ШИМ в дисплеях смартфонов — что нужно знать? | AndroidLime

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.

Почему технологию шим продолжают использовать?

Дело в том, что цифровые контроллеры гораздо меньше по размеру, чем аналоговые. А, значит, устройство можно делать более тонким и легким. Таким образом, в погоне за элегантным дизайном и снижением веса устройства производители считают, что с недостатками технологии вполне можно мириться.

Если вы заметили, что ваши глаза сильно устают после долгой работы за ноутбуком, компьютером или даже мобильным устройством, попробуйте увеличить яркость экрана. Часто пользовали идут по прямо противоположному пути: снижают яркость, тем самым делая мерцание еще более заметным.

Контролировать время проводимое за гаджетом полезно, прочитайте в нашем материале, как это сделать.

Часть 1. почему amoled-экраны мерцают, а ips — нет?

В чем же заключается принципиальная разница между свечением IPS- и AMOLED-экранов, если сегодня везде используются светодиоды? Даже в «читалках» на электронных чернилах (e-ink) иногда используется подсветка на светодиодах.

Как вы знаете, IPS-экран не светится сам по себе и если бы под ним не размещалась лампочка, мы бы не увидели никакой картинки.

Во всех современных смартфонах с IPS-дисплеями установлены светодиоды (LED). Такие лампочки светят условно белым светом, а каждый отдельный пиксель дополнительно накрывается цветным фильтром — стекляшкой одного из 3 основных цветов (красного, зеленого и синего).

Когда белый свет от LED-лампочки проходит через зеленую стекляшку, точка на экране горит зеленым цветом, а когда через красную — мы видим красный пиксель:

Чтобы на экране показать оранжевую точку, нам нужно пропустить максимальное количество белого света через красную стекляшку; почти вдвое меньше света — через зеленую стекляшку и совсем чуть-чуть света через синий фильтр.

Так как эти отдельные точки находятся очень близко друг к другу, мы не сможем различить отдельные цвета и на нашей сетчатке они сольются в единый оранжевый цвет:

Если же нам просто нужно снизить общую яркость экрана, мы снизим количество излучаемого лампочкой света.

И главный вопрос заключается в том, как именно происходит это снижение яркости. Можем ли мы просто пропустить меньше тока через светодиод? Запросто! Понижаем напряжение и вот наши лампочки уже горят тусклее.

Собственно, именно так и работает управление яркостью на подавляющем большинстве смартфонов с IPS-экраном.

Но OLED-дисплеи работают иначе. Им не нужны никакие цветные фильтры и белые лампочки. Каждый пиксель — это и есть отдельный органический светодиод, излучающий один из трех основных цветов.

Соответственно, если мы хотим отобразить оранжевую точку на AMOLED-экране, нужно включить яркость красной лампочки на максимум, немного снизить яркость зеленого светодиода, а синий практически выключить:

И вот тут-то нас ожидает неприятный сюрприз. Оказывается, нельзя без последствий просто взять и пропустить меньше тока через органический диод, как мы делали в случае с белыми светодиодами IPS-экрана.

К сожалению, OLED-лампочка меняет свой оттенок в зависимости от подаваемого тока.

Возьмем, к примеру, зеленый светодиод. При пропускании через него тока в 20 мА, он начинает излучать свет, длина волны которого равняется примерно 525 нанометрам (напомню, воспринимаемый глазом цвет зависит исключительно от длины волны).

Как же с такими светодиодами можно добиться точной цветопередачи? Если мы не можем изменять яркость отдельной лампочки, регулируя напряжение или силу тока, нужно придумать другой способ.

И решение оказалось очень простым. Нужно всегда подавать на каждый пиксель один и тот же ток — 20 мА, чтобы все лампочки горели на максимальной яркости и не меняли свой оттенок. Но делать это необходимо порциями, скажем, 100 раз в секунду. Делим 1 секунду на 100 и получаем 10 миллисекунд — это и будет длительность каждой «порции» (или цикла подачи тока).

То есть, мы отсчитываем 10 миллисекунд и начинаем подавать максимальный ток на диод в течение какого-то времени, затем выключаем ток. Как только 10 мс закончились, снова подаем ток и отсчитываем следующий 10-мс цикл.

Если мы захотим, чтобы красная лампочка горела максимально ярко, мы вообще не будем ее выключать в течение каждого 10-миллисекундного цикла. Получится что-то вроде этого:

А если мы захотим снизить яркость какого-то светодиода до 20%, нужно просто сократить в 5 раз время свечения лампочки в течение каждого цикла:

Таким образом, красный светодиод включается на максимальной яркости (ток — 20 мА) и светится в течение 2 миллисекунд, затем отключается и не горит в течение 8 мс. Как только 10-мс цикл закончился, мы снова включаем лампочку на 2 мс и выключаем на 8 мс. Другими словами, лампочка горит только 20% от общего времени.

Этот трюк работает благодаря одному интересному свойству нашего зрения под названием критическая частота слияния мельканий (КЧСМ). Глаз способен уловить отдельные мерцания света, если они происходят с частотой ниже 100 Герц, то есть, когда свет включается и выключается менее 100 раз в секунду2.

Но когда скорость включения/выключения превышает эту цифру, мы не ощущаем мерцания и нам кажется, что экран светится непрерывно, только более тускло.

К примеру, экран iPhone 12 Pro Max имеет разрешение 1170 x 2532 пикселей, суммарно это более 7 млн отдельных OLED-лампочек! И микропроцессор управляет яркостью каждой из них, контролируя время и продолжительность ее включения/выключения.

Каждый такой светодиод должен поддерживать сотни и даже тысячи уровней яркости (изменяемых пульсацией), чтобы отображать всевозможные цвета и оттенки.

Что такое шим дисплея?

Современные OLED-экраны отличаются максимально глубоким черным цветом, высоким разрешением и повышенной яркостью (подробное описание технологии здесь. Если использовать гаджет на максимальной яркости, никаких проблем не возникнет — нагрузка на глаза будет минимальная.

Другими словами, при снижении яркости экран начинает мерцать. Человеческий глаз не замечает резкие скачки яркости, но именно из-за этого у многих людей появляется дискомфорт через некоторое время использования гаджета, который выражается в головных болях и усталости глаз. Чем выше частота мерцания дисплея, тем сильнее она воспринимается.

Производители гаджетов знают о существовании проблемы, поэтому они начали использовать технологию DC Dimming — она значительно снижает нагрузку на глаза, так как мерцание дисплея становится менее заметным. DC Dimming контролирует уровень напряжения, которое подается на отдельные пиксели дисплея. Чем ниже напряжение, тем меньше яркость, благодаря чему дисплеи практически не мерцают.

Главная проблема OLED-экранов: при смене напряжения пикселей начинается искажение цветов, из-за чего использовать гаджет становится еще менее комфортно. Пока что DC Dimming используют в качестве эксперимента. Вероятно, в скором времени производители смогут избавиться от проблемы мерцания дисплея и головных болей.

«мы ничего не нашли…»

Если мы почитаем последний официальный отчет7 научного комитета Еврокомиссии по вопросам здоровья (от 5 июня 2022 года), то увидим очень интересный вывод касательно мерцания света на высокой частоте:

Хотя мы и не нашли исследований на эту тему, есть утверждения, что некоторые люди очень чувствительны к модуляции света с частотой около 100 Гц, вызывающей такие симптомы, как головные боли, мигрень и общее недомогание.

European Commission, SCHEER, 5-6 June, 2022

И еще из этого же отчета:

Возможно, некоторая восприимчивость к высокочастотному (100 Гц и выше) мерцанию может быть связана с фантомным массивом, даже если этот массив не воспринимается.

European Commission, SCHEER, 5-6 June, 2022

Это кажется забавным, что не нашлось ни единого исследования, посвященного проблеме, о которой говорит «весь интернет». Тем не менее, Еврокомиссия немножко лукавит, намекая на фантомные массивы.

Еще в конце прошлого века эксперименты8 доказывали, что человек способен различить отдельные мерцания света с частотой 200 Гц, то есть, когда ШИМ работает циклами по 5 миллисекунд (лампочка загорается на 1 мс каждые 5 мс).

Электроретинограмма прямо показывает9, что сетчатка фиксирует модуляцию света на частоте до 200 Гц и обрабатывает этот сигнал, хотя он и превышает в разы тот «максимальный» предел, осознаваемый человеком (60-70 Гц).

Другими словами, в медицине есть такое понятие, как невидимое, но оказывающее определенное влияние, высокочастотное мерцание света.

В сравнении человеческой сетчатки с матрицей камеры я говорил о том, что наш глаз имеет очень низкое разрешение. Но «картинка» в целом выглядит четкой благодаря саккадам — быстрым согласованным движениям глаз.

Вы наверняка слышали о так называемом «карандашном тесте», когда перед источником света (экраном или лампочкой) начинают очень быстро размахивать карандашом в стороны. Если след от карандаша кажется нам размытым, значит, свет не мерцает. Но если появляются четкие контуры карандаша, значит, подсветка регулируется при помощи ШИМ, то есть, свет от источника мерцает:

Примерно то же происходит, когда объект неподвижен, а глаза совершают саккады, сканируя быстрыми рывками изображение (например, при чтении текста с AMOLED-экрана). В результате на сетчатке строятся отдельные четкие копии одного и того же изображения с небольшим смещением вместо необходимого размытия.

Dc dimming против шим или как регулировать яркость amoled без мерцания.

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.

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.

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 2022 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.

Смартфоны с матрицей IPS не имеют шим, там используется изменение яркости лампочки с помощью контроля подаваемой мощности. Такие дисплеи наибольее безопасны.

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:

• Глубокий черный цвет. У АМОЛЕД матриц каждый пиксель может выключаться отдельно, это позволяет при черном цвете полностью выключаться светодиодам и выдавать качественный черный цвет. В IPS подсветка не может быть включена частично.
• Высокая контрастность и сочность изображений;
• Лучшая энергоэффективность. AMOLED намного меньше потребляет заряда батареи смартфона, к тому же не тратит заряд для подсветки черных участков, так как они выключаются;
• AMOLED матрицы тоньше, чем IPS и позволяют делать корпус смартфона компактнее;
• AMOLED может изменять форму, быть прозрачным или изгибаться. Это производители используют для создания изогнутых граней, тонких рамок или раскладных смартфонов вроде Galaxy Fold.

Дело не столько в частоте…

Логика подсказывает, что частота — это не единственный параметр, от которого зависит степень мерцания. Важно то, как долго в течение одного цикла будет гореть лампочка.

На максимальной яркости мерцания не будет совсем, даже если частота при этом будет низкой. Ведь в этом случае лампочка горит 100% времени всего цикла. А вот при низкой яркости светодиод может гореть всего 10% от времени цикла. Получается, большую часть времени экран выключен и отдельные вспышки света выделены отчетливее:

Также производитель может комбинировать снижение яркости как при помощи модуляции (мерцанием), так и снижая напряжение. К примеру, до определенного уровня яркость снижается током (искажение цвета не заметно без приборов), а дальше включается модуляция, т.е. дисплей начинает быстро включаться и выключаться.

Важную роль играет и глубина модуляции света — то есть, разница между максимальной и минимальной яркостью работы светодиода. В некоторых случаях (например, в LED-подсветке IPS-экранов с использованием люминофора), яркость может не опускаться до нуля из-за послесвечения люминофора.

Чтобы не учитывать и не отслеживать отдельно все эти параметры, используется одна единственная характеристика, которая и отображает степень мерцания — это коэффициент пульсации, рассчитываемый по очень простой формуле3:

K = 100 * (Eмакс — Eмин) / 2 * Eср

Где K — это коэффициент пульсации, Eмакс — максимальная яркость экрана (когда на светодиод подается ток), Eмин — минимальная яркость (когда ток не подается), Eср — среднее значение яркостей за один цикл.

Например, если ШИМ работает с частотой 100 Гц (то есть, каждый цикл длится 10 мс), максимальная яркость экрана равняется 400 нит, минимальная — 0, а яркость на смартфоне при этом выставлена на 50% (то есть, светодиод горит в течение 5 мс и еще в течение 5 мс выключен), тогда коэффициент пульсации рассчитывается так:

K = 100 * (400 — 0) / 2 * 200 = 100%

Коэффициент пульсации в этом примере равен 100%. Это значит, что экран половину времени просто выключен. Такое мерцание считается очень высоким. Если же коэффициент пульсаций равняется 0%, значит экран светится непрерывно и мерцание полностью отсутствует. Такое значение показывают практически все смартфоны с IPS-экранами и многие читалки на электронных чернилах (e-ink).

Коэффициент пульсации может запросто превышать 100%. Для этого нужно, чтобы светодиоды большую часть времени не светились. Например, если они будут загораться на 2 мс и затем не светиться в течение 8 мс, то коэффициент пульсации составит 500%.

Этих знаний достаточно для того, чтобы перейти к сути проблемы.

Многие люди уверены в том, что мерцание AMOLED-экранов — не более, чем психическое расстройство. Дескать, мнительные люди начитались страшилок в интернете и теперь им везде мерещится это мерцание.

На самом деле такое заблуждение связано с тем, что человек не понимает разницы между ощущением и восприятием. Ощущение — это любое воздействие на органы чувств, которое мы осознаем. Но есть вещи, которые организм воспринимает, но мы этого не ощущаем осознанно.

Мерцание замечают практически все люди, если его частота не очень высокая (в среднем, не выше 60-70 Гц). Такое ощутимое мерцание не просто вызывает дискомфорт, но и в редких случаях может стать причиной светочувствительной эпилепсии. Тысячи отдельных нейронов мозга на короткое время начинают активироваться синхронно с определенной периодичностью, что приводит к эпилептическому припадку4.

Если вы впервые слышите о синхронизации нейронов, обязательно почитайте нашу статью о фазах сна, которые пытаются отслеживать фитнес-браслеты. Там эта тема раскрыта более подробно.

Но AMOLED-экраны работают на частотах, в 5 раз превышающих порог слияния мерцаний, поэтому дело здесь должно быть в чем-то другом.

Итак, технология шим в телефонах, нужна или нет?

Пользователь, упомянутый в начале нашей статьи, который начал махать ручкой над дисплеем смартфона, после этого этот смартфон брать не стал. Он пришёл к выводу, что здоровье важнее, чем время работы телефона на одной зарядке или передача цветов. Но, является это постулатом для прочих людей, или нет?

Напомним, что любой пользователь является индивидуальностью. У одного человека глаза в большей степени воспринимают мерцание, у других людей в меньшей. А для одних подобная картинка кажется целостной, для других же по отдельности. Окончательно понять, влияет ли технология ШИМ на ваш организм как негативный фактор, или нет, можно узнать только из личного опыта применения подобного телефона.

В РФ есть закон о защите прав потребителей. Исходя из него, пользователь имеет возможность сдать телефон назад в магазин в период в 14 дней с того момента, когда он его приобрёл. За это отвечает статья № 25 и по ней владелец магазина не может отказаться принять товар обратно, если товар не повреждён и находится в отличном состоянии.

Как проверить наличие при помощи карандаша

Для чего же покупателю понадобился карандаш, если ШИМ – обыкновенное мерцание экрана? Напомним, что человеческий глаз не распознает свыше 60 кадров в секунду, а мерцание происходит с более внушительной частотой. Поэтому мигающая картинка выглядит, как единое целое.

Карандаш в данном случае помогает определить – мерцает экран или понижение яркости осуществляется за счет уменьшения потребления. Чтобы самостоятельно провести тест, нужно действовать по следующей инструкции:

1. Выставите на телефоне максимальное значение яркости и откройте белый фон.
2. Возьмитесь за кончик карандаша и помашите им возле экрана.
3. Если аксессуар двигается плавно, то мерцание отсутствует. Так и должно быть на 100 % уровне яркости.
4. Уменьшите значение яркости и повторите операцию. Если в этот момент станет заметно, что контур карандаша распадается на несколько частей, то в телефоне присутствует ШИМ.

В качестве альтернативного варианта можно использовать специальные устройства, которые замеряют коэффициент ШИМ. Но зачем тратить деньги на прибор, когда тест выполняется при помощи подручных средств?

Как проверить смартфон на шим

Для этого существует специальный карандашный тест. Пользователь берёт в руки предмет и размещает его перед экраном гаджета. Дальше нужно совершать маятниковое движение и вместе с этим уменьшать подсветку дисплея. Если след от предмета будет смазанным, то уровень ШИМа в норме. Но если тень начнёт разделяться, это означает, что мерцание очень сильное, и его необходимо исправлять.

Есть ещё один вариант проверки. Здесь используется съёмка. Для этого требуется навести на дисплей телефона камеру другого устройства. В процессе выполнения снимков нужно снижать яркость экрана на смартфоне. Если начнёт появляться рябь на фото, значит, уровень импульса критичный.

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:

Это пока что единственные серьезные последствия от использования DC Dimming. Для глаз эта технология дает большое благополучие. Большинство людей, которые страдали от шим, полностью избавились от боли в глазах с помощью DC Dimming.

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.

Не для слабонервных…

Отвлекитесь на секунду от статьи и посмотрите прямо перед собой, а затем переведите взгляд в сторону. Вам ничего не показалось странным?

Скорее всего, вы не заметили никакой аномалии. Но если бы вы попробовали включить запись видео на своем смартфоне и быстро провели камерой в сторону, то результат выглядел бы иначе.

На записи вы увидите, как все предметы во время движения камеры становятся размытыми и «улетают» в сторону:

Но почему такого не происходит со зрением?

Признаться, причина этому жутковатая. В момент перевода взгляда (когда глаза совершают саккады), вы на мгновение в буквальном смысле слепните. Происходит это благодаря саккадическому подавлению10 — специальному биологическому механизму, который отключает обработку изображения с сетчатки, когда оно становится полностью размытым.

В итоге, вам кажется, что все предметы стоят на своих местах и вся сцена четкая. Но в действительности мозг просто делает бесшовную склейку двух сцен — до начала движения глаз и после окончания саккады. А всё, что было между этими сценами, просто вырезается.

Если вы не осознали масштабы этой иллюзии, тогда подойдите к зеркалу, раскройте пошире глаза и начните переводить взгляд с одного глаза на другой. Вы удивитесь, но как бы вы ни старались, ваши глаза всё время будут неподвижны, будто взгляд застыл на одной точке.

То есть, на самом-то деле ваши глаза будут активно двигаться, просто перед началом каждого движения вы будете слепнуть, а после окончания движения глаз, зрение будет снова возвращаться к вам.

Думаю, вы понимаете, насколько глупо с таким мозгом придерживаться принципа «если я чего-то не ощущаю, значит, этого не существует». Мозг доводит до нашего сознания лишь незначительную долю поступающих сигналов.

Плюсы и минусы смартфонов с шим технологией

Когда я описывал широко-импульсную модуляцию, то я отметил её преимущество в более низком уровне потребления электроэнергии. Но, у данного коэффициента есть прочие плюсы и они идут вместе с минусами.

Достоинства:

• Насыщенность черным цветом;
• Высокая яркость;
• Низкое потребление энергии.

Недостаток:

Несмотря не его явные плюсы, часть людей не желают покупать телефоны, у которых OLED-дисплей в связи с усталостью глаз. Разумеется, у каждого организм индивидуален, и у одних пользователей глаза устают довольно сильно. У большей же части пользователей глаза мерцание дисплея практически не замечают. Но, у тех, что замечают, могут начаться головные боли.

Преимущества и недостатки телефонов с шим

При описании широко-импульсной модуляции было отмечено достоинство в виде низкого уровня энергопотребления. Однако у технологии есть и другие плюсы, которые соседствуют с недостатками.

Плюсы:

• глубокий черный цвет;
• порог яркости;
• разумное энергопотребление.

Минусы:

Несмотря на достоинства, многие люди отказываются от покупки смартфона с OLED-экраном из-за одного недостатка. Его проявление зависит от особенностей глаза каждого конкретного человека. Большинство людей не заметит мерцание экрана, в то время как отдельные люди отмечают, что при долгом использовании устройства начинает болеть голова.

Интересный факт. Современные модели оснащаются функцией DC Dimming, которая снижает эффект мерцания.

Причем здесь зрачок?

В интернете можно найти интересную легенду, гласящую, что зрачок человека расширяется и сужается в такт мерцанию AMOLED-экрана. Подобное голословное (не подкрепленное ссылками на научные данные) заявление встречается даже на официальном сайте производителя мониторов ViewSonic и тестовой лаборатории DxOMark.

Собственно, именно такое молниеносное непрекращающееся колебание размера зрачка приводит к быстрому перенапряжению и усталости глаз. По мнению ViewSonic и DxOMark.

Это интересная теория, но в реальности зрачок человека реагирует на изменение света с относительно большой задержкой (не менее 180 миллисекунд5), что по сути не превышает частоту в 6 Гц.

А ведь мы говорим о частотах в 30-50 раз выше! То есть, зрачок должен реагировать на изменение освещенности в течение одной миллисекунды, что, конечно же, невозможно с учетом минимальной задержки его работы в 180 мс.

В одном из исследований6 даже проводилось измерение реакции зрачка на мерцающий свет. Вот как это выглядело при мерцании с частотой 0.7 Гц (свет включается и выключается каждые полторы секунды):

На графике вертикальными линиями показаны моменты, когда экран включается (сплошная линия) и выключается (пунктирная линия). Мы видим, как зрачок сужается и расширяется в такт мерцания света (размер зрачка указан в относительных единицах, а не миллиметрах).

А вот что происходит при мерцании экрана с частотой в 1 Гц:

Мы видим, что работа зрачка уже не совсем адекватно отвечает моментам включения и выключения экрана (присутствует небольшая задержка), тем не менее, колебания зрачка четко прослеживаются.

Как оказалось, колебания зрачка в такт мерцания света отчетливо наблюдаются до 2.3 Гц, с едва уловимыми колебаниями вплоть до 3 Гц:

Очевидно, что зрачок даже теоретически не может реагировать на частоту мерцания экрана в 240 Гц, что в 70 раз превышает порог едва фиксируемых аппаратурой колебаний. Видимо, дело снова в чем-то другом.

Важное замечание: диаметр зрачка действительно связан с неприятными ощущениями при чтении в темноте с любого экрана. Но связь эта совершенно иная. В зависимости от полярности контраста (черный текст на белом фоне или белый текст на черном фоне), в глаз может попадать больше света, чем нужно, что будет вызывать болевое ощущение. Обо всем этом я подробно рассказывал в предыдущей статье.

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 54945-2022

Технология шим в смартфонах

При помощи карандаша покупатель проверял наличие ШИМ в устройстве. Аббревиатура расшифровывается, как широтно-импульсная модуляция. Говоря простым языком, это управление мощностью при помощи пульсирующего включения и выключения энергии.

Технология активно используется в разработке LED-панелей для мониторов, телевизоров, смартфонов и других устройств. С ее помощью осуществляется управление яркостью. То есть вместо того, чтобы понизить напряжение, дисплей с ШИМ создает мерцание, практически незаметное человеческому глазу.

На заметку. Человек не видит мерцания из-за того, что наши глаза распознают ограниченное число кадров. А при ШИМ включение и отключение экрана происходит несколько десятков раз в секунду.

Преимущество технологии заключается в низком уровне энергопотребления. Для включения и отключения экрана требуется меньше энергии, чем при постоянном свечении, но с низким напряжением. Именно поэтому смартфоны с OLED-экранами работают от одного заряда дольше, чем аналогичные устройства с IPS-панелями.

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 iOS14 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”.

Фантомный массив

Когда сцена освещается мерцающей лампочкой или когда мы смотрим на мерцающий экран, во время саккад, изображение становится четким (см. выше карандашный тест), то есть, вместо смазанного шлейфа появляются четкие контуры. Это и называется фантомным массивом.

И вот тут для мозга начинается «веселье». Особенно, если вы смотрите на мерцающий экран в полной темноте. Ведь в этом случае единственный видимый источник света мерцает и мозгу не за что зацепиться, чтобы замаскировать те четкие образы, появляющиеся внутри саккад. Подобные эффекты могут происходить при мерцающем свете с частотой вплоть до 2000 Гц11.

Но, повторюсь, это напрямую зависит от коэффициента пульсаций (то, о чем мы говорили выше и рассчитывали по формуле). При определенном коэффициенте мерцание экрана не будет вызывать никаких биологических реакций. И этот коэффициент посчитать еще проще11:

• Граница полностью безопасного коэффициента пульсации: частота мерцаний * 0.0333
• Граница коэффициента пульсации с низким риском: частота мерцаний * 0.08

Например, если экран iPhone 12 mini работает с ШИМ на частоте 250 Гц, то мерцание с коэффициентом пульсации до 8% (250*0.0333) не будет оказывать никакого биологического эффекта. А коэффициент пульсации до 20% (250*0.08) может представлять незначительный риск.

Вот как выглядит реальный коэффициент пульсации на iPhone 12 mini зависимости от яркости (цифры приблизительные):

То есть, мы видим, что при яркости выше 75%, экран не оказывает никакого влияния, но при низкой яркости эффект очень значительный. Что хуже всего, у многих смартфонов (даже самых дорогих) коэффициент пульсации при 50% яркости может доходить до 150%.

Возвращаясь к саккадам глаз и фантомному массиву, хотелось бы еще показать результаты интересного исследования, в котором анализировалось влияние частоты мерцания экрана на движение глаз. В частности, сравнивалось чтение с экрана, мерцающего на частоте 100 Гц, с чтением при освещении без мерцания.

Вот выводы этого исследования12:

Результаты согласуются с мнением о том, что мерцание оказывает на чтение два различных эффекта, оба из которых потенциально вредны. Первый связан с увеличением количества преждевременно сработавших саккад, которые в результате становятся менее точными. Во-вторых, увеличивается количество саккад, нарушенных в полете, которые останавливаются незадолго до намеченной цели. Эти два механизма могут иметь разные последствия для читателей (в зависимости от стиля чтения).

Такие нарушения приводят к тому, что мозгу требуется делать больше корректирующих саккад, что, видимо, вызывает дополнительную нагрузку и усталость.

Как бы там ни было, организм любого человека способен воспринимать мерцание света с высоким коэффициентом пульсации. Но почему лишь немногие ощущают это влияние — наука пока не знает, а может и не особо хочет узнавать.

Способен ли мерцающий на высокой частоте свет испортить зрение? Об этом речь не идет, так как проблема высокочастотного мерцания не связана с глазными заболеваниями. Такая связь не подтверждается ни наблюдениями, ни теорией.

Однако же, мерцающий свет может вызывать быструю утомляемость и неприятные ощущения в глазах, что некоторые исследователи связывают именно с саккадическими движениями глаз и обработкой возникающих фантомных изображений на сетчатке.

Также высокий коэффициент пульсации оказывает определенное влияние на психику человека, так как мозг получает и непрерывно обрабатывает сигнал, из-за чего, вероятно, могут возникать головные боли и усталость.

Я не встречал информации о том, чтобы высокочастотное мерцание синхронизировало электрическую активность мозга, но низкочастотное мерцание LED-лампочек (в частности, на 40 Гц) индуцирует гамма-ритм мозга на частотах 38-42 Гц, что отчетливо видно на электроэнцефалограмме13.

Напомню, гамма-ритм возникает в мозге человека при решении задач, требующих максимального сосредоточенного внимания14. Частота колебаний гамма-волн лежит в диапазоне от 30 до 170 Гц, а по некоторым данным может доходить и до 500 Гц.

Ухудшится ли у вас память или вы станете более раздражительным через 5 лет активного использования мерцающего AMOLED-экрана — таких данных нет ни у кого. Но лучше придерживаться рекомендуемых норм и не подвергать себя продолжительному воздействию любого источника света с высоким коэффициентом пульсации.

Алексей, глав. ред. Deep-Review

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 58 раз в секунду. Чего было достаточно, чтобы обмануть мозг. Видя постоянно мелькающую картинку, мозг просто «отключает» восприятия мерцания и мы видим плавную картинку.