Что такое ШИМ в смартфоне. Что такое шим в смартфоне

Что такое шим в смартфоне - По итогу берите OLED и не беспокойтесь Как понять, мерцает ли экран при покупке? ШИМ в кинопроекторах Что говорят учёные. Чувствительным станет плохо даже от моря Вреден ли шим для человека?

У OLED есть один недостаток, даже в iPhone. Если яркость экрана низкая, некоторые люди замечают лёгкую пульсацию дисплея, от которой никак не избавиться.

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

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.

Сегодня, включение DC Dimming на смартфонах различных производителей происходит по-разному. Где-то требуется вводить специальный код или устанавливать приложение, а где-то это можно сделать через настройки.

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%.

Что такое ШИМ в смартфоне

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.

Что такое ШИМ в смартфоне

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.

Что такое ШИМ на смартфоне

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.

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.

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.

Оцените статью
levsha71.ru