徐林

权宜之计的低频PWM调光

大约是在两年多以前，一场讨论由微博大V@魔法师蛋小丁老师发起，主题是关于“低频PWM调光屏幕下实现类DC调光以保护视力”，直到今天都还在互联网上有着不低的热度。通过这场讨论，哪怕是很多非技术流的消费者，也对屏幕调光技术有了一个大致的理解。那么，为什么会出现这样的讨论，调光技术对我们使用手机真的非常重要吗？

屏幕是智能手机进行交互最重要的入口，早年手机的屏幕主要采用LCD屏幕，其工作原理大家都很清楚：液晶分子本身并不发光，屏幕的光源主要是LED与导光板的共同作用。由于LED灯珠的数量比较少，控制相对简单，通过控制这些LED灯珠的功率即可实现屏幕的明暗变化，因此LCD显示屏主要采用DC（Direct Current，即直流）或高调PWM（PWM，即Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）调光方式。前者不用说，输出就是一条直线，而后者则通过外置独立的控制IC，可以输出频率高达数十K的光源，远高于高频PWM调光1000Hz（1KHz）的标准，因此LCD显示屏在大多数工作状态下都可以保证稳定无频闪的亮度输出。

技术总是在进步，特别是全球显示大厂三星对OLED显示技术多年不遗余力的推广以及这块屏幕对手机轻薄设计天然友好，因此采用OLED显示屏的手机变得越来越多。但早期OLED显示屏离完美相去甚远，偏色、烧屏是公认的毛病，而还有一个被戏称为“抹布屏”的缺点，则是由调光技术带来的。

没错，早期的OLED显示屏也采用DC调光，但和LCD显示屏要控制数量有限的LED灯珠不同，OLED是自发光技术，每个像素点就是一个发光源，比如分辨率为1920×1080的一块OLED显示屏，就意味着有超过207万个独立光源需要控制明暗，且因为不同色彩像素与亮度之间还并非线性对应关系，响应曲线不同，因此采用DC调光的OLED显示屏在高亮度情况下工作显示效果尚可，但在低亮度情况下简直就是灾难：各像素显示控制不好，就会造成色彩的均匀性很差，东一坨西一坨的显示偏差，画面看起来脏脏的，让那个时候的OLED获得了“抹布屏”的“美誉”。

于是，PWM调光就成为解决OLED显示屏这一先天不足最好的解决方案。其原理简说就是通过“亮屏-灭屏-亮屏-灭屏”这种亮暗不断交替，利用人眼的视觉残留来控制屏幕亮度。单位时间内亮屏状态持续时间越久，即占空比越大，屏幕就会越亮，反之占空比越小，屏幕就会越暗。目前，大部分OLED显示屏手机都采用低频PWM调光与DC调光相结合的方式，低亮度用前者，高亮度用后者。由于我们在室内甚至晚上使用手机的时间很多，所以与低频PWM调光打交道的时间相对更多。当然也有使用全亮度PWM调光的机型，最著名的就是首款采用OLED显示屏的iPhone——iPhone X，其就采用全亮度PWM调光方案。

理论上，超过70Hz的频闪就已经超过人眼和大脑对闪烁的判断标准，只会有明暗的区别，所以常见的240Hz低调PWM调光在1秒钟时间内，屏幕可以实现240次亮灭，就已经可以保证OLED显示屏在低亮度工作时的显示效果。但是，这个人眼和大脑无法判断的频率，却依然可能逃不过视觉细胞本身的感知，特别是在低亮度环境，显示屏占空比较低的情况下。当细胞感知到这一点点变化，就会调动眼部肌肉做出不断的响应，时间一长，轻则眼睛干涩酸胀，重则头晕恶心。这样的反应因人而异，有些人会比较强烈，但有些人也不敏感，因此低频PWM调光是否对人眼有真正的伤害，目前尚无确凿的医学研究证明，这也是其存在争议的主要原因之一——但我在使用少部分手机时，的确有遇到晚上时间一长就恶心眼胀的问题，个人相信这个问题是真实存在的。

只是目前显示屏调光频率达到多少标准才不会伤眼并没有统一的行业标准，高低PWM调光的划分，现在还是根据IEEE（国际电子和电气工程师协会）1789-2015标准，这是一项关于高亮度LED光源调光频率与用户健康风险的建议，即LED光源调光频率应高于1250Hz，能有效降低对用户视觉可能带来的影响。OLED也算是LED大家族成员，所以把这个标准套用在OLED显示屏上好像也说得过去。

OLED显示屏调光原理以及对健康的解析就简单进行到这里，这时候肯定就有朋友纳闷了：既然低频PWM调光对人眼有潜在的健康风险，那么解决方案是什么呢？

两全其美的高频PWM调光

在荣耀50 Pro采用的高频PWM调光方案出现之前，在微博大V@魔法师蛋小丁老师的开发下，通过修改屏幕显示驱动、调用SoC GPU能力结合的方式，实现了OLED显示屏在低亮度工作情况下的类DC调光。其主要原理和相机的ND滤镜非常相似，即将显示屏保持在DC调光的亮度阈值以上的同时，在显示内容中插入灰色的遮罩层，从而带来视觉上屏幕亮度的降低。它可以有效解决低光环境下OLED显示屏的频闪现象，減轻人眼的使用压力，但这个方案缺点也是有的，它会对显示的最终效果带来负面影响，比如偏色等问题。屏幕显示效果现在已经成为手机厂商们的一个核心竞争点，因此手机大厂们对基于软件层面的类DC调光方案态度会显得相对保守一些。