульс из нашего примера будет проходить все также через 0.25 секунд, но длина самого импульса будет уже не 0.25 секунд, а примерно 0.12 секунд (в 2 раза короче):

Сокращаем ширину импульсов в 2 раза, контролируя яркость

Получается, импульсы и дальше поступают каждые 0.25 секунд, вот только половину этого времени светодиод горит, а вторую половину — не горит. Это приведет к тому, что мы будем воспринимать яркость в 2 раза ниже первоначальной.

Если нужно сделать минимальную яркость, можно вообще сократить ширину импульсов из нашего примера до 0.01 секунды. Это приведет к тому, что большую часть времени экран просто не будет гореть: включается на 0.01 секунду, а потом отключается на 0.24 секунды, затем снова все повторяется. И так каждые 0.25 секунд.

Именно так и работает подсветка, только вместо 4 импульсов в секунду, мы имеем 200-300 импульсов. И подавляющее большинство людей визуально никак не замечает, что на минимальной яркости экран большую часть времени буквально выключен. Но некоторые, все же, это хорошо ощущают.

Подведем небольшой итог

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — это способ изменения яркости экрана смартфона. Конечно же, ШИМ используется далеко не только для регулировки яркости, но в рамках статьи нас интересует только это.

Включая и выключая экран очень быстро (200-300 раз в секунду), человеческий мозг воспринимает это за непрерывное свечение. Получается, если частота составляет 250 Гц (то есть, за секунду поступает 250 импульсов напряжения), длина каждого такого импульса составит 4 миллисекунды (1000/250).

Если все эти 4 миллисекунды экран будет гореть, тогда яркость дисплея будет максимальной. Ведь, по сути, все время будет подаваться максимальное напряжение. Но как только мы будем сокращать время работы экрана в течение этих 4 миллисекунд, яркость начнет падать.

Другими словами, если 2 мс экран будет включен, а 2 мс — выключен (и так каждые 4 мс), тогда яркость экрана будет восприниматься вдвое ниже. Хотя в реальности мы подаем ровно такое же максимальное напряжение, просто более короткими порциями, из-за чего начинает проявляться мерцание, которое мы не воспринимаем.

Зачем использовать ШИМ вместо прямого управления напряжением?

С помощью ШИМ можно получить гораздо более широкий диапазон яркости, чем при изменении напряжения. Также ШИМ является более простой в плане реализации технологией.

Ну а главная причина кроется в особенностях органических светодиодов. Во-первых, постоянное напряжение приведет к нагреву светодиодов и их более быстрому выходу из строя. Во-вторых, подобрать для одного экрана миллионы светодиодов с идентичными характеристиками практически нереально. У каждого из них будут небольшие отличия, которые и проявятся при низком напряжении.

Точная цветопередача OLED-экранов достигается при максимальном напряжении. Если его слишком сильно снизить, тогда на экране вместо серого фона мы получим «грязный» неравномерный фон с фактурой «наждачной бумаги»:

Экран на низкой яркости при отсутствии ШИМ

На фото выше — снимок OLED-экрана смартфона LG G Flex 2 на минимальной яркости, у которого отсутствовал ШИМ. Но в те далекие времена никто не оценил такой заботы компании о здоровье своих пользователей. 🙂

Столь «отвратительное» качество экрана лишь вызывало желание побыстрее сменить этот смартфон на «супер-прогрессивный» AMOLED-экран от Samsung, в котором широтно-импульсная модуляция была настолько агрессивной, что мерцание начиналось почти с максимальной яркости.

Любопытный факт №2

Если вы думаете, что времена с «диким» ШИМом далеко позади, то не спешите радоваться. Все современные смартфоны от компании Samsung, включая флагманы Galaxy S10 и Note 10, управляют яркостью с помощью ШИМ, где мерцание наблюдается даже на максимальной яркости.

Почему яркость IPS-экранов не управляется ШИМ?

Многие этого не знают, но ШИМ очень часто используется и на IPS-экранах. К примеру, регулировка яркости широтно-импульсной модуляцией осуществляется на таких смартфонах, как:

  • Sony Xperia 10 и Xperia 10 Plus
  • Xiaomi Redmi Note 7
  • Huawei Y7
  • Huawei P Smart Plus
  • Xiaomi Mi 8 Lite
  • И мн. др.

Все эти смартфоны используют ШИМ, но не вызывают ни малейшего дискомфорта или вредного эффекта. Так в чем же дело? В частоте. Или, другими словами, в количестве импульсов за 1 секунду.

Если на iPhone 11 Pro подсветка работает с частотой 290 Гц (290 импульсов в секунду), Xiaomi Mi 9 — 245 Гц, а Samsung Galaxy S10 — 240 Гц, то частота ШИМ на любом из вышеупомянутых смартфонов с IPS-экранами не ниже 2000 Гц. Столь быстрое мерцание совершенно никак не регистрируется мозгом или глазами.

К слову, нередко можно встретить и смартфоны с совершенно недопустимым значением ШИМ, например:

  • OnePlus 7 Pro — 122 Гц
  • Samsung Galaxy A50 — 119 Гц
  • Xiaomi Mi 8 Pro — 100 Гц

От этих аппаратов глаза на минимальной яркости могут уставать даже у тех людей, которые не ощущает мерцание.

Любопытный факт №3

Многие смартфоны управляют яркостью AMOLED-экранов сразу двумя способами — изменением напряжения и ШИМ.

К примеру, на смартфонах с OLED-экранами от Apple отсутствует мерцание вплоть до 50% яркости, а уже ниже этого значения управление яркостью переходит на ШИМ. У других компаний используется только ШИМ, как например, у Samsung.

Что мешает увеличить частоту ШИМ на OLED-экранах?

Действительно, почему OLED-экраны мерцают с частотой 200-300 Гц, вместо того, чтобы работать на частоте, скажем, 1000 Гц? Ведь на IPS-дисплеях с ШИМ частота мерцания может вообще достигать 100000 Гц и выше!

Конечно, сравнивать мерцание лампочки и мерцание органического светодиода нельзя и столь высокие значения приведут к плохим последствиям. Но, почему бы не увеличить частоту хотя бы в 2 раза?

На самом деле, можно. И такие смартфоны даже выходили. Вспомнить хотя бы последний флагман на Windows Phone от Microsoft — Lumia 950 с частотой мерцания 500 Гц:

Lumia 950 с высокой частотой ШИМ

Дело в том, что такие экраны будут обходиться производителю дороже. Пускай на 30-70 центов, но дороже. Учитывая то, как мало людей непосредственно ощущают вредное влияние мерцания и ту сумму, что можно сэкономить на миллионах проданных устройств, ответ очевиден — до этого никому, за редким исключением, нет дела.

Но за последние 2 года интерес к этой проблеме возрос очень сильно, что заставило многих производителей (а в скором будущем, вероятно, и всех), обратить на это внимание. Уже сегодня мы видим первые шаги на пути к решению проблемы вредного влияния. Речь идет о функции DC Dimming.

Что такое DC Dimming?

Именно так называется функция, появившаяся на некоторых современных смартфонах с AMOLED-экранами, к примеру, в линейке Xiaomi Mi 9 или на смартфоне OnePlus 7 Pro.

Само название DC (от англ. Direct Current — прямой ток) Dimming говорит о том, что речь идет об управлении прямым током. То есть, управление подсветкой должно переключаться с ШИМ на работу с напряжением. И в этом вся проблема. Так как нельзя простым алгоритмом или программной функцией изменить принцип работы дисплея. Нужны соответствующие аппаратные изменения.

Что же происходит в действительности при включении DC Dimming? Во-первых, подсветка все так же управляется импульсами, а значит, полностью от вредного мерцания эта функция не спасает. Это хорошо видно на графиках осциллографа (на примере смартфона с поддержкой функции DC Dimming):

минимальная яркость с ШИМ и с DC Dimming
Слева — ШИМ, справа — DC Dimming (Credits: Notebookcheck.com)

То есть, амплитуда колебаний довольно сильно сглаживается, что заметно снижает уровень пульсации и вредного мерцания, однако линия далеко не прямая, как было бы в случае с реальным управлением напряжением.

Что именно происходит при работе DC Dimming пока точно неясно, возможно, это аналог какого-то программного фильтра, накладываемого поверх изображения. То есть, яркость включается на максимум (что приводит к исчезновению мерцания), после чего изменяется степень прозрачности этого фильтра. Возможно, используется другая программная технология.

В любом случае, DC Dimming не лишен недостатков, в частности, на низкой яркости смартфон может не отображать полутонов на темном фоне, как, например, на фото ниже (слева — экран OnePlus 7 Pro с ШИМ, а справа — DC Dimming):

Сравнение экранов OnePlus 7 Pro с ШИМ и с DC Dimming

На фото справа хорошо видна проблема с отсутствием деталей в тенях, вместо мягкого изображения мы видим черные пятна. Но, тем не менее, это хоть какое-то решение для людей, ощущающих вредное мерцание.

Вместо заключения хотелось бы еще раз подчеркнуть ту мысль, что вредное мерцание существует и оно влияет на каждого человека. Даже если вы не чувствуете никакого дискомфорта, ваш мозг продолжает обрабатывать сигналы пульсирующей подсветки на частоте ниже 300 Гц.

Понравилась статья? Поделитесь с другими:
  • 54
  •  
  •  
  • 1
  •  
    55
    Поделились

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии...

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

6
Оставить комментарий

2 Цепочка комментария
4 Ответы по цепочке
0 Последователи
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
5 Авторы комментариев
  Подписаться  
новее старее большинство голосов
Уведомление о
veteran

Жуть. Из статьи выходит, что телефоны с амолед экранами брать в ближайшие 3-5 лет нельзя. Особенно молодым и пока здоровым. Или «сидеть» в телефоне не более 10-15 минут в день. Но зачем тогда эти амолед технологии, спрашивается?

Александр

Детям так точно не стоит часами в день сидеть за амолед-экранами. У меня был Galaxy A50 — вечером просто не мог дольше 20 минут смотреть в экран. Думал, может со мной что не так… )) А вообще, у OLED есть много преимуществ и если на минимальной яркости не залипать часами в экран, тогда можно смело пользоваться. Днем вообще вредное влияние то минимальное.

Егор

Не только амолед,ips тоже.Брал новый монитор Lg это просто выжигатель глаз.Поменял на Hp стало получше,но все равно глаза болят.От старого моника такого эффекта нет.

Ryu

производители зажрались))

Лэй Цзюнь

Ну!!! Apple 5-ваттные зарядки за 3 копейки кладет в коробку со смартфонами за 70 тыщ, Samsung, как оказалось, использует дешманский ШИМ, работающий на позорных 100 Гц! ДОКОЛЕ будет продолжаться этот беспредел!?

Егор

70 тыщ это было в 2014 сейчас все забуогорное дели на два.Вопросы надо задавать сам знаешь кому.У европейцев и американцев пока таких проблем мало с шим.Делаем выводы.