PART-01

問(wèn)題描述

前不久，我們?cè)贐站收到了這樣一個(gè)技術(shù)問(wèn)題：

為什么頻率高達(dá)30000Hz的顯示器，無(wú)法拍出密集黑條紋？是拍攝手法不對(duì)？還是其他原因？真相究竟是怎樣的呢？于是，泰坦軍團(tuán)委托硬核技術(shù)團(tuán)隊(duì)“真相組”，為我們揭開(kāi)問(wèn)題背后的真相。

PART-02

分析過(guò)程

“市面上使用mini-LED技術(shù)的液晶顯示器是通過(guò)全屏頻閃實(shí)現(xiàn)亮度控制，也就是大家常說(shuō)的PWM調(diào)光。而相機(jī)拍攝時(shí)出現(xiàn)的黑條紋數(shù)量不僅與顯示器的調(diào)光頻率有關(guān)，還與拍攝設(shè)備的CMOS像素讀取速度有很大關(guān)系。部分相機(jī)在拍攝30000Hz PWM調(diào)光的液晶顯示器時(shí)，也有可能不會(huì)出現(xiàn)密集黑條紋，是正?，F(xiàn)象。”真相組分析說(shuō)。

黑條紋數(shù)量與調(diào)光頻率有關(guān)，相信大家都知道，但是與相機(jī)的CMOS有什么聯(lián)系？為了解釋這個(gè)問(wèn)題，真相組首先為我們科普了相機(jī)的成像原理：從人手一支的手機(jī)到專(zhuān)業(yè)相機(jī)，使用的基本都是CMOS傳感器進(jìn)行成像。但是CMOS傳感器有一個(gè)弱點(diǎn)，那就是除了某幾個(gè)最頂級(jí)型號(hào)的CMOS傳感器增加了采樣保持單元之后實(shí)現(xiàn)了全域快門(mén)以外，絕大多數(shù)的CMOS傳感器都需要依次順序讀取像素的電壓信息，俗稱(chēng)“卷簾快門(mén)”。這就導(dǎo)致對(duì)于非頂級(jí)型號(hào)的CMOS傳感器們來(lái)說(shuō)，它們身上每一個(gè)像素點(diǎn)開(kāi)始記錄的時(shí)間是依次順延的，所以它們所記錄的并不是同一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的色彩。舉一個(gè)非常極端的例子，一個(gè)CMOS上有2個(gè)像素點(diǎn)，它的處理器速度非常慢，每秒只能讀取1個(gè)像素點(diǎn)的信息，那①號(hào)像素點(diǎn)記錄的是第1秒的色彩，而②號(hào)像素點(diǎn)記錄的就是第2秒的色彩。

現(xiàn)在，讓我們把這個(gè)CMOS升級(jí)一下，讓它變成豎排一溜具有10個(gè)像素點(diǎn)CMOS傳感器，然后我們也升級(jí)一下處理器，讓它每秒能讀取5個(gè)像素點(diǎn)的信息，也就是說(shuō)每隔0.2秒讀取1個(gè)像素點(diǎn)。在它的前面放一臺(tái)背光使用PWM調(diào)光的LCD顯示器，并且把PWM調(diào)光頻率調(diào)整到1Hz、40%占空比，也就是每秒亮暗一次記為一個(gè)周期，1Hz就是一個(gè)周期的時(shí)間為1秒，每次亮起的時(shí)間為一周周期時(shí)間的40%，也就是0.4秒。最后，將這塊CMOS的曝光時(shí)間設(shè)置為1/5秒，來(lái)看看這塊CMOS將記錄下什么樣的情況。

所以最終相機(jī)拍攝到的畫(huà)面中會(huì)出現(xiàn)2條黑線。那是不是LCD顯示器的PWM調(diào)光頻率越高，黑線就越多呢？對(duì)，但不完全對(duì)！為什么這樣說(shuō)？同樣用這塊CMOS做例子，將顯示器的PWM調(diào)光頻率從1Hz提升到2Hz，占空比仍然為40%，也就是說(shuō)，顯示器每個(gè)亮暗周期為0.5s，每個(gè)亮暗周期亮起0.2s，情況會(huì)發(fā)生改變嗎？

所以最終相機(jī)捕捉到的畫(huà)面出現(xiàn)了4條黑條紋和2條50%亮度的灰條紋。這不正好驗(yàn)證了“PWM調(diào)光頻率越高、黑條紋越多”的觀點(diǎn)嗎？其實(shí)它有一個(gè)很重要的前提條件：CMOS像素讀取速度相同。世界上并不是所有的CMOS讀取速度都是一樣的，有些CMOS的讀取速度就非?？欤僭O(shè)我們把手里的這塊CMOS升級(jí)一下，讓它的讀取速度變成每隔0.1秒讀取1個(gè)像素點(diǎn)，但快門(mén)我們?nèi)匀槐３譃?/5s。

于是，相機(jī)捕捉到的黑條紋數(shù)量從4條減少到了2條。所以，不同的相機(jī)拍攝同一臺(tái)顯示器，CMOS像素讀取速度越快，畫(huà)面里的黑條紋就會(huì)越少。那快門(mén)又有什么作用呢？為什么相機(jī)的快門(mén)越快，畫(huà)面中的黑條紋就會(huì)越多？其實(shí)，細(xì)心的玩家應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，對(duì)于一些像素來(lái)說(shuō)，從它開(kāi)始記錄到結(jié)束記錄的這段時(shí)間里，LCD顯示器并不是全程亮起或者全程暗掉的，而是亮一段時(shí)間、暗一段時(shí)間。當(dāng)我們加快快門(mén)之后，就會(huì)減小這種現(xiàn)象。拿最后一次舉例子的場(chǎng)景，我們將CMOS的快門(mén)調(diào)整到1/10s。

大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)：黑線仍然是2條，但是原本應(yīng)該是灰色線條的地方不見(jiàn)了，但原本應(yīng)該是100%亮的地方卻暗掉了50%。

PART-03

分析總結(jié)

為了方便說(shuō)明，我們可以之前把屏幕全亮?xí)r記錄的信息稱(chēng)為“白區(qū)”，把屏幕全暗時(shí)記錄的信息稱(chēng)為“黑區(qū)”，把屏幕半亮半暗時(shí)記錄的信息稱(chēng)為“灰區(qū)”，那我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，隨著快門(mén)速度的增加，灰區(qū)的部分會(huì)減少，灰區(qū)+黑區(qū)整合起來(lái)的線條變細(xì)了，整個(gè)畫(huà)面的亮度也會(huì)越來(lái)越暗。

對(duì)于真實(shí)場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，相機(jī)CMOS的讀取速度是很快的，所以通常在正常曝光模式時(shí)間下，比如1/60秒，或者1/500秒這種時(shí)間里，我們拍出的基本都是灰區(qū)的部分的，因?yàn)樵谶@個(gè)曝光時(shí)間里，幾乎每個(gè)像素都經(jīng)歷到了半亮半暗的狀態(tài)，但隨著快門(mén)速度的增加，原本是灰區(qū)的地方要么變成白區(qū)，要么變成黑區(qū)，所以黑色線條就會(huì)漸漸顯露出來(lái)，這就是為何快門(mén)越快、畫(huà)面黑條紋越多的原因。

快門(mén)與黑條紋關(guān)系展示，圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

總結(jié)一句，你在拍顯示器時(shí)，黑條紋的密集度，不僅由顯示器本身的調(diào)光頻率決定，還有一個(gè)原因掌控在你手里——你手中拍攝設(shè)備的CMOS像素讀取速度如何。