电子产品的频闪讨论

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频闪就是亮度随时间周期性变化的情况.

b站影视飓风关于频闪的介绍:

频闪的分类

种类 原因 频率 形态 可能解决方式
光源 交流电产生的 100hz或120hz $|\cos x|$ 调整拍摄频率和交流电保持一致
调整快门时间, 让快门覆盖整数个周期
LED屏幕 PWM调光 都有 rectangular pulse
由duty cycle(占空比)决定		 除了增加快门时间, 让条纹不明显
目前没有什么好的解决方式

我手里的电子设备观测

按照模型, 影响拍到的pattern的有: 相机的频率$f$, 快门时间(<$\frac{1}{f}$), 相位(快门扫描速度), pwm的频率, 占空比, 每行的相位.

我们用相机去拍屏幕的时候,拍到的理论上亮, 暗的部分都是由于相位的不同, 不会相差超过一个周期, 所以$\frac{最亮}{最暗}<\frac{ceil(\frac{快门时间}{pwm周期})}{floor(\frac{快门时间}{pwm周期})}$

条件: 用我的iphone11拍摄, 240fps的慢镜头, 快门时间不知道, 但是大概有1/500s左右?

iphone12手机:

Pasted image 20240122233401.png 另一个方向: Pasted image 20240122233636.png

  1. 在同一帧内, 在一个方向是横条纹, 把镜头换了一个方向却出现了斜向的条纹:
    • 合理的解释是可能屏幕上不同行的led灯相位不同. 考虑到相机每行是同时曝光的, 相机和屏幕垂直拍摄就会出现在一行拍到了多个相位的情况, 也就是斜向的条纹
  2. 出现黑色和白色: 看起来亮度就只有两档, 白色比例远高于黑色
    • 从黑色的清晰度来看, pwm的周期可能比快门时间要长…
    • 在最暗的情况下, 可能低位完全覆盖快门时间, 所以看到的黑色是纯黑的, 而白色是在高位时间积分得到的
      • Pasted image 20240123112400.png
    • 在网上看到的另一个手机测试视频里, 黑白的比例能看出变化
  3. 出现一紫三白的规律:
    • 绿色灯的规律好像没法用我们的模型解释. 似乎出现了两个周期?
  4. 随着调亮屏幕: pattern的样子没有变, 但是渐渐不那么黑白分明了, 暗条纹变宽, 屏幕的整体亮度也有所提高:
    • pwm低位的时间在减少
    • 当高位完全覆盖快门时间, 其亮度比例大约为 $\frac{暗}{亮}\approx \frac{快门时间\% pwm周期-低位时间}{快门时间\% pwm周期}$
  5. 在视频中, 条纹随时间变化:
    • 有评论说iphone12的屏幕频率是240, 从实验结果来说, 和240fps的镜头并不匹配, 说明频率不是240. 从条纹的清晰度推测频率在几百量级

MacbookPro:

Pasted image 20240122233738.png

  • 网上有说法是mac的pwm频率为11800, 那么, 亮-暗/亮 对比不会超过 $\approx 500/11800\approx 1/23$ , 从图像的亮暗清晰度来看, 也不能算是和我拍摄的图像矛盾吧. 另外, 改用60fps的视频模式去拍, 这个图案也是可见的. 这个数字是否可信不好判断呢…但是能肯定频率至少是上千的

问题

  • 能否通过所有参数已知的相机, 通过图像,视频解出pwm调光的参数?
    • TOF问题中有些类似的方法解相位
    • 如果已知屏幕信号和相机信号的auto-correlation结果, 自然知道屏幕的信号, 但是我们目前能测量的是在快门时间内积分的亮度

Strobe Light Control

闪频控制提供了一个和相机曝光同时控制的光源, 可以解决高速摄影(即频率高, 快门时间短) 的频闪问题. 奇怪的是, 有些手机CIS产品(比如格科微的GC02M1B), 一般工作频率是30fps, 也提供一个闪频控制的灯光, 想不通应用场景是什么.

频闪的检测

在淘宝上看到的几种频闪检测仪器

IMG_8267.jpg IMG_8268.jpg IMG_8265.jpg IMG_8266.jpg

频闪对人眼的风险

参数 公式 含义
频闪百分比(波动深度, percent filcker, FPF) $\frac{A\text{(最大值)}-B\text{(最小值)}}{A+B}\cdot$ 100% 表示波动的剧烈程度
频闪指数(Filcker index) $\frac{A_1\text{(平均值上面积)}}{A_1+A_2\text{(平均值下面积)}}$ 表示频闪的不稳定程度?
pwm调光时降低占空比,
平均值降低,
频闪指数会变高
  • 几种频闪的标准
  • 理解
    • 规定里只提及了频闪百分比, 没有提及频闪指数. PWM调光的频闪百分比理论上应该都是100%? 感觉这个标准考虑的只有灯光, 根本没有考虑oled屏幕
    • 规定里认为只要是>3125hz的高频, 怎么样的波形都无风险

仿真代码

rect_pluse.py

reference

[1] https://www.hangjianet.com/topic/15627339606370002 标准

[2] https://post.smzdm.com/p/ag8lgep6/ 手机测评

[3] https://zhuanlan.zhihu.com/p/30939047 用测量仪测试 手机上不同行的led可能相位并不同, 所以这种直接对着屏幕的测量方式应该是有问题的..

[4] https://discussions.apple.com/thread/254350073?sortBy=best 评论了iphone和mac的频率

[5] https://spectrum.ieee.org/the-iphone-12-mini-makes-me-sick-literally 评论说制造商可能让pwm频率约等于屏幕刷新率的4倍

[6] https://www.hangjianet.com/topic/14734042955300000 一些从硬件上处理灯光频闪的方案

[7] https://www.dxomark.com/flicker-the-display-affliction/ dxomark对一些手机的具体测试过程和结果: 可以理解成手机上不同行虽然相位不同, 频率都是一致的吧? 虽然不同相位相同频率的波相加可能得到更高频的信号.. 这里我们就假设相位随机, 测出的频率就是pwm频率

其他手机的效果

这个知乎帖子看到的 明显占空比变化