Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Введение

Жидкокристаллические (ЖК-, LCD-) мониторы используются в самых разных условиях, поэтому желательно производить дисплеи, позволяющие изменять яркость и подходящие для работы как при свете, так и в темноте. Тогда пользо­ватель сможет настроить экран на комфортный уровень яркости в зависимости от условий его работы и общего освещения.

В технических характеристиках дисплея производители обычно указывают его максимальную яркость, но важно принимать во внимание и более низкие значения яркости, на которых способен работать экран — ведь вы вряд ли захотите исполь­зовать его на максимальной яркости. Хотя в технических характеристиках часто фигурируют значения до 500 кд/м², вам наверняка потребуется исполь­зовать экран при яркости, несколько более комфортной для ваших глаз.

Напомним, что в каждом из наших обзоров на сайте tftcentral.co.uk мы проверяем полный диапазон регулирования яркости подсветки и соответ­ствующие значения яркости. При калибровке мы также пытаемся установить яркость экрана на уровне 120 кд/м², который является рекомендуемым для ЖК-монитора при обычных условиях освещённости. Это помогает вам получить представление о том, как установить такой уровень яркости, при котором вы, скорее всего, захотите исполь­зовать его ежедневно.

Как в случае подсветки на люминес­центных лампах (CCFL), так и при свето­диодной (LED-) подсветке, изменение яркости дисплея достигается уменьшением общей свето­отдачи подсветки. В настоящее время для ослабления яркости подсветки наиболее часто применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM), которая уже много лет используется в дисплеях настольных компьютеров и ноутбуков. Тем не менее, этот способ не лишён некоторых проблем, а с появлением дисплеев с высокими уровнями яркости и распространением свето­диодной подсветки побочные эффекты ШИМ стали более заметными, чем раньше, и в некоторых случаях ШИМ может быть причиной быстрой утомляемости зрения у чувствительных к ней людей.

Цель этой статьи — не вселить в вас тревогу, а рассказать, как ШИМ работает, почему она используется, и как проверить дисплей, чтобы разглядеть эти эффекты более явно.

Что такое ШИМ?

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — один из способов снижения воспринимаемой яркости в дисплеях, работающий путём быстрого циклического включения и выключения подсветки. Такая периодическая подача импульсов обычно происходит на постоянной частоте, а отношение длительности части каждого цикла, в течение которой подсветка включена, к общей длительности цикла называется коэффициентом заполнения (величина, обратная скважности). Изменением скважности достигается изменение общей свето­отдачи подсветки. На зрительном уровне этот механизм работает благодаря тому, что чередование включённого и выключенного состояний подсветки происходит достаточно быстро, и пользо­ватель не замечает мерцания, поскольку оно находится за пределами порога слияния мельканий (подробнее об этом ниже).

Ниже вы можете видеть графики свето­отдачи подсветки на протяжении нескольких циклов с исполь­зованием «идеальной» ШИМ. Максимальная свето­отдача подсветки в этом примере составляет 100 кд/м², а воспринимаемая яркость для коэффициентов заполнения 90%, 50% и 10% — 90, 50 и 10 кд/м² соответственно. Соотношение между минимальным и максимальным уровнями яркости в течение одного цикла называется глубиной модуляции и в данном случае составляет 100%. Обратите внимание, что на протяжении цикла в приведённом примере яркость подсветки максимальна.

Коэфф. заполнения 90%
Коэфф. заполнения 50%
Коэфф. заполнения 10%

Аналоговые (без исполь­зования ШИМ) графики, соответ­ствующие воспринимаемым уровням яркости, представлены ниже. Здесь модуляция отсутствует.

Постоянная яркость 90%
Постоянная яркость 50%
Постоянная яркость 10%

Почему применяется ШИМ

Основными причинами применения ШИМ являются лёгкость её реализации, для которой от подсветки нужна лишь способность часто включаться и выключаться, а также обеспечиваемый с её помощью широкий диапазон возможных значений яркости.

Снизить яркость CCFL-подсветки можно путём снижения тока, протекающего через лампу, но лишь примерно вдвое ввиду их строгих требований к току и напряжению. Это делает ШИМ единственным простым способом достижения широкого диапазона регулирования яркости. CCFL-лампа обычно управляется инвертором, включающимся и выключающимся с частотой в десятки килогерц, что находится за пределами мерцания, заметного для человека. Однако ШИМ обычно работает на гораздо более низкой частоте, около 175 Гц, что может приводить к заметным дефектам изображения.

Яркость свето­диодной подсветки можно регулировать в широких пределах путём изменения проходящего через них тока, правда в результате несколько изменяется цветовая температура. Этот аналоговый подход к изменению яркости свето­диодов также нежелателен ввиду того, что вспомогательные цепи обязаны учитывать тепло, выделяемое свето­диодами. Свето­диоды во включённом состоянии нагреваются, что уменьшает их сопротивление и дополнительно увеличивает протекающий через них ток. Это может привести к быстрому росту тока в сверхъярких свето­диодах и послужить причиной их выхода из строя. При исполь­зовании ШИМ ток можно принудительно удерживать на постоянном уровне в течение рабочего цикла, в результате чего цветовая температура всегда одинакова и перегрузок по току не возникает.

Побочные эффекты ШИМ

Несмотря на привлекательность ШИМ для производителей по обо­значенным выше причинам, при неосторожном исполь­зовании она может также приводить к неприятным визуальным эффектам. Чтобы понять, что мы видим, нам необходимо рассмотреть мерцание настоящих дисплеев. Ниже показана видео­запись CCFL-подсветки, замедленная в 40 раз, благодаря чему мерцание можно увидеть более отчётливо. Графики изменения яркости RGB-компонентов в течение одного цикла показаны непосредственно под ней. Данный конкретный дисплей настроен на его минимальную яркость, при которой мерцание должно быть выражено наиболее ярко.

Как видно из видео и соответ­ствующих графиков, в течение одного цикла общая яркость изменяется примерно в 4 раза. Что интересно, цвет подсветки тоже значительно изменяется в течение каждого цикла. Скорее всего, это связано с тем, что люминофоры в CCFL имеют различающееся время отклика, и в этом случае мы можем сделать вывод, что люминофор, задействованный при продуцировании синего света, может включаться и выключаться быстрее, чем для других цветов. Применение люминофоров также означает, что подсветка продолжает излучать свет в течение нескольких милли­секунд после отключения подсветки в конце рабочего цикла и обеспечивает более постоянный уровень свечения (меньшую модуляцию), чем имели бы место в противном случае. Обратите внимание, что усреднённый во времени цвет остаётся неизменным.

Мерцание свето­диодной подсветки обычно гораздо заметнее, чем мерцание CCFL-подсветки при той же скважности, поскольку свето­диоды способны включаться и выключаться гораздо быстрее и при этом не продолжают светиться после отключения питания. Это означает, что там, где CCFL-подсветка показывала достаточно плавное колебание яркости, свето­диодная версия демонстрирует более резкие переходы между включённым и выключенным состояниями. Именно поэтому совсем недавно тему ШИМ стали поднимать в интернете и в обзорах на фоне появления всё большего и большего количества дисплеев со свето­диодной подсветкой на основе белых свето­диодов (W-LED). Как можно видеть ниже, существенного изменения цвета подсветки в течение рабочего цикла не происходит.

Особенно заметен эффект мерцания, когда глаза пользо­вателя двигаются. При постоянном освещении без мерцания (например, при солнечном свете) изображение плавно размывается, и именно так мы обычно воспринимаем движение. Однако при сочетании с источником света, использующим ШИМ, человек может увидеть одновременно несколько раздельных остаточных изображений экрана, что может привести к снижению удобо­читаемости и способности фиксировать взгляд на объектах. Из предыдущего анализа CCFL-подсветки мы знаем, что может также искажаться цвет, даже если исходное изображение чёрно-белое. Ниже показаны примеры того, как может выглядеть текст по мере горизонтального движения глаз при исполь­зовании подсветки разных типов.

Исходное изображение
Без ШИМ
ШИМ при CCFL-подсветке
ШИМ при LED-подсветке

Важно помнить, что это обусловлено исключительно подсветкой, а сам дисплей отображает статичное изображение. Часто говорят, что человек не способен воспринимать более 24 кадров в секунду (fps), что не является правдой и в действи­тель­ности лишь соответ­ствует приблизи­тельной частоте кадров, необходимой для восприятия непрерывного движения. На самом деле при движении глаз (например, при чтении) реально увидеть эффекты мерцания на нескольких сотнях герц. У разных людей способность замечать мерцание значительно различается и даже зависит от расположения пользо­вателя относи­тельно дисплея, поскольку перифе­рическое зрение наиболее чувствительно.

Так насколько же часто включается и выключается подсветка при исполь­зовании ШИМ? По-видимому, это зависит от типа используемой подсветки. Подсветка на основе люминес­центных ламп почти всегда переключается с частотой 175 Гц, или 175 раз в секунду. Частота мерцания свето­диодной подсветки, по разным сведениям, составляет от 90 Гц до 420 Гц, и при более низких частотах мерцание гораздо заметнее. Может показаться, что частота слишком высокая, чтобы быть заметной, но не забывайте, что 175 Гц — это ненамного чаще, чем мерцание 100—120 Гц, характерное для ламп освещения, подключённых напрямую к электросети.

В действи­тель­ности частота 100—120 Гц мерцания люминес­центных ламп была связана с такими симптомами, как пере­напряжение глаз и головная боль у части людей. Именно поэтому были разработаны высоко­частотные стабили­зирующие цепи, обеспе­чивающие почти непрерывную свето­отдачу. Исполь­зование ШИМ на низких частотах сводит на нет преимущества исполь­зования этих улучшенных стабили­зирующих цепей в подсветке, поскольку источник почти непрерывного света в этом случае снова превращается в мерцающий. Дополнительно следует учитывать, что низко­качественные или бракованные стабили­заторы в подсветке на основе люминес­центных ламп могут издавать слышимый шум. Зачастую это происходит при исполь­зовании ШИМ, поскольку электроника в настоящее время имеет дело с дополни­тельной частотой, с которой изменяется энерго­потребление.

Важно также понимать разницу между мерцанием дисплеев на основе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ, CRT) и TFT-дисплеев с CCFL- и LED-подсветкой. В то время как ЭЛТ может мерцать на низкой частоте 60 Гц, лишь узкая полоса освещена в каждый отдельно взятый момент времени, поскольку луч электронной пушки движется сверху вниз. При исполь­зовании TFT-дисплеев с CCFL- и LED-подсветкой вся поверхность экрана светится одновременно, что означает гораздо большее количество света, излучённого за короткое время. В некоторых случаях это может быть более неприятно, чем мерцание ЭЛТ, особенно при высокой скважности.

Для некоторых людей мерцание как таковое в подсветке дисплеев может быть трудно­уловимым и мало­заметным, но для других — является весьма заметным в силу естественных различий в челове­ческом зрении. С ростом исполь­зования свето­диодов высокой яркости, для управления яркостью приходится всё больше исполь­зовать высокую скважность ШИМ, что делает проблему мерцания более актуальной. Учитывая что пользо­ватели ежедневно проводят многие часы, смотря на свои мониторы, не следует ли нам рассмотреть долго­срочные последствия как восприни­маемого, так и незаметного мерцания?

Ослабление побочных эффектов ШИМ

Если для вас ШИМ-мерцание подсветки неприятно или вы просто хотите проверить, станет ли легче читать, если мерцание уменьшить, я рекомендовал бы вам попробовать следующее. Установите яркость вашего монитора на максимум и отключите все механизмы авто­мати­ческой подстройки яркости. Теперь уменьшите яркость до нормального уровня (обычно с помощью ползунка контрастности) с помощью цвето­коррекции, доступной в драйверах вашей видео­карты, или с помощью устройства калибровки. Это уменьшит яркость и контрастность вашего монитора, при этом подсветка будет включена в течение максимально продолжи­тельного времени на протяжении ШИМ-циклов. Хотя из-за уменьшенной контрастности этот способ в качестве долго­срочного решения многим не подойдёт, эта техника может помочь определить степень положительного влияния уменьшения исполь­зования ШИМ.

Гораздо лучшим методом, конечно, было бы приобрести дисплей, не использующий ШИМ для управления яркостью или хотя бы использующий гораздо более высокую частоту ШИМ. К сожалению, похоже, ни один из производителей пока не реализовал ШИМ, работающую на частотах, которые находились бы за пределами воспринимаемых зрительных дефектов (вероятно, значительно выше 500 Гц для CCFL и выше 2 КГц для свето­диодов). Кроме того, в некоторых дисплеях, в которых применяется ШИМ, коэффициент заполнения не равен 100% даже на полной яркости, в результате чего они мерцают в любом случае. Возможно, в некоторых из доступных сейчас дисплеев со свето­диодной подсветкой ШИМ не используется, но до тех пор, пока частоту подсветки и модуляцию не станут указывать в технических характеристиках, каждый конкретный дисплей необходимо проверять лично.

Проверка и анализ

Было бы здорово, если бы существовал простой способ измерения ШИМ-частоты подсветки, и, к счастью, для этого достаточно фото­аппарата с возможностью ручной настройки выдержки. Исполь­зование этого способа описано далее.

Съёмка:
  1. Установите на мониторе настройки, которые вы хотите проверить.
  2. (Необязательно) Установите баланс белого на фото­аппарате при отображении на экране только белого цвета. Если это невозможно, установите баланс белого вручную примерно на уровне 6000 K.
  3. Выведите на монитор узкую белую вертикальную полосу на чёрном фоне (толщины 1-3 точки будет достаточно). Должно быть видно только это изображение.
  4. Установите выдержку на фото­аппарате в значение из промежутка от 1/2 до 1/25 секунды. Для получения достаточного для съёмки количества света вам может потребоваться установить ISO-чувстви­тельность и диафрагму. Убедитесь, что белая полоса располагается на фокусном расстоянии (при необходимости зафиксируйте его).
  5. Удерживайте камеру на расстоянии примерно 60 см от монитора и перпен­дикулярно ему. Нажмите кнопку спуска затвора во время медленного горизон­тального пере­мещения камеры относи­тельно экрана (при движении сохраняйте их взаимно перпендикулярное положение). Вам может потребоваться поэкспери­ментировать с перемещением фотоаппарата на разных скоростях.
Обработка:
  1. Подстройте яркость полученного изображения так, чтобы был хорошо различим узор.
  2. Подсчитайте количество циклов, запечатлённых на изображении.
  3. Разделите это число на величину выдержки. Например, если вы используете выдержку 1/25 секунды и насчитали 7 циклов, количество циклов в секунду составит 25 * 7 = 175 Гц. Это частота мерцания подсветки.
Проверочное изображение
Фотография
Вырезанный полезный фрагмент

Смысл данной техники в том, что, перемещая фото­аппарат во время съёмки, мы превращаем временной эффект в простран­ственный. Единственным существенным источником света при съёмке является узка полоса на экране, которая попадает на свето­чувстви­тельную матрицу в виде следующих друг за другом столбцов. Если подсветка мерцает, разные столбцы будут иметь разные значения яркости или цвета, определяемые подсветкой в конкретный момент съёмки.

Типичной проблемой при первых попытках исполь­зования этой техники является слишком тёмное изображение. Улучшить ситуацию в этом плане может исполь­зование большей диафрагмы фото­аппарата (более низкое значение f/число) или увеличение ISO-чувствительности. Выдержка на эскпозицию влияния не оказывает, поскольку мы используем её только для управления общей продолжи­тельностью съёмки. Яркость изображения можно также подстроить путём изменения скорости пере­мещения фото­аппарата: более высокая скорость обеспечит более тёмное изображение при более высоком разрешении по времени, а следствием более низкой скорости будет более яркое изображение при более низком разрешении.

Другая встречающаяся проблема — неравные расстояния между отдельными полосами на результирующем изображении вследствие изменения скорости перемещения фото­аппарата во время съёмки. Для достижения постоянства скорости начинайте перемещение фото­аппарата за некоторое время до начала съёмки, а заканчивайте — через некоторое время после её окончания.

Изображение, выглядящее слишком ровно, может быть следствием рас­фокусиро­ванности. В некоторых случаях с этим можно справиться путём половинного нажатия кнопки спуска затвора для наведения фокуса и дальнейшего продолжения в обычном режиме.

  • Изображение слишком тёмное
    • Увеличьте экспозицию после съёмки.
    • Используйте бОльшую диафрагму.
    • Перемещайте фото­аппарат медленнее.
  • Разные расстояния между столбцами
    • Перемещайте фото­аппарат на постоянной скорости.
    • Попробуйте перемещать фото­аппарат до и после съёмки.
  • Изображение рас­фокусировано
    • Зафиксируйте фокусное расстояние.
    • Наведите фокус заранее путём половинного нажатия кнопки спуска затвора.
    • Убедитесь, что фото­аппарат расположен перпен­дикулярно экрану.

В зависимости от конкретного монитора могут наблюдаться дополни­тельные эффекты. Подсветка на основе CCFL часто демонст­рирует разные цвета в начале и конце каждого цикла, что означает, что используемые люминофоры реагируют с разной скоростью. Подсветка на основе свето­диодов часто использует более высокую частоту, чем CCFL-подсветка, и, чтобы увидеть циклы, может потребоваться перемещать фото­аппарат быстрее. Тёмные полосы между циклами означают, что скважность ШИМ была увеличена в такой степени, что во время этой части цикла свет не излучается.

Далее представлены примеры применения этого метода.

Dell 2007WFP (CCFL)

Яркость = 100
Яркость = 50
Яркость = 0

При выдержке 1/25 секунды отчётливо видны 7 циклов, значит подсветка мерцает на частоте 175 Гц. Даже на полной яркости есть небольшое мерцание, хотя оно, скорее всего, достаточно мало, чтобы быть незаметным. На половинной яркости появляется небольшое мерцание, а при достижении минимальной яркости появляется гораздо более заметное мерцание наряду с цветовым сдвигом.

NEC EA231WMi (CCFL)

Яркость = 100
Яркость = 50
Яркость = 0

На полной яркости видимое мерцание отсутствует. На половинной яркости становятся видны мерцание и цветовой сдвиг. При минимальной яркости наблюдаются более сильное мерцание и значи­тельный цветовой сдвиг. При выдержке 1/25 секунды видно около 8 циклов, что соответ­ствует частоте примерно 200 Гц. При более длительной выдержке получено более точное значение частоты — 210 Гц.

Samsung LN40B550 Television (CCFL)

Яркость = Max
Яркость = Min

Отключить авто­мати­ческую подстройку яркости нет возможности, поэтому показаны макси­мальный и мини­мальный уровни яркости, которых можно легко достичь. На полной яркости видимое мерцание отсутствует. На мини­мальной яркости есть сильное мерцание и цветовой сдвиг, за счёт которого видно разделение на жёлтую и синюю составляющие. При выдержке 1/25 секунды видны лишь 6 циклов, значит подсветка мерцает на частоте 150 Гц.

2009 Apple MacBook (LED)

Яркость = 100
Яркость = 50
Яркость = 0

При исполь­зовании выдержки 1/25 секунды видимые мерцание и цветовой сдвиг отсутствуют вне зависимости от яркости. Этот дисплей не использует ШИМ. Причиной бороздчатости является зашумлённость изображения.

2008 Apple MacBook Pro (LED)

Яркость = 100
Яркость = 50
Яркость = 0

При выдержке 1/25 секунды наблюдается небольшое мерцание на полной яркости. При яркости 50 и 0 используется очень высокая скважность, дающая сильное мерцание. В этой свето­диодной подсветке используется более высокая частота — 420 Гц, но она всё же слишком низка, чтобы устранить эффект мерцания. Видимый цветовой сдвиг в течение циклов отсутствует.

Заключение

Как мы отметили вначале, эта статья написана не для того, чтобы отпугнуть людей от современных ЖК-дисплеев, а для того, чтобы помочь людям узнать о потен­циальной проблеме, связанной с ШИМ. С учётом растущей популярности мониторов с подсветкой на основе белых светодиодов (W-LED) довольно вероятно появление большего количества жалоб пользо­вателей по сравнению с более старыми дисплеями, и связано это с исполь­зованием ШИМ-метода и, в конечном итоге, с выбранным типом подсветки. Конечно, проблемы, к которым может привести исполь­зование ШИМ, заметны не каждому, и в действи­тельности я ожидаю, что людей, которые никогда не испытают описанных симптомов, гораздо больше, чем тех, кто испытает. Для тех, кто страдает от побочных эффектов, включая головные боли и пере­напряжение глаз, теперь есть хотя бы объяснение.

Учитывая, что такая технология, как ШИМ, исполь­зуется давно и успешно, а также многие годы её исполь­зования в CCFL-дисплеях, я, откровенно говоря, сомневаюсь, что в ближайшее время в этом плане что-то изменится, даже при усиливающемся переходе к свето­диодной подсветке. ШИМ по-прежнему является надёжным способом управления интенсив­ностью подсветки и, следовательно, предлагает возможности регули­рования яркости, необходимые каждому пользователю.

Тем, кто беспокоится о побочных эффектах или имеет проблемы с предыдущими дисплеями, следует попробовать определить частоту ШИМ в их новом дисплее и, возможно, даже попробовать найти экран, в котором ШИМ для управления яркостью подсветки не исполь­зуется вообще. К сожалению, нам ещё предстоить увидеть, как производители станут указывать какие-либо технические характе­ристики, касающиеся исполь­зования ШИМ, или её частоту при определённых уровнях яркости, поэтому сейчас об этом судить трудно.

Установка макси­мальной яркости экрана является одним из возможных методов, помогающих уменьшить побочные эффекты благодаря меньшей скважности. Это решение, конечно, не идеально, поскольку многие дисплеи имеют очень высокий заводской или макси­мальный уровень яркости, но это хотя бы что-то, что может помочь. Управление яркостью на программном уровне или средствами драйвера видео­карты может помочь вернуть более комфортную яркость, но может привести к снижению контрастности.