Прокрутить к контенту ↓


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 спецификациях 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 изменения 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 выхода их 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 ввиду обозначенных выше причин, 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 продолжит 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, и дисплей как таковой 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 является наиболее чувствительным.

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 дисплеев, 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. Как именно использовать этот способ, 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 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

Используя выдержку 1/25 секунды, мы можем ясно увидеть 7 циклов, из чего следует, что 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, из чего следует, что 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 светодиводов (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 использование 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 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.