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闪烁——屏幕问题

在某种程度上,所有屏幕都会闪烁:无论是电视屏幕、汽车导航屏幕、显示器、平板电脑,甚至是智能手机屏幕都是如此。在本文中,我们将探讨什么是闪烁?哪些因素会导致闪烁(特别是在智能手机上)?以及DXOMARK如何对其进行测试、量化并评估其对最终用户体验的影响。

智能手机的测试装备:由计算机控制的闪烁计(DXOMARK工程师在非常黑暗的条件下进行测试)。
图片来源:DXOMARK; 仅用于说明

什么是闪烁?

闪烁是指屏幕的持续亮灭交替。闪烁的测量单位为赫兹(Hz),这是一种量化的振荡频率。虽然我们未必会察觉到闪烁现象,但就生理上而言,眼睛仍会对闪烁作出反应,虹膜会根据亮度变化而扩张和收缩。这种非自愿的生理反应可以解释我们头痛的原因,尤其是长时间观看屏幕后,眼睛会感到疲倦——因为眼睛一直在辛苦工作。(在黑暗的环境条件下观看屏幕时尤其如此,例如在不开灯的情况下在床上看书,我们将在下面说明原因。)

导致智能手机屏幕闪烁的原因是什么?

智能手机无处不在,但令人遗憾的是,手机屏幕(尤其是OLED屏幕)上的闪烁仍然是许多人面临的问题。那么,为什么智能手机屏幕会闪烁呢?请记住,智能手机的显示硬件基于LCD(液晶屏幕)或OLED(有机发光二极管)技术。LCD本身并不发光,而是用一条亮度极高的LED作为背光源,可以补偿LCD面板的低透射率(主要是由RGB彩色滤光片引起)造成的亮度衰减。反之,在OLED屏幕中,每个像素本身都是一个OLED,可以自行发光。

众所周知,智能手机屏幕由二极管(OLED,或LCD屏幕的LED)组成,下面我们将解释LED如何发光。由于二极管固有的物理特性,即通过改变电流(mA)调暗LED时,必定会影响LED色彩。那么手机制造商如何使屏幕变暗?它们利用一种称为脉冲宽度调制(PWM)的技术,可以用不同的脉冲频率使LED点亮和熄灭。但我们通常不会看到LED在点亮/熄灭之间切换(换句话说就是闪烁),因为大脑被愚弄了,整体上只感觉到屏幕调暗了(这种现象被称为“大脑平均效应”)。调暗的程度取决于LED熄灭与点亮的持续时间:熄灭的时间越长,屏幕看起来就越暗。

所以,虽然LCD和OLED屏幕的光源供电方式都不一样,但两种技术都会出现闪烁效应;不过,通常OLED屏幕的闪烁效应比LCD更明显。首先,OLED显示器和LCD显示PWM的频率范围不同–OLED屏幕的PWM频率范围为~50~500赫兹,而LCD的PWM频率开始于1000赫兹左右或更高。其次,由于人眼对闪烁的敏感度最高可达250赫兹(至少对大多数人而言),因此OLED屏幕比LCD更容易造成眼睛疲劳也就不足为奇了。

一个点亮/熄灭调制称为一个周期,而LED在一个周期内点亮的持续时间称为占空比。下图说明了不同的PMW如何影响感知的屏幕亮度:

PWM占空比在25%、50%、75%和100%的感知亮度水平。

使用PWM技术有一个显着的缺点:在非常暗或完全黑暗的环境光条件下,屏幕亮度调整到最低时,占空比周期非常短,而当LED熄灭时,此间隔则相应较长(例如,最低亮度可以转换为10%的占空比,这意味着LED在此周期90%的时间内是熄灭的)。在较低的PWM频率下,闪烁会变得更加明显,这也可以解释为什么晚上在床上阅读文本或观看视频时,会比在较明亮的条件下观看屏幕时更容易头痛,眼睛也更容易疲劳。

下面的视频是用Phantom VEO-E 340L摄像头在1500 帧/秒拍摄的(一如下面稍后的其他视频),放慢到4帧/秒来显示屏幕的脉冲宽度调制(PWM),即亮度以规律的方式慢慢减弱时,由黑线分隔的白色区域在屏幕上的延伸间隔。您可以看到左边的三星Galaxy S20 Ultra 5G与华为P40 Pro和Oppo Find X2 Pro的区别,前者的占空比为中等(约60%),后者的占空比较长(约90%;视屏中的黑线显示OLED被关闭,尽管时间很短)。

户外低光下三星Galaxy S20 Ultra 5G,华为P40 Pro, Oppo Find X2 Pro之间的PWM差异。

我们如何测量闪烁

那么DXOMARK如何测量闪烁?我们主要使用一种可被称为“闪烁计”的设备(具体来说,就是Westar Display Technologies的TRD-200),其用途在于测量亮度的快速振荡。我们的工程师遵循严格的基准来测量每个智能手机屏幕上的闪烁:我们在完全相同的黑暗环境照明条件下(<0.1勒克斯),将手机放置在与闪烁仪相隔同样距离的位置上,使用手机的默认设置对所有手机进行测试。我们在此图表上绘制输出结果(我们在屏幕评测中使用此结果对手机进行比较,最多可比较四款手机;请注意,单击图表底部图例中的手机名称,即可删除或重绘该手机的结果):

Flicker comparison

这个图表看起来很酷,但它意味着什么?我们应该怎么解读?首先请记住,这些结果与每款手机的PWM相关联,用于控制屏幕亮度的电力开/关循环。水平的X轴显示,闪烁计在时间推移下测得的振荡频率,单位为赫兹(Hz)。垂直的Y轴表示SPD(dB)功率谱密度,以分贝为单位,该功率大小对应于屏幕信号的一个频率。

闪烁图表中的第一个峰值出现在手机列出的刷新率上,但这是最大峰值(即最接近或超过0分贝的那个)。就闪烁而言,这一峰值很重要,因为这就是PWM频率(在这种情况下,三星 S20 Ultra)为241赫兹,华为是362赫兹,OnePlus则为481赫兹,另一款三星手机Note 20 Ultra为240赫兹。(顺便说一句,您几乎可以完全忽略图表上低于-40(dB)的值,因为这些值对应于测试噪声。)

下表显示了上面闪烁图的数值:

设备 刷新率(Hz) PWM频率(赫兹)
三星Galaxy S20 Ultra 5G 60 241
华为P40 Pro 90 362
OnePlus 8 Pro 120 481
Oppo Find X2 Pro 120 483
三星Galaxy Note20 Ultra 5G 120 240

下面的慢动作视频模仿了闪烁计测试的结果。需要注意的是,从左到右,设备滚动速度变得更快,显示了不同的PWM频率。

PWM:三星S20 Ultra 5G,华为P40 Pro,OPPO Find X2 Pro在低于0.1lux的环境拍摄

第二个极慢动作视频包括了三星Galaxy Note20 Ultra 5G,其刷新率为120赫兹。但有趣的是,它的PWM频率为240赫兹(如上面的闪烁图所示)。在Note20 Ultra 5G的视频中,您可以看到它一帧点亮(亮处)时,有五帧熄灭(暗处)。P40 Pro最终是一帧点亮,三帧熄灭;而Find X2 Pro则在一帧点亮,两或三帧熄灭之间变化着。综上所述,像三星Galaxy Note20 Ultra 5G这种刷新率极快,但PWM频率也许偏低的手机,在某些情况下会出现明显的闪烁现象。如果您对闪烁敏感,那么在此亮度级别和PWM频率下,您可能会在三星手机上察觉到闪烁,而在其他PWM频率较高的手机上则不会。

PWM:三星Galaxy Note20 Ultra 5G(240赫兹),华为P40 Pro(362赫兹),OPPO Find X2 Pro(483赫兹),
第四个设备,OPPO开启闪烁抑制功能,在小于0,1lux的黑暗空间拍摄。

您无疑会注意到上面视频右侧的两台Oppo Find X2 Pro手机之间的显着差异。Oppo手机受益于快速的PWM率,而最右边的照片更进一步显示了Find X2 Pro的闪烁抑制功能的强大效果(我们在当前基准中并未对此功能进行测试,但是我们的技术团队认为值得一提)。

请记住,在评鉴智能手机屏幕并为其评分时,我们的工程师的评鉴和评分不仅基于闪烁仪和其他仪器的客观测试,而且还基于经过专门培训的感知测试。

为了进一步说明闪烁,我们的工程师在平移导轨上安装了一个DSLR,在快速移动时,用慢速(1/10秒)拍摄了下面三个智能手机屏幕,以模仿PWM效果。在左侧的三星Galaxy Note20 Ultra 5G图像中,您可以看到每个个别的白点。在中间的华为P40 Pro上,个别白点之间的距离比较接近,但在很大程度上仍然明晰可辨。然而在OnePlus 8 Pro图像中,白点看起来更像一条连续的线。不出所料的是,当手机的白点之间的距离较远时(即PWM频率较低的手机),闪烁会更严重。

三星Galaxy Note20 Ultra 5G, PWM 为 240 Hz
华为P40 Pro,PWM为362
OnePlus 8 Pro,PWM为481 Hz

结论

综上所述,我们首先想指出,智能手机上的闪烁是由脉宽调制所引起的,这种调制会通过点亮和熄灭LED来控制屏幕的亮度级别由于我们通常是通过“周边视觉”而非“焦点视觉”(即我们眼睛的注意力)来感知闪烁,因此,与观看笔记本电脑屏幕或计算机显示器时相比,我们在体型小巧的智能手机屏幕上比较不可能看到闪烁(除非我们将手机放在距离眼睛很近的地方)。但是,当我们确实看到闪烁时,罪魁祸首就是PWM。虽然刷新率较高的手机可以减少闪烁现象,但如果手机的PWM很慢,那么无论如何,您都可能偶尔看到闪烁现象(如我们在三星Galaxy Note20 Ultra 5G上看到的那样)。

最后,请记住,有些人比其他人更容易察觉到闪烁。实际上,即使是那些无意识地察觉到闪烁的人,也可能对此产生反应例如在过度使用屏幕后会出现头痛或眼睛疲劳的问题。这些人可以购买带有LCD而非OLED屏幕的智能手机。如您在下表中所见,小米10T Pro位居数据底部。由于该手机使用LCD技术,因此PWM频率很高,从根本上消除了闪烁问题。

设备 面板技术 刷新率(Hz) PWM频率(赫兹)
三星Galaxy S20 Ultra 5G OLED 60 241
华为P40 Pro OLED 90 362
OnePlus 8 Pro OLED 120 481
Oppo Find X2 Pro OLED 120 483
三星Galaxy Note20 Ultra 5G OLED 120 240
小米10T Pro LCD 144 2360
该表显示了几款智能手机的刷新率和PWM频率,包括采用LCD技术的小米10 Pro。

但您可以放心的是,如果我们的测试人员真的发现了智能手机在其默认设置下有明显的闪烁问题,那么我们将会在“屏幕”评测中告知您。(顺便说一下,我们也会提到智能手机是否带有 “无闪烁 “功能或设置。)