Что такое регулировка яркости дисплеев при помощи ШИМ?

Наверняка многие замечали, особенно те, кому в силу профессии приходится много времени проводить перед экраном компьютера, что к концу дня глаза могут «уставать». Мало того, этот не самый приятный «эффект» проявляется по-разному с разными мониторами. Если абстрагироваться от того, что мы слишком много проводим времени перед этим «телевизером», то одной из основных причин усталости глаз является технология регулировки яркости. Давайте сегодня поговорим о том, что такое ШИМ в мониторах – как работает, зачем используется, действительно ли было бы лучше, если этого не было.

Что такое ШИМ, используемая для регулировки яркости

Покупая монитор или ноутбук, мы привычно выставляем удобную для нас яркость, контрастность. Кто-то уделяет больше внимания еще и настройке качества изображения. При этом в большинстве случаев мы не задумываемся, как выполняются эти регулировки. В первую очередь – яркость.

Воспользовавшись житейским опытом и минимумом знаний из школьной программы несложно догадаться, что установить желаемый уровень свечения лампочки (в данном случае подсветки экрана) можно, если просто снижать напряжение на ней. Предположим, что напряжение питания подсветки составляет 18 В. Теперь, постепенно понижая его, мы получим соответствующее же снижение яркости.

Но есть другой путь, более простой в реализации и эффективный – не заниматься регулировкой напряжения напрямую, а использовать широтно-импульсную модуляцию, при помощи которой можно получить желаемое выходное напряжение.

Принцип действия тот же, что и в системе питания процессора или видеочипа, о чем мы говорили в статье, посвященной фазам питания CPU. Сейчас же давайте подробнее посмотрим, как работает ШИМ применительно к дисплеям.

Как работает ШИМ

Итак, на входе имеем некое напряжение, при котором можем получить максимальную яркость свечения ламп подсветки. Теперь задача – получить нужный уровень яркости экрана.

Для этого воспользуемся двумя свойствами – возможностью ламп подсветки быстро включаться и выключаться и инерционностью нашего зрения, которое при определенной частоте таких включений-выключений перестает замечать это, а свечение кажется постоянным. Об этом поговорим чуть позже.

Итак, для того, чтобы заставить лампы светиться как нам надо, требуется просто подавать импульсы напряжения нужной скважности. Скважность – отношение периода импульса к его длительности. Таким образом, если нам нужна максимальная яркость, достаточно, чтобы скважность стала равна 1, т. е. импульсов, по сути не будет.

Если же мы хотим, скажем, снизить яркость на 50%, то будет достаточно, если длительность импульса будет равна половине его периода, соответственно. Если требуется четверть свечения – скважность импульса составляет соответствующее значение. Все это наглядно показано на иллюстрации.

Принцип действия прост, ШИМ используется во многих случаях, и почему именно применительно к дисплеям об этом способе упоминают чаще всего? Проблема в том, что это непосредственно связано с воздействием на глаз человека, работающего за монитором, и воздействие это не сказать, что полезно.

Проблема стала несколько более острой после того, как в LCD панелях стала использоваться LED подсветка, т. е. в качестве источника света стали использоваться светодиоды. Перед этим использовалась несколько другая технология. Кратко вспомним ее.

CCFL vs LED

Некоторое время назад для подсветки экранов с жидкими кристаллами использовались лампы CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp — люминесцентная лампа с холодным катодом). Не буду сейчас останавливаться на конструкции, достоинствах и недостатках этого вида подсветки. Сейчас CCFL почти вытеснена светодиодной подсветкой LED. Тем не менее, еще встречаются мониторы с этим типом ламп.

Почему с CCFL проблема мерцания была не столь актуальна, как сейчас? Принцип работы ШИМ абсолютно тот же, в течение периода импульса лампы часть времени горят, а в остальное время выключены. По крайней мере, на них не подается питающее напряжение. Мерцание есть, но оно несколько иное.

Дело в том, что у ламп CCFL присутствует заметная задержка, порядка 2-3 мс, в течение которого уменьшается яркость. Мало того, в силу свойств люминофора, которым покрыты стенки лампы, излучаемый спектр оказывается широким, с большой интенсивностью в ультрафиолетовом диапазоне и с большой неравномерностью в видимой части спектра.

Таким образом, при включении и выключении CCFL-лампы разные цвета излучаемого спектра реагируют в разное время. В частности, синий цвет срабатывает немного раньше на включение, и он же быстрее исчезает при снятии напряжения. Красный же наоборот, включается медленнее, и медленнее же отключается. Это показано на графике ниже.

В результате имеем несколько более «мягко» (если так можно сказать) работающую регулировку яркости при помощи ШИМ, но беда в том, что в силу задержек на включение и выключение CCFL-ламп частота импульсов оказывается низкой, к тому же может проявляться изменение цвета этих мерцаний.

LED подсветка более быстродействующая, тут практически отсутствуют задержки реакции на включение/выключение, да и продуцируемый свет не распадается на спектральные составляющие. Импульс имеет более приближенную к прямоугольнику форму, как показано на рисунке.

Так в чем проблема? Вот в этом быстродействии, как и спасение в нем же. При той же частоте следования импульсов, как и в случае с CCFL-лампами, мерцание становится гораздо более заметным, резким, хотя и лишенным «плавания» цветов. Включение/выключение ламп стало буквально «бросаться в глаза».

Снизить неприятный эффект позволяет более высокая частота импульсов, регулирующих яркость. Если в случае с CCFL частота обычно составляет 175 Гц, то ШИМ на этой частоте при использовании светодиодной подсветки будет означать, что у вас плохой монитор. Избавиться от неприятных ощущений позволяет поднятие частоты импульсов регулирования яркости экрана до килогерца, а лучше десятков килогерц.

Такая частота уже не различается человеческим глазом, и в случае, если тот или иной монитор имеет частоту ШИМ, скажем, 24 кГц, вполне можно считать, что данная модель дисплея практически безвредна и мерцание не будет утомлять.

Почему устают глаза

Ну хорошо, на какой частоте мерцание перестает быть заметным? Сначала давайте немного посмотрим, как вообще устроено наше зрение, вернее, рассмотрим то, что непосредственно относится к сегодняшней теме.

Изображение формируется на сетчатке глаза, на которой расположены два вида фоторецепторов – палочки (cone) и колбочки (rod cells).

Первые преимущественно расположены на периферических участках сетчатки, а светочувствительным пигментом в них является родопсин. Палочки весьма чувствительны к свету и в состоянии зафиксировать попадание даже 2-3 фотонов, что делает их ответственными за ночное зрение.

Спектральная чувствительность смещена в нижнюю часть видимого диапазона (примерно до 500 нм), а также зависит от уровня яркости объекта. При высокой яркости родопсин выцветает, чувствительность палочек падает, и они могут поглощать только излучения коротковолновой (синей) части спектра. Кстати, в последнее время при рассмотрении параметров монитора стали обращать внимание на излучение в синей части спектра, но это тема отдельного разговора и к ней мы, думаю, вернемся в другой раз.

Колбочки, наоборот, располагаются в центральной части сетчатки, содержат светочувствительный пегмент йодопсин, который в свою очередь состоит из нескольких зрительных пигментов. Диапазон воспринимаемых колбочками цветов смещен в желто-зеленую и желто-красную части спектра.

Есть еще одна характеристика, которую следует упомянуть – это «критическая частота слияния мельканий» (КЧСМ, flicker fusion threshold), и связанный с ней закон Тальбота (Talbot's law или Talbot-Plateau law). Согласно ему, «видимая яркость источника прерывистого света при частоте равной и выше критической частоты слияния мельканий (КЧСМ) эквивалентна (равна) видимой яркости непрерывного света, имеющего тот же световой поток».

Другими словами, есть некая частота, выше которой мерцания видно уже не будет. Точного значения этой частоты нет, но принято считать нормой частоту мерцаний 41-45 Гц. Правда, следует оговориться, что эти значения могут изменяться в зависимости от возраста, состояния здоровья, физического состояния (например, усталость). К тому же эти значения соответствуют центральной (макулярной) области глаза, т. е. той, где больше всего колбочек.

Мало того, проведенные исследования показали, что КЧСМ может варьироваться в зависимости от цвета, т. е. для зеленого это 48 Гц, а для синего – 44 Гц, красный – примерно посередине. Это опять-таки к разговору про излучение мониторами синего цвета.

Выше было сказано, что палочки имеют большую, чем у колбочек, чувствительность, которая еще увеличивается при снижении яркости. Таким образом, может создаться ситуация, что мерцание будет заметно периферийным зрением, хотя если смотреть на экран прямо, ничего такого видно не будет.

Все это справедливо для условного монитора с низкой частотой ШИМ. В действительности большинство экранов если и используют подобный способ регулирования яркости подсветки, то делают это на частотах порядка 200 Гц и выше.

Правда, т. к. чувствительность к мерцанию очень индивидуальна, в редких случаях некоторым индивидуумам удается «разглядеть» колебания яркости и на более высоких частотах. Это может быть связано как со спецификой изображения (быстрое перемещение объекта на экране или быстрый перевод взгляда с одной стороны дисплея на другой), так и с особенностями здоровья и физического состояния человека.

Для большинства людей мерцания на частоте в несколько сот герц заметно не будет, за что спасибо в том числе и нашему мозгу, который не успевает обрабатывать поступающую информацию с такой скоростью и воспринимает свечение как постоянное. Вот только глаза все равно устают. Почему? При частоте мерцаний, которую не распознает мозг, глаз успевает отреагировать на изменение яркости. Происходит что-то типа того, что показано ниже на иллюстрации.

Считается, что при повышении частоты ШИМ выше 2-3 кГц отрицательный эффект, особенно при использовании LED подсветки, от такого способа управления яркостью практически сводится на нет.

Заключение. ШИМ в дисплеях - что это, добро или зло?

Использование ШИМ производителями понять можно. Упрощение схемотехники, энергоэффективность, меньшая себестоимость… Проблема в том, что в данном случае воздействие производится на одну из самых уязвимых частей человеческого организма – глаза. Учитывая, что все больше и больше времени мы проводим перед экраном, очень хотелось бы, чтобы дисплеи были как можно менее вредными.

К счастью, производители ничего не имеют против того, чтобы предлагать экраны, в которых ШИМ либо отсутствует в принципе, либо работает на высоких частотах порядка десятков, а то и сотен килогерц. Беда в том, что наличие или отсутствие мерцания далеко не всегда указывается.

Если в случае с обычными мониторами сейчас можно встретить маркировку «Flicker-Free», то, когда речь заходит о ноутбуках, что за матрица стоит и в каком режиме она работает – загадка для посвященных. Узнать это можно только из обзоров или проведя самостоятельно примитивный тест на определение наличия ШИМ («карандашный» тест или при помощи обычного бытового вентилятора).

Я стараюсь сводить в таблицу информацию о ноутбуках с хорошими экранами, где помимо прочего еще указывается наличие ШИМ для управления яркостью. Выбирая ноутбук, все же не забывайте про глаза, и при возможности отдавайте предпочтение моделям, в которых отсутствует мерцание, благо их становится все больше и больше.