手機護眼概論及OLED螢幕降低頻閃原理介紹

cjyyxn發表於2024-06-26

影響護眼的因素

藍光

目前手機大多已經實現硬體低藍光，而且藍光也可以透過護眼模式輕易克服。

偏振光

偏振光指振動方向與傳播方向不對稱的光，主要分為圓偏振光與線偏振光兩種。

線偏振光測試方法為：透過偏振片看螢幕，旋轉偏振片，若存在某個角度螢幕發出的光線無法透過偏振片，則是線偏振光。一些墨鏡鏡片、相機的cpl鏡都可以作為偏振片使用。

大部分LCD螢幕是線偏振光[1]，少部分OLED螢幕（如紅米note12turbo）也是線偏振光。

2009年閆曉林等人讓隨機分組的測試者觀看圓偏振光電視和普通液晶電視，進行分級視力和眨眼頻率測試。透過分級視力變化和眨眼頻率反映視疲勞程度。分析得出，當觀看兩種偏振光電視一段時間後，不論是兒童還是成人都會產生暫時視力下降。圓偏振光與線偏振光相比，引起的視覺疲勞程度會小一些。研究者推測是由於圓偏振光本身與線偏振光相比，其振動面不只限於某一固定方向，而是圍繞光的前進方向轉動，旋轉電向量端點描出均勻圓軌跡，這與自然光的振動面在各個方向上均勻分佈是比較接近的，因而可能產生的視疲勞較輕。[2]

在螢幕貼膜之後，線偏振光的成分會減少，因此可以作為護眼的手段。

眩光

眩光是一種影響視覺的機制。它是指視野中亮度分佈不均勻、亮度範圍變化不適宜、或者時間和空間上存在極端對比，造成人眼在觀看時的不舒適之感或觀察細部物體能力降低的現象。按照眩光產生的標準，可以分為直接眩光和反射眩光。

貼AR抗反射膜，可以減少反射眩光。

螢幕的頻閃

頻閃的度量

目前手機螢幕頻閃的度量主要有兩種方式，一種是用低快門時間的相機拍攝手機螢幕，觀察黑色條紋；另一種是高時間解析度的照度探頭，測出螢幕上指定區域的亮度隨時間變化曲線，再透過一定的公式計算出頻閃效應可見性度量值（SVM, Stroboscopic effect visibility measure）。

相機拍攝

相機拍攝的方式相當簡單，只要有一部手機，就可以觀察頻閃程度。具體方法為，將手機相機調到專業模式，將快門時間調到 1/4000 秒以下，對準被測手機螢幕，然後可以看到黑色條紋，如圖所示。

一般來說，黑色條紋越寬、顏色越深、越稀疏，頻閃程度越強。

SVM 計算方法[3]

感測器測得的照度隨時間變化產生波形。將波形歸一化，使時間平均值等於 1 ，得到相對照度波形，記為 \(y(t)\)，並進行三角傅立葉級數展開

\[y(t) = \dfrac{a_0}{2} + \sum\limits_{m=1}^{\infty} \left[ a_m\cos\left(\dfrac{2\pi m t}{T}\right) + b_m\sin\left(\dfrac{2\pi m t}{T}\right) \right] \]

相對照度波形的第 \(m\) 個傅立葉分量的相對幅度記為 \(C_{m} = \sqrt{a_m^2 + b_m^2}\)，頻率記為 \(f_{m} = \dfrac{m}{T}\)。

考慮頻閃效應對比度閾值函式（stroboscopic effect contrast threshold function）

記 \(T_{m}\) 為頻率 \(f_{m}\) 對應的頻閃效應對比度閾值函式值。

則 SVM 計算公式如下

\[\mathrm{SVM}=\left[~\sum\limits_{m=1}^{\infty}\left(\dfrac{C_{m}}{T_{m}}\right)^{3.7}~\right]^{1/3.7} \]

SVM 值越高，頻閃程度越高。而且 SVM 值是可以進行精確計算的，因此可以把 SVM 作為頻閃分析的理論依據。

觀察 SVM 的計算過程，可以發現其取值與螢幕亮度絕對值無關，只與亮度隨時間變化曲線的形狀有關。

亮度越高，頻閃越低

這個結論非常容易驗證。最直接的，B站up主低調的山用相機拍攝過大量OLED螢幕，都有在高亮度下低頻閃，在低亮度下高頻閃的現象[4]。

更進一步的，up主Navis-慢點評測展示了OLED手機螢幕 SVM 隨螢幕亮度變化曲線[5]。

up主先看評測製作APP先看頻閃，同樣展示了OLED手機螢幕 SVM 隨螢幕亮度變化曲線[6]。

因此可以得出結論，一般情況下，OLED 螢幕亮度越高，頻閃越低。結合分析 SVM 計算過程得到的結論，有降低螢幕頻閃的方法：維持螢幕在高亮度，透過增加一個不透明度可調節的黑色濾鏡來控制螢幕實際亮度，從而實現在低亮度下也有低頻閃，這就是透過螢幕濾鏡降低手機頻閃的原理。

螢幕濾鏡的侷限

之前提到，螢幕濾鏡可以降低螢幕亮度，同時維持亮度隨時間變化曲線的形狀不變。而 SVM 只取決於亮度隨時間變化曲線的形狀。因此，螢幕濾鏡可以讓 SVM 一直處於最小值即頻閃最低的同時降低螢幕亮度。

但是，真實情況並非如此。螢幕頻閃由pwm調光和畫素重新整理共同決定。高亮度下pwm調光佔主導，超低亮度下畫素重新整理占主導地位。這是因為超低亮度的時候pwm調光的波動不如畫素重新整理的波動大，120Hz 重新整理率，每一次重新整理就需要關閉再點亮一次畫素，這個重新點亮就意味著頻閃[7]。

所以，即使使用了螢幕濾鏡，在超低亮度下也會存在 120Hz 的頻閃！

螢幕濾鏡在安卓系統的實現

幸運的是，安卓系統給出了足夠的 api，使我們能夠實現螢幕濾鏡。

首先，app 需要開啟無障礙服務，獲取顯示在整個螢幕上的許可權。

參考：https://developer.android.com/guide/topics/ui/accessibility/service

開啟無障礙服務後，利用無障礙服務的上下文獲取整個螢幕的視窗管理器，往視窗管理器新增純黑色、透明度可調的檢視物件，和相應的引數物件，就實現了螢幕濾鏡。

將無障礙服務上下文傳入下面程式碼的 FilterViewManager 物件，即可在螢幕上顯示一個透明度可調的黑色濾鏡。

import android.content.Context;
import android.graphics.Color;
import android.graphics.PixelFormat;
import android.os.Handler;
import android.os.Looper;
import android.view.View;
import android.view.WindowManager;

public class FilterViewManager {

    private final Context context;
    private final WindowManager windowManager;
    private final WindowManager.LayoutParams layoutParams;
    private final FilterView filterView;
    /**
     * 濾鏡處於開啟狀態，為 true
     */
    public boolean isOpen;
    private float alpha = 0f;
    private float hardwareBrightness = 0f;

    public FilterViewManager(Context c) {
        // 這裡假設傳入的 Context 有無障礙許可權，後面的程式碼不對無障礙許可權進行檢驗

        isOpen = false;
        context = c;
        windowManager = (WindowManager) context.getSystemService(Context.WINDOW_SERVICE);
        layoutParams = new WindowManager.LayoutParams();
        filterView = new FilterView(context);

        layoutParams.type = WindowManager.LayoutParams.TYPE_ACCESSIBILITY_OVERLAY;
        // width 和 height 儘可能大，從而覆蓋螢幕
        layoutParams.width = 4000;
        layoutParams.height = 4000;
        layoutParams.format = PixelFormat.TRANSLUCENT;
        layoutParams.flags = WindowManager.LayoutParams.FLAG_NOT_FOCUSABLE |
                WindowManager.LayoutParams.FLAG_NOT_TOUCH_MODAL |
                WindowManager.LayoutParams.FLAG_NOT_TOUCHABLE |
                WindowManager.LayoutParams.FLAG_LAYOUT_IN_SCREEN |
                WindowManager.LayoutParams.FLAG_LAYOUT_NO_LIMITS |
                WindowManager.LayoutParams.FLAG_HARDWARE_ACCELERATED;
    }

    public void open() {
        new Handler(Looper.getMainLooper()).post(() -> {
            // 在UI執行緒中更新UI元件
            if (!isOpen) {
                windowManager.addView(filterView, layoutParams);
                isOpen = true;
            }
        });
    }

    public void close() {
        new Handler(Looper.getMainLooper()).post(() -> {
            // 在UI執行緒中更新UI元件
            if (isOpen) {
                windowManager.removeView(filterView);
                isOpen = false;
            }
        });
    }

    public float getAlpha() {
        if (isOpen) {
            return alpha;
        } else {
            return -1f;
        }
    }

    public void setAlpha(float alpha) {
        new Handler(Looper.getMainLooper()).post(() -> {
            if (isOpen) {
                float a = Math.min(1f, Math.max(0f, alpha));
                // 在UI執行緒中更新UI元件
                filterView.setAlpha(a);
                this.alpha = a;
            }
        });
    }

    public float getHardwareBrightness() {
        if (isOpen) {
            return hardwareBrightness;
        } else {
            return -1f;
        }
    }

    public void setHardwareBrightness(float brightness) {
        new Handler(Looper.getMainLooper()).post(() -> {
            if (isOpen) {
                float b = Math.min(1f, Math.max(0f, brightness));
                // 在UI執行緒中更新UI元件
                // layoutParams.screenBrightness 會覆蓋系統亮度設定
                layoutParams.screenBrightness = b;
                windowManager.updateViewLayout(filterView, layoutParams);
                hardwareBrightness = b;
            }
        });
    }

    private static class FilterView extends View {

        public FilterView(Context context) {
            super(context);
            setBackgroundColor(Color.BLACK);
            setAlpha(0f);
        }

        @Override
        public void setAlpha(float alpha) {
            super.setAlpha(alpha);
            invalidate();
        }
    }
}

開源 APP：濾鏡護眼防頻閃

github 專案：https://github.com/cjyyx/ScreenFilter

對於 OLED 螢幕的手機，一般情況下，螢幕亮度越低，頻閃越強。本應用控制螢幕具有較高的亮度，並透過給螢幕新增一層不透明度可調的黑色濾鏡來調節實際亮度，從而實現低亮度下也有低頻閃的效果。

注意：

  1. 支援直接拖動系統狀態列亮度條來控制亮度
  2. 當環境光照較高時，應用會自動關閉螢幕濾鏡並開啟系統自動亮度，從而使螢幕能夠達到最大激發亮度
  3. 最低支援版本安卓10
  4. 本應用在開發時沒有考慮相容性，目前只能保證在我的手機上正常執行。我的手機系統是 MIUI14
  5. 開啟濾鏡時不要開啟系統紙質護眼，否則會造成破圖

下載連結 1：github release
https://github.com/cjyyx/ScreenFilter/releases

下載連結 2：123雲盤
https://www.123pan.com/s/Be4Hjv-fUUtv.html

  1. 圓偏振光和線偏振光測試, https://www.bilibili.com/video/BV15n4y1R7pp ↩︎

  2. 張平奇,王丹,呂振華,等.健康顯示的影響因素綜述[J].液晶與顯示,2020,35(09):981-990. ↩︎

  3. 維基百科, https://en.wikipedia.org/wiki/Stroboscopic_effect ↩︎

  4. 低調的山, https://space.bilibili.com/394790691 ↩︎

  5. Navis-慢點評測, https://space.bilibili.com/8986182 ↩︎

  6. 先看頻閃, https://www.bilibili.com/video/BV1K14y1D7mg ↩︎

  7. 畫素重新整理稀釋, https://www.bilibili.com/opus/781396590214512640 ↩︎

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