Что такое ШИМ и почему мерцает OLED? РАЗБОР
ШИМ, все вокруг говорят про ШИМ. Ну фиг знает — я его не вижу. Что хотите сказать, если понижу яркость дисплея, это как-то будет меня утомлять? Кажется тут есть в чём разобраться!
Сегодня мы объясним как на самом деле работает ШИМ. Узнаем сколько FPS видит человек, а сколько муха. Проведём тесты ШИМ на осциллографе. И, конечно, расскажем как избавиться от ШИМа на Samsung и на iPhone.
OLED дисплеи фактически во всём превзошли IPS. Но некоторые люди просто физически не могут пользоваться OLED, ведь они чувствуют усталость глаз, сухость и даже головные боли.
Почему так? Дело в том, что в отличие от большинства IPS-экранов большинство OLED-матриц мерцают. Примерно как дешевые люминесцентные лампы. И это не очень хорошо сказывается на зрении.
Но стоп! Лично у меня нет никаких проблем с OLED-дисплеями, да и мои друзья ходят с OLED и не жалуются.
Действительно, по статистике большинство (примерно 90%) людей не ощущают мерцания OLED-дисплеев. Мы даже провели опрос: Устают ли у Вас глаза от OLED дисплеев? Устают ли у вас глаза от IPS дисплеев? И получили вот такие результаты: примерно четверть — 27% сообщила, что у них глаза устают. Меньшинство, но всё же — четверть!
Тем не менее есть люди, которые не просто чувствуют ШИМ, но даже отчетливо его видят. Как так получается?
ШИМ в кинопроекторах
Чтобы ответить на этот вопрос давайте поговорим про кино. В старых кинопроекторах, в которых еще были бобины с плёнкой, крутили кино со скоростью 24 кадра в секунду.
Так вот, для того чтобы при смене кадров изображение не смазывалось и вы не видели момент перемотки пленки, в этот момент поток света перекрывался. Это приводило к адскому мерцанию, так как изображение постоянно обрывал «черный кадр».
Так как ускорить процесс смены кадров не было технической возможности киноделы придумали другой хак. Они стали перекрывать изображение дважды: не только во время смены кадра, но и когда на экране отображался статический кадр. Ммм. И какой в этом смысл?
Такое чередование изображения и дополнительных “черных кадров” позволяло искусственно увеличить частоту мерцания до 48 раз в секунду. Чего было достаточно, чтобы обмануть мозг. Видя постоянно мелькающую картинку, мозг просто «отключает» восприятия мерцания и мы видим плавную картинку. Кстати в немом кино, где использовалась частота 16 К/с, вообще перекрывали 3 раза и получилось мерцание — 48 раз в секунду.
Сколько мы видим кадров?
Этот невероятный эффект человеческого зрения называется порогом слияния мерцаний и этот порог равен 60 Гц. Это значит, всё что мерцает чаще чем 60 раз в секунду человек будет воспринимать как непрерывное изображение.
Кстати, у собак и кошек этот порог выше — в районе 70-80 Гц, а у мух так вообще 250-300 Гц.
Что же это получается, игровые мониторы 144 Гц и выше — это всё маркетинг? Нет, 60 кадров в секунду — это минимальный порог, при котором человек перестает видеть мерцание.
А люди с натренированным зрением, например, пилоты истребителей на тестированиях различают кадры, появившиеся на 4 мс. Что соответствует 250 кадрам в секунду. К хардкорным геймерам это тоже относится.
На самом деле есть исследования, где люди смогли различить и 480 к/с и даже больше в некоторых условиях.
Но в целом если верить ГОСТАм: Пульсация освещенности свыше 300 Гц не оказывает влияния на общую и зрительную работоспособность. ГОСТ Р 54945-2012
Зачем нужен ШИМ?
Итак, со зрением разобрались. Но зачем вообще мерцают OLED-дисплеи и на какой частоте?
Сначала ответим на вопрос “Зачем?”
Существует два способа регулировки яркости дисплея:
Первый и самый очевидный способ, при помощи понижения напряжения. Чем меньше мы подаем энергии на дисплей, тем меньше он светится.
Именно так регулируется яркость в большинстве IPS-дисплеев в наших смартфонах, ноутбуках и мониторах.
Но почему бы на OLED-дисплеях не делать также? На самом деле можно, и так даже делали раньше. Например в смартфоне LG G Flex 2 использовался именно такой подход. Но есть проблема! На OLED-дисплеях при уменьшении напряжения сильно страдает картинка. Возникает так называемый мура-эффект, более известный как эффект “наждачной бумаги”. Мы подробно рассказывали об этом в материале про OLED.
Поэтому чтобы избежать такой деградации изображения используется второй подход: регулировка яркости при помощи мерцания или ШИМ. ШИМ — это широтно-импульсная модуляция, или PWM по-английски. Это буквально значит — регулировка ширины, ну или длительности, импульса.
Так, стоп, что еще за импульс? Дело в том, что напряжение в дисплеях, использующих ШИМ, не постоянное, а прерывистое. Оно подаётся при помощи вот таких всплесков или импульсов.
Количество импульсов в секунду называется частотой и измеряется в Гц. А время, которое занимает каждый цикл пульсации, называется периодом.
К примеру, возьмем частоту 250 Гц, в этом случае период будет 4 мс. Частота и период — это фиксированные значения, и с изменением яркости дисплея они не меняются. А вот ширина каждого импульса — это как раз то, что мы можем регулировать. Это значение называется рабочим циклом, и он выражается в процентах.
Если рабочий цикл 100%, импульс будет длиться 100% своего периода, то есть 4 мс. Это соответствует 100% яркости дисплея. Если мы сократим ширину импульса до 50% или 2 мс, воспринимаемая яркость дисплея также упадет до 50%. А на яркости 1% фактически 99% будет отображаться просто черный экран, но наше зрение это интерпретирует как просто очень тусклую картинку. Получается, чем меньше яркость дисплея, тем более выражен эффект мерцания. И тем это вреднее для глаз.
Частота ШИМ в разных дисплеях
На самом деле ШИМ используется не только в OLED-дисплеях, но и в IPS. Но в отличие от OLED в IPS-экранах используют очень высокую частоту мерцания, свыше 2000 Гц. Естественно, столь быстрое мерцание не сможет заметить ни человек, ни муха. А значит и глазки уставать не будут.
А какая частота ШИМ в OLED?
Тут всё зависит от конкретной модели, но есть определенные закономерности. Во-первых, желательно чтобы частота ШИМ была кратной частоте обновления дисплея. Потому на 60 Гц или 120 Гц дисплеях, как правило частота ШИМ — 240 Гц, а на 90 Гц дисплеях 360 Гц.
Мы решили убедиться в этом самостоятельно и отправились в Санкт-Петербург. Там ребята из компании ЛЛС подготовили для нас осциллограф с высокоскоростным фотодетектором.
Так мы проверили на ШИМ на iPhone 11 Pro и Pixel 4.
Тесты показали, что iPhone 11 Pro, вопреки общему мнению, немного мерцает даже на максимальной яркости, с частотой 240 Гц. При снижении яркости до 50%, мерцание становится менее выраженным, а значит до этого момента на iPhone используется уменьшение напряжения. Ну а дальше в бой вступает ШИМ. На осциллографе очень хорошо видно, как при снижении яркости уменьшается ширина импульса, а значит увеличивается мерцание.
В Pixel 4 вплоть до 70% яркости мы не обнаружили ШИМа совсем, видно только обновление экрана 90 Гц. А дальше начинается ШИМ с частотой 360 Гц. Но так как частота обновления экрана в Pixel 4 после 40% падает до 60 Гц, видно как каждый четвёртый импульс немного скачет. Это потому что частота обновления не совпадает с частотой модуляции.
Samsung Galaxy A50:
На самом деле, частоту мерцания OLED-дисплеев можно увеличить, пусть не до 2000 Гц, но хотя бы до 500 Гц. Кстати, именно такая частота ШИМ была в древнем Windows Phone — Lumia 950. Но это удорожает производство, а так как страдающих людей мало, производители воровать у себя из кармана не готовы.
Кстати, практически все современные LCD-телевизоры тоже ШИМят на частоте 240 Гц. И в теликах этот эффект даже более заметен, чем в телефонах.
Разве что SONY не поскупились установить в свои LCD модели контроллеры управления яркостью либо совсем без мерцания, либо с мерцанием на частоте 720 Гц.
Как проверить ШИМ самому?
Но как проверить ШИМ на вашем телефоне, ноутбуке или телевизоре самостоятельно? Если у вас нет под рукой осциллографа с высокоскоростным кремниевым фотодетектором.
На самом деле очень просто! Вам нужно снять экран на видео в замедленной съемке 240 к/с или больше. Сейчас почти любой телефон так может. Если на всех значениях яркости вы не увидите мерцания в виде перемещающихся полос. Значит ШИМа нет.
Что такое DC Dimming?
Тем не менее проблема есть и первой её осознал Xiaomi, представив функцию DC Dimming в Black Shark 2 Pro. Эта тема настолько хорошо зашла, что очень быстро подсуетились OnePlus, OPPO и Huawei. И начиная с прошлого года во всех флагманах точно есть DC Dimming.
Само название расшифровывается как Direct Current Dimming, что переводится как затемнение постоянным током. Иными словами в этом случае яркость регулируется как и положено снижением напряжения.
СТОП! Но также нельзя! Картинка же убьется! На самое деле, так нельзя было делать раньше, потому как качество OLED-дисплеев оставляло желать лучшего. Но теперь всё иначе.
Уже давно многие производители стали использовать гибридный способ регулировки яркости. Например на iPhone до 50% яркости используется снижение напряжения, и только потом включается ШИМ. А телефоны с функцией DC Dimming пошли дальше и стали регулировать яркость исключительно снижением напряжения.
Да, включив DC Dimming на низких яркостях могут немного поплыть цвета и появиться шум. Но это совсем не критично.
И тесты показывают, что функция реально работает. Хотя колебания яркости и не сглаживаются полностью, всё равно такой подход позволяет многократно снизить нагрузку на наши с вами глаза.
По нашим замерам на Xiaomi Mi 10 ШИМ с включенным DC Dimming исчезает полностью! А значит ваши глазки смогут отдохнуть.
Убираем ШИМ для всех
Но что делать, если вам DC Dimming не завезли? Например у вас Samsung, который ШИМит даже на 100% яркости, или iPhone который начинает ШИМить на 50%?
На самом деле решение есть и оно программное. Имя ему экранные фильтры!
Android. Например, на любой Android можно поставить программу OLED Saver. Она умеет накладывать полупрозрачный серый фильтр поверх всего изображения. Регулируя прозрачность фильтра, регулируется яркость. Это программа умеет имитировать функцию автояркости. Можно довольно быстро из шторки регулировать прозрачность фильтра и настроить автозапуск после перезагрузки.
Не могу сказать что это очень удобно. Но может быть очень полезно, если любите позалипать в телефон перед сном в темноте.
iPhone. А на iPhone вообще есть специальный режим встроенный в систему. Он называется “понижение точки белого” и прячется в разделе “Универсальный Доступ”. Путь такой: Настройки > Универсальный доступ > Дисплей и размер текста > Понижение точки белого
А чтобы постоянно не лезть в настройки можно назначить включение режима на тройное нажатие кнопки питания с помощью такого пути: Настройки > Универсальный доступ > Быстрая команда.
В iOS 14 можно даже назначить тоже самое на постукивание по задней крышке. Но я бы не рекомендовал так делать, будут ложные срабатывания.
Ну и напоследок можно вынести ярлык с этой функцией в пункт управления. Для этого идём в Настройки > Пункт управления и перетаскиваем иконку “Команды для универсального доступа”.
Итоги
Что в итоге? ШИМ, конечно, зло. Хоть я его и не вижу, и мои глаза не устают, эта штука всё равно напрягает мозг. А с возрастом может появиться и усталость глаз.
С другой стороны, благодаря ШИМ вообще стал возможен прогресс в развитии технологии OLED. Если б его не было сидели бы мы на IPS и о всех прелестях классных OLED-дисплеев даже бы и не знали.
Очень надеемся, что DC Dimming станет стандартом и мы забудем о ШИМ в смартфонах и телевизорах точно также, как забыли о нём в настольных мониторах с появлением Flicker Free мониторов от BenQ. Это, кстати, та же самая технология что и DC Dimming.
В основу ролика легла статья с портала deep-review.com и материал Олега Афонина для журнала Хакер. Ребята проделали отличную работу, а мы продолжаем их дело.
Спасибо компании ЛЛС за оборудование и теплый приём в Питере! Очень приятно вместе с вами делать крутой науч-поп контент. На этом сегодня всё!
Источник
Что такое ШИМ в смартфоне
С развитием техники ШИМ (англ. PWM) в наше время получает особое место. Понятным языком рассказываем о том, что представляет собой этот процесс.
ШИМ (Широтно-импульсная модуляция) в англоязычной литературе обозначается как PWM (Pulse-width modulation). Основная задача данного процесса заключается в том, чтобы повышать КПД источника питания до максимально возможного значения и минимизировать потерю энергии.
Для того, чтобы ответить на вопрос «что такое ШИМ в смартфоне», нужно немного ознакомиться с принципом работы дисплея и регуляторов.
Немного теории
Представим себе небольшую схему из 3 элементов: источника питания, регулятора (например, какой-либо линейный резистор) и нагрузки. Задача первого элемента заключается в том, чтобы подавать мощность на нагрузку. Регулятор же необходим для плавного изменения этой мощности и передачи ее нагрузке только в том количестве, в котором это нужно (чтобы не расходовать все ресурсы).
Для регулировки яркости дисплея мы должны от источника питания подавать соответствующее напряжение на нагрузку. Но все дело в том, что используя обычные линейные регуляторы, большая часть этой подаваемой энергии просто рассеивается в виде тепла и не доходит до конечного пункта.
Инженеры задались вопросом, как можно снизить эти потери и увеличить КПД всей этой схемы, чтобы не терять большое количество мощности на регуляторе (резисторе), для которого коэффициент полезного действия составляет лишь 20-30%.
В качестве решения этой проблемы стали использовать не линейные, а импульсные регуляторы. При их использовании напряжение на дисплей подается не постоянное (как мы рассмотрели на примере выше), а импульсное. Каждый цикл пульсации имеет собственный период и частоту, которая измеряется в Герцах.
Рассмотрим процесс на графике. Простыми словами, «горки» – это и есть пульсации. Это те промежутки времени (выделены красным), в которые регулятор подает напряжение на нагрузку. Зеленые линии обозначают места, в которых напряжение не подается и, фактически, в эти моменты дисплей отключается. За счет такого чередования при работе импульсного регулятора удается достичь КПД в районе 90-95%.
Если простой линейный регулятор экономит энергию всегда, попросту рассеивая ее в качестве тепла, то импульсный пользуется хитростью человеческого глаза, при которой мы не замечаем мерцания с частотой свыше 60 Гц. Благодаря этому он экономит ресурсы, постоянно включая/отключая питание дисплея с частотами 150-400+ Гц.
Что нужно знать об этом
Выше мы ознакомились с принципом работы ШИМ. Для полноты картины стоит добавить, что рабочий цикл на графике соответствует уровню яркости дисплея. Например, 100% яркости – 100% рабочего цикла. Отсюда следует, что чем больше продолжительность одной пульсации, тем меньше их приходится на определенный промежуток времени.
Например, вы смотрите на экран 10 секунд, ни на что не отвлекаясь. Посчитаем, что на устройстве установлен дисплей с уровнем мерцания 400 Гц (значит период 1 импульса равен 0,0025 сек.) и установлена яркость 50%. Как мы уже выяснили, процент яркости = проценту рабочего цикла, значит за все время, что вы смотрите на дисплей, ровно 5 секунд на него вообще не будет подаваться питания.
Но учитывая особенности нашего зрения и частоту в 400 Гц, которая неуловима для человеческого глаза, для наблюдения картинки в течение всех 10 секунд нам хватит 4000 импульсов продолжительностью 0,00125 секунд (так как яркость мы установили в 50%, что в 2 раза меньше максимальной, то и «ширина», а именно период, также уменьшился в 2 раза), которые равномерно разбиваются на протяжении всего времени.
Такая интересная особенность работы наблюдается в OLED дисплеях и ее производных: AMOLED (в том числе Dynamic, Super и пр.), POLED. Чтобы не соврать, стоит упомянуть, что и в IPS-дисплеях применяется такая технология, но в случае с такими матрицами об эффекте ШИМа говорить не приходится, так как частоты мерцания там запредельно высокие (около 4000 Гц), что незаметно для нас в любых условиях.
Лучшие смартфоны без мерцания
Самое время поговорить о наиболее безопасных смартфонах, мерцание экрана на которых меньше всего заметно человеческому глазу. Как мы знаем, наше зрение не способно улавливать смену кадров со скоростью более 60 Гц. То есть пульсацию при 70, 80, 90 и более герцах мы уже не различим. Но для мозга потолок отодвигается немного выше и составляет примерно 300 Гц.
И если глаза, например, уже на 65 Гц не будут отличать импульсы и смену кадров, то мозг все еще будет фиксировать это. Поэтому если вы хотите обезопасить себя от эффекта ШИМ на смартфонах с AMOLED, OLED, POLED матрицами, лучше поискать информацию об уровне мерцания. Нежелательно, если этот показатель находится на отметке ниже 300 Гц.
Есть и модели с уровнем мерцания в районе 250 Гц, но ввиду особенности процесса ШИМ, на малой яркости использование устройства может доставлять вам дискомфорт (ширина пульсаций уменьшится вслед за рабочим циклом, но это придется компенсировать большим числом этих самых пульсаций и, как следствие, большим мерцанием).
Примечательно, что даже на устройствах крепкого среднего класса или вовсе на дорогих флагманах производители нередко экономят в этом плане. Например, уровень мерцания на OnePlus 9 Pro составляет лишь 192 Гц, тогда как на относительно бюджетном OnePlus Nord этот показатель находится в районе 367-368 Гц. Будьте внимательны, если вы по-настоящему беспокоитесь за свое зрение.
Самыми безопасными в этом плане смартфонами на данный момент являются:
Как избавиться от мерцания
Есть несколько советов, которыми вы можете воспользоваться, если чувствуете дискомфорт от мерцания дисплея во время использования своего устройства.
Самый простой и банальный совет – замена девайса. Приобретите смартфон с IPS-матрицей или, если вам важно наличие OLED/AMOLED/POLED, присмотритесь к тем, что мы выделили выше. Это относительно безопасные гаджеты, уровень мерцания на которых превышает отметки в 300, а то и в 400 Гц, что не уловимо даже человеческим мозгом.
Также помните, что негативный эффект будет увеличиваться пропорционально уменьшению яркости экрана. Кроме того, можно воспользоваться несколькими полезными приложениями, накладывающими особый фильтр и автоматически управляющими этим параметром.
Источник
Что такое шим в смартфоне
Шим (расшифровывается как широтно-импульсная модуляция) – это одна их технологий в смартфоне для изменения подсветки дисплея. Она применяется для того, чтобы изменить яркость светодиодов и уменьшить их свечение на дисплее смартфона. Принцип работы шим в смартфоне заключается не в изменении мощности светодиодов, а в создании импульсов при постоянной частоте.
Как работает шим?
У каждого дисплея есть светодиоды, которые светятся чтобы человек мог видеть изображение на экране телефона. Все лампочки имеют собственную мощность, но это постоянная величина, которая не может меняться на ходу. Именно поэтому изменить яркость дисплея в смартфонах не всегда получается, просто уменьшив интенсивность свечения каждого светодиода. В этом случае прибегают к использованию шим.
Шим изменяет яркость за счет мерцания светодиодов. То есть, каждая лампочка в смартфоне начинается быстро включатся и выключатся. Это происходит настолько быстро, что человеческий глаз не видит этого. Исходящий свет смешивается и создается впечатление, будто картинка стала менее яркой. На самом деле яркость каждого светодиода неизменна, меняется только диапазон между включением светодиодов и их выключением.
Шим работает сильнее при минимальной яркости. На максимальной яркости все светодиоды не нуждаются в импульсах, поэтому в таком случае шим вообще не включается. Он активируется только когда яркость дисплея меняется. Чем меньше яркость, тем больше создается пауза между выключением и включением светодиодов.
Вреден ли шим для человека?
Да. Шим человеческий глаз не видит даже если присмотреться очень сильно. Человек в любом случае видит, будто экран стал менее ярким. Но глаз всё ровно воспринимает шим. Поэтому при длительном использовании смартфона с шим глаз может реагировать на это.
Последствия не такие критичные. Обычно шим приводит лишь к боли в глазах, их покраснению и головокружению при очень долгом и непрерывном использовании дисплея с шим на минимальной подсветке. Долгое использование измеряется несколькими часами без отдыха. Более серьезных последствий от шим обнаружено не было. Прямой связи между плоим рением и шим также обнаружено не было, однако то, что шим может ухудшать зрение – факт. Всё, что приводит к боли в глазах, портит их.
Интересно, что многие люди невосприимчивы к шим и могут вообще никак на него не реагировать. Но есть и те, для которых смартфоны с шим недопустимы к использованию на яркости менее 25%. Если использовать смартфон на яркости 50% и выше, то о чем-то беспокоится не стоит никому.
В каких смартфонах используется шим?
Шим есть только в смартфонах с применение органических светодиодов. Это все OLED матрицы. К ним относятся экраны AMOLED, которые в 2019 году получают всё большую популярность. Сейчас такой тип матрицы получает все большее распространение даже в бюджетных смартфонах. Из премиальных устройств почти не осталось смартфонов не с AMOLED дисплеями. Поэтому спрятаться от шим вряд ли получится, потому что смартфонов с другой технологией всё меньше и меньше.
Почему так много смартфонов стали использовать AMOLED, несмотря на шим? Потому что эта технология дешевеет, при этом обладает очень серьезными преимуществами со своим главным конкурентом – IPS. IPS всё ещё стоит дешевле и он более безопасен для человека, но у AMOLED есть свои преимущества, такие как:
Как решить проблему с шим в OLED дисплеях?
Недавно компании, производящие смартфоны, стали выпускать новую функцию для своих устройств с шим – функцию DC Dimming. Эта функция почти полностью избавляет дисплей от шим, при этом оставляет все преимущества AMOLED. Но шим не пропадает полностью. Эта функция при изменении яркости ограничивает ток, подаваемый на светодиоды, что приводит к изменению интенсивности подсветки. Но меньшее количество тока вредит качеству изображения, поэтому технология DC Dimming неидеальна. При включении DC Dimming создаются артефакты на сером градиентном цвете, например, на как этих фотографиях:
Эта технология программная. Её можно просто включить в настройках и сразу заметить результат. Сейчас почти все производители обновили свои смартфоны с AMOLED, добавив туда эту функцию. А новые смартфоны с AMOLED уже сразу продаются с возможности включить DC Dimming через настройки.
Шим полностью победить не удалось, но его последствия уже совсем крошечны. Да и резонанс, созданный вокруг шим, не стоит того. Шим не настолько сильно вреден для человека, сколько об этом говорят. Подавляющее большинство пользователей не подозревает о таком эффекте и чувствует себя нормально, используя смартфоны с АМОЛЕД-матрицами. Главное не клацать на смартфоне очень долго и не брать его перед сном –тогда никакой шим не помешает комфортной эксплуатации гаджета.
Источник
