【无极调光】人类显示器的黑历史！三星AMOLED屏的PWM调光到底是什么？

开始波动之前先发表声明。我们的“LCD教育”、“OLED联盟”都可以统称为“反低频PWM联盟”。

我们反对的是低频的PWM调光，而不是其他显示技术。

我们不是针对谁，无论是LCD，是OLED，还是灯管，任何使用低频PWM调光的显示和照明设备，都是我们的反对对象。潜台词：它们都应该被扔进历史的垃圾桶。

DC直流调光和高频PWM设备，都是我们的盟友。但现在满街跑的三星AMOLED、中低端笔记本和桌面显示器、以及数目稀少但也是在闪的LG p-OLED屏幕（小米Note 2、Pixel 2 XL等机器），都是我们的反对对象。爱搞机这次PWM科普的内容梗概：

上半篇，主要是闪烁的危害、PWM调光的定义和显示器史上的一些坑；
下半篇，主要是如何评估低频PWM的危害程度、个人检测PWM的方法和A屏时代的护眼生存指南。

万恶的频闪

这次的故事起点放高一点，直接从显示器出现之前开始说。而这篇科普的核心是“频闪”二字。“人工照明的历史，就是闪烁的历史”，这个真的一点都不夸张。从特斯拉的交流电，打败爱迪生的直流电那一瞬间，仿佛就决定了人类照明的闪烁史。因为，所有在交流电源下工作的光源都会闪烁……

50Hz的交流电

1891年开始，人类开始大规模使用多相交流发电机，最后50Hz（我国正在用的频率）和60Hz交流电占领了市场。交流电的频率，决定了从古董的钨丝灯，到现在大部分家用日光灯（荧光灯）的闪烁频率都是100Hz，即每秒闪动100次（50Hz的正弦交流电，每秒有50次波峰和波谷，并经过零点100次）。

不同LED产品的频闪

而曾经被寄予厚望的LED光源，因为厂家的驱动电路不同，有非常复杂的频闪形态。如果加上调光功能，其频闪种类就更加多，更加复杂了。当然，好的产品是可以做到不闪或者闪动极其轻微的。但LED产品价格暴跌之后，不少厂家都用简单的驱动电路，导致频闪状况恶化。

室内室外各种低频闪烁的光源

这下明白为什么室内拍的慢动作视频，画面会闪了吧。因为是真的再闪啊……除了被人类有意无意的看到闪烁之外，甚至连超市的扫描枪都会受灯光闪烁而影响识别率。

根据国际照明协会技术报告CIE TN006-2016定义，闪烁可以分为“闪烁、闪烁效应和幻影效应”3种，后两者分别指观察物体和观察者移动时的物理效应。为了简化说明，下面统一称为闪烁和频闪。

人眼对闪烁频率的敏感度曲线

不同人类对频闪的敏感度很大的差异，甚至有“闪动敏感体质”的说法。人类最敏感的频率是8.8Hz，随后不停下降。大部分人在80Hz之后就看不出闪烁了，但即便如此，仍有部分人会因此觉得眼睛累、眼睛痛。2015年的电气和电子工程师协会文档IEEE Std 1789-2015指出，照明闪烁会产生潜在不利影响：

光敏性癫痫或闪烁光诱导的癫痫发作（0.1%人口）
偏头痛或严重的头痛，常伴恶心、视觉紊乱
增加自闭症人的反复行为
视力衰弱包括：眼过劳、疲倦、视力模糊

宝可梦冲击事件

近代最著名的“频闪事故”，现在看回去都有种都市传说的气息了，而且谁能想到主角居然是宝可梦《 Pokémon》……1997年12月16日，日本电视台播放的宝可梦第38话《电脑战士多边兽（3D龙）》，为了渲染电脑世界中的战斗，大量使用12Hz的红蓝闪光展示爆炸场面，直接导致了日本全国出现了700例癫痫症（650例是儿童）。

该事件史称“宝可梦冲击”，它让宝可梦这个看起来人畜无害，深受世界喜爱的动画，享受到了被勒令停播的待遇，直到第二年的4月16日才从第39话继续播。无独有偶，2007年的伦敦2012年宣传预告片、2011年的《暮光之城：破晓》都有因色块闪烁，导致观众癫痫发作的事件。

感兴趣的话，可以自行到视频网站观摩宝可梦的第38话，空降位置是18分51秒。虽然数字化之后，片源的精度和色彩，刺激性不如当年，但还是建议大家出发前注意安全，戴好安全带再开车。

PWM是什么?

回到我们的主角PWM调光。PWM，全称Pulse Width Modulation，翻译过来就是脉冲宽度调制，说到底就是种把模拟信号调制成脉波的技术。它是一种广泛使用的显示器亮度控制方式，另外一种是DC直流调光（LED领域的CCR调光，为方便表示，下文统一用DC调光代称）。

进入正题前得科普一下信号的两大分类：

模拟信号，可以在0-100%之间有一系列值（接近无级变速）。
数字信号，特征就是“0和1”，它只有开和关两种状态，要么是0，要么是100%。这是很Geek的两个数字，毕竟人类整个IT体系，都是建立在逻辑电路“0和1”的控制之上的。

数字信号控制虽然成本低，但它最尴尬的地方是，只有断电和通电，也就是0和1两种状态，就注定做不到模拟信号那样的无级亮度调节了。那为什么我们的屏幕能无级调节亮度呢？因为聪明的人类发现肉眼反应速度有限，且有脑补作用。只要光源“明灭”切换速度够快，肉眼就察觉不出来了。PWM调光就这样粉墨登场了……

这种数字电路不能像模拟信号那样做出连续的亮度调节，但通过闪烁来形成“载波”，然后控制“明和灭”的时间比值就能达到控制亮度的效果：

在每秒超过N次的闪烁中，需要的亮度越低，灭掉的时间占比就越高。例如，如果要把亮度调到10%，只要让亮的时间占比达到10%即可。虽然听起来有点鸡贼，但PWM调光的优点还挺多的，结构简单、精度高、亮度变化不偏色之外，还省电、发热低。人类乃至地球上的大部分生物的眼睛，都是在连续的自然光下演化而来了，用闪烁这种视觉欺骗的方式调节亮度，会不会翻车呢？答案是肯定的。

虽然上面提到，大部分人无法察觉超过80Hz的闪烁，但余光部分其实可以检测到更高频率的闪烁，神经系统和大脑皮层可以检测到160Hz的刺激，视网膜更加敏感，可以对200Hz的闪烁做出反应。这些都曾被证实可以造成头痛、偏头痛和疲劳。

回顾国标给频闪的定义（根据IEEE的说法，其实这个是“频闪现象”的定义）。频闪，就是在“闪烁光源下，观察连续运动物体时，本应连续的图像出现离散的现象”。当我们阅读或者视线从屏幕上移动时，因为频闪效应，肉眼可以察觉到数百赫兹的闪烁。

课外阅读：同样利用人眼生理特性来“欺骗”视觉的例子，最著名的肯定是每秒24帧的电影了。这里还能延伸出，为什么电影24帧就够了，但游戏要60帧起步呢？感兴趣的话，可以戳我们的陈年科普《经典科普：为什么电影24帧就行，但游戏要60帧？》。

人类显示史，各种黑历史

历史上每次显示设备转变都出过坑。如果你的年纪够大，想必你还会记得以前那些又大又重的CRT（阴极射线管）电视和显示器。以前除了阴极射线管扫描速度导致的一些画面闪动外，印象中的它们，是不是画面特别通透？特别绚丽？

后来出现的LCD显示器，除了体积外，都是被CRT按在地上全方位地摩擦的货。早期的桌面LCD因背光不行，导致色域覆盖不行，可视角度更加是个大坑。更可怕的是，当时LCD还更贵，但无奈它体积小，帅啊（当时人类的态度，就像现在看真·全面屏的手机一样。帅，真的可以为所欲为）。

等了5、6年，主流LCD的背光追上来、IPS面板的大规模使用，画质表现才勉强追了上来。期间桌面LCD屏幕经历了画面比例调整和分辨率的增长。画面比例从5:4、4:3到16:10，最后定型在16:9。分辨率则从1280*1024到1400*900，最后定型在1920*1080。

在2010年上下，LCD显示器的背光源经历了从CCFL（冷阴极荧光灯管）到LED的转变。CCFL因功耗、环保等多种因素，在随后的2、3年被多个国家和地区明令禁止生产。然后，人类第一次感受到被“LED+低频PWM调光”统治的可怕，大量用户发现新显示器看着更加伤眼、累眼，甚至出现囤CCFL显示器过日子的梗。

风扇测频闪大法

如果你的年纪够大，应该还会记得国内曾经流行过挥手、铅笔和风扇看频闪的测试方法。已经掉进历史垃圾桶的CCFL背光显示器，它们的PWM调光频率几乎都是175Hz，但它们有明显的余晖效应（PWM控制熄灭的时间里，它们仍然在发光）。而后来出现的LED背光显示器，沿用了低频PWM调光，频率通常在180-420Hz之间。但因为LED这种光源的响应速度很快，余晖效应接近于0，其频闪严重到已经可以产生“频闪效应”了（即能像高速摄影一样定格移动物体的画面）。