什麼是屏幕刷新率？ [農步祥]

在2017年，手機、平板電腦等移動設備的顯示技術在不斷地更新換代，HDR10、P3色域等已經逐步成為高端手機的標配，在近期Soomal也針對HDR顯示相關技術進行了一系列介紹。

雷蛇 Razer Phone 智能手機

Apple 蘋果 iPad Pro[第二代]10.5平板電腦

然而天下武功，唯快不破，蘋果第二代iPad Pro和Razer Phone分別在兩大移動系統陣營提供了最高的120Hz刷新率規格，刷新率是什麼鬼？屏幕速度快又有什麼實際意義？從不開電腦的手機用戶定是一頭霧水，在談夠了色彩和亮度後，今天我們就來談談移動顯示的速度指標的基礎和重要性。

刷新率[Hz]

CRT的掃描光線效果 - 圖片來自互聯網

PWM開關對畫面的亮度影響 - 圖片來自互聯網

刷新率是指顯示屏的圖像切換頻率，單位是Hz，這是現代顯示設備可以顯示運動畫面的基礎。在CRT[陰極射線管]顯示的大塊頭顯示器時代，刷新率就是屏幕的垂直掃描頻率，如果用戶設置的刷新率低於72Hz，就會明顯感受到畫面的垂直閃爍，一般都會推薦提升至75-90Hz以上使用。觀看時還要保持距離以避免長時間畫面閃爍對視力造成影響。

不過在如今的LCD屏幕中，畫面的運動已經不需要通過掃描的方式實現，因此刷新率是屏幕繪製圖形變化的速率，主流的液晶顯示設備刷新率在60Hz就可以滿足大多數人的正常使用。液晶屏幕的「閃爍」是來自背光燈管的PWM開關頻率以此控制液晶屏幕亮度，與畫面的運動無關，這個頻率至少在200Hz以上，但如果用戶將屏幕亮度調最低時，單位時間內燈管關閉的時長要高於工作時長，也會造成畫面的明暗閃爍，引起不適，最簡單的驗證方式就是用手機攝像頭對著液晶顯示器或電視屏幕，閃爍就是PWM頻繁開關導致。解決方法是儘可能提高PWM頻率或使用改變電流方式調整LED的明暗。

響應時間

這裡就引申出另一個概念，在LCD顯示中，畫面的移動是通過像素的變化來實現的，那麼像素分子對畫面變化也需要在1/60秒內[約16.6毫秒]做出響應，如果響應時間高於16毫秒跟不上刷新速率，那麼用戶將看到在畫面變化中運動停留的軌跡，這個負面效果就是常說的「拖影」。

Nokia 諾基亞 Lumia 920 智能手機

在10年前，包括手機和平板電腦在內的主流價位的液晶顯示設備的灰階響應時間並不能跟上畫面刷新率，即使在2017年也有很多中高價位手機的灰階響應時間超過40-50毫秒。從諾基亞Lumia 920開始通過驅動加速和快門刷新等技術普及後，以及移動OLED面板的出現才逐漸實現響應同步。響應時間的另一個敵人是「冬將軍」，在低溫下LED背光燈管的電子遷移速度要比常溫下更低，所以手機屏幕往往越冷拖影約明顯，即使手機的色彩和亮度表現滿足需求，鬼影和模糊也會讓用戶覺得眼睛難受。

幀率[FPS]

testufo.com上的系統幀率和刷新率的測試動圖

既然刷新率、響應速度是越高越好，那為何當前主流屏幕刷新率只有60Hz而非更高？顯示刷新率的受限因素是顯示帶和寬硬體性能，在3840x2160高解析度下，單張畫面就需要處理800萬像素。雖然帶寬可以隨著介面和協議版本提升，例如從HDMI1.4升級到2.0，手機內部的顯示帶寬也足夠高，但圖形硬體的運算和輸出性能是有限的。決定畫面快慢的並不僅僅是顯示器的刷新率，還得加上硬體和操作系統自身可以生成的畫面速率，人們通常將畫面顯示的速度稱為FPS，即每秒能生成的幀數速率[1幀即為一張完整的畫面]。

垂直同步

刷新率和幀率必須要同步顯示，一旦兩者出現差別，例如生成的畫面大於或小於刷新率，那麼後一幀和前一幀畫面會在同一時間交替出現，就會出現畫面撕裂等顯示異常。

模擬沒有垂直同步時畫面撕裂的效果 - 圖片來自互聯網

雖然看靜態圖片、視頻等工作下硬體每秒60Hz的負擔並不是太大問題，但是在複雜3D渲染中手機是很難做到每秒60幀的生成速度的，為了避免畫面撕裂，屏幕必須等待GPU渲染完成後再進行同步刷新；反過來對於性能過於強大的電腦來說[例如某些人雙路GTX1080台式機]，則是需要限制GPU的畫面生成速率實現同步，這些屏幕和顯卡相互適應依靠被稱為垂直同步的技術來實現。

高刷新率和高幀率的意義

iPad Pro和Apple Pencil手寫筆 - 圖片來自蘋果官網

更流暢的交互：顯示設備並不是單純用來觀看，也存在大量的用戶交互操作，輸入的操作會因為各種設備的響應時間而造成延遲。無論是電競玩家或是普通數碼設備用戶，延遲向來是越低越好。因為響應時間這一概念不僅存在於屏幕，也廣泛存在於各類輸入設備上，例如網路、硬碟、滑鼠、鍵盤、手機的觸控屏幕組件、手寫筆，甚至是屏幕自己將輸入畫面信號顯示出來的都需要時間。這些輸入組件的響應速度是不會與屏幕「同步」的，如果屏幕的刷新率為60Hz，響應時間最終會被大幅度疊加，從輸入到顯示的實際延遲要遠大於16毫秒。例如Surface和iPad Pro一代，手寫筆響應速度延遲通常在0.1-0.3秒之間，如果用戶感覺手機的觸控操作總比手指慢一些，也正是這個原因。

所以，提高屏幕刷新率不僅僅是為了顯示響應更快，也是為了更順滑的交互體驗，在iPad Pro採用ProMotion的自適應刷新率技術不僅提升了屏幕響應速度，也加快了觸控組件的響應。結合A10X處理器240Hz的畫面處理能力，iPad Pro二代的手寫筆響應速度可以降低至20-50毫秒，這對於喜歡繪畫書寫的用戶來說，是一個非常明顯的進步。

更平滑的動畫：因為運動速度的加快不僅讓動畫更平滑，也會使液晶拖影明顯減少。120Hz就意味著屏幕每秒可生成120幀的畫面和8毫秒的液晶響應延遲，即使是瀏覽網頁、刷微博微信、看電影時有效減少鬼影和殘影。手游是目前最熱門的遊戲市場，自然也會有追求遊戲品質和操作的用戶，120Hz就意味著輸入延遲更低和更流暢的畫面，也鼓勵了開發者的審美和水平走向向更高的層次。而在移動AR應用中，更快的響應和顯示速度意味著實時虛擬信息能和現實世界順暢無縫對接。而VR應用對屏幕的苛刻要求更不用多言，目前主流的PCVR設備刷新率在90Hz都談不上平滑，移動VR設備則更慘不忍睹。

總結

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SAMSUNG 三星 Galaxy S9 智能手機 - 對比Galaxy Note8

人們對於觀影的體驗需求往往是更逼真和自然，因此和色彩、亮度一樣，人們對顯示技術速度的追求也從未停止。在小屏幕上，OLED競爭優勢之一就是速度，子像素主動發光可以帶來極快的液晶響應時間，灰階響應時間最短在5ms以下，例如谷歌Pixel系列手機和三星Galaxy系列手機的LG/三星OLED面板的顯示刷新率就已經達到75Hz，因此畫面和交互流暢度要高於業界平均水準。但是OLED的優勢並非無解，iPad Pro和Razer Phone的TFT面板也可以通過技術改進提供120Hz的高刷新率，行業和技術標準的鬥爭從未止步。

和色域、亮度一樣，戶外使用需求、HDR技術的出現讓sRGB、100nits等近30年的標準變得非常過時。同樣的《比利林恩的中場休息》等少量新電影已經開始嘗試進行60-120FPS的錄製回放，隨著消費者在移動影視、遊戲娛樂的投入更大，移動應用領域向AR、VR等領域擴展，人們對顯示速度的需求自然也會越來越高。

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