PWM調光科普: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，都是我們的反對對象。潛台詞:它們都應該被扔進歷史的垃圾桶。

DC直流調光和高頻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螢幕(小米Note 2、Pixel 2 XL等機器)，都是我們的反對對象。愛搞機這次PWM科普的內容梗概:

上半篇，主要是閃爍的危害、PWM調光的定義和顯示器史上的一些坑;

下半篇，主要是如何評估低頻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。

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

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，打敗愛迪生的直流電那一瞬間，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(大陸正在用的頻率)和60Hz交流電占領了市場。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(熒光燈)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。

室內室外各種低頻閃爍的光源

這下明白為什麼室內拍的慢動作視頻，畫面會閃了吧。因為是真的再閃啊……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

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，常伴惡心、視覺紊亂

增加自閉症人的反復行為

視力衰弱包括:眼過勞、疲倦、視力模糊

寶可夢衝擊事件

近代最著名的「頻閃事故」，現在看回去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，日本電視台播放的寶可夢第38話《電腦戰士多邊獸(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，直接導致了日本全國出現了700例癲癇症(650例是兒童) 。

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。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，空降位置是18分51秒。雖然數字化之後，片源的精度和色彩，刺激性不如當年，但還是建議大家出發前注意安全，戴好安全帶再開車。

回到我們的主角PWM調光。PWM，全稱Pulse Width Modulation，翻譯過來就是脈沖寬度調制，說到底就是種把模擬信號調制成脈波的技術。它是一種廣泛使用的顯示器亮度控制方式，另外一種是DC直流調光(LED領域的CCR調光，為方便表示，下文統一用DC調光代稱)。

進入正題前得科普一下信號的兩大分類:

模擬信號，可以在0-100%之間有一系列值(接近無級變速)。

數字信號，特徵就是「0和1」，它只有開和關兩種狀態，要麼是0，要麼是100%。這是很Geek的兩個數字，畢竟人類整個IT體系，都是建立在邏輯電路「0和1」的控制之上的。

數字信號控制雖然成本低，但它最尷尬的地方是，只有斷電和通電，也就是0和1兩種狀態，就注定做不到模擬信號那樣的無級亮度調節了。那為什麼我們的螢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……

這種數字電路不能像模擬信號那樣做出連續的亮度調節，但通過閃爍來形成「載波」，然後控制「明和滅」的時間比值就能達到控制亮度的效果:

在每秒超過N次的閃爍中，需要的亮度越低，滅掉的時間占比就越高。例如，如果要把亮度調到10%，只要讓亮的時間占比達到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、亮度變化不偏色之外，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?答案是肯定的。

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離散的現象」。當我們閱讀或者視線從螢幕上移動時，因為頻閃效應，肉眼可以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。這里還能延伸出，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。

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螢幕經歷了畫面比例調整和分辨率的增長。畫面比例從5:4、4:3到16:10，最後定型在16:9。分辨率則從1280*1024到1400*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(冷陰極熒光燈管)到LED的轉變。CCFL因功耗、環保等多種因素，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」統治的可怕，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控制熄滅的時間里，它們仍然在發光)。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。

部分筆記本的螢幕參數與頻閃頻率

而被夾在桌面和手機之間，向來被噴沒有好面板的筆記本領域，還有一大堆在用低頻PWM調光的產品，有些是低亮度才會PWM，有些全程都在PWM。包括聯想、惠普、戴爾、小米等一大波筆記本廠商，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螢幕幾乎沒有受到過低頻PWM調光的困擾。即便部分手機LCD螢幕的亮度會有波動，但和OLED的頻閃完全不是一個層次的(本文的下半部會詳說其分別)。不過，就像當年桌面顯示器大規模使用PWM調光那樣，當三星和LG這些OLED廠商，人類又回憶起被PWM支配的恐怖……

如果說從16:9螢幕到18:9全面屏還算是進步，從全面屏到瀏海屏是倒退的話。那從OLED螢幕使用低頻PWM調光那一刻起，就已經倒退倒到坑里去了。

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。

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萬惡的頻閃PWM是什麼?人類顯示史，各種黑歷史