【走进科学】没有拍到密集黑条纹，所以不是高频PWM？真相其实在你手里……
PART-01
问题描述
前不久，我们在B站收到了这样一个技术问题：
为什么频率高达30000Hz的显示器，无法拍出密集黑条纹？是拍摄手法不对？还是其他原因？真相究竟是怎样的呢？于是，泰坦军团委托硬核技术团队“真相组”，为我们揭开问题背后的真相。
PART-02
分析过程
“市面上使用mini-LED技术的液晶显示器是通过全屏频闪实现亮度控制，也就是大家常说的PWM调光。而相机拍摄时出现的黑条纹数量不仅与显示器的调光频率有关，还与拍摄设备的CMOS像素读取速度有很大关系。部分相机在拍摄30000Hz PWM调光的液晶显示器时，也有可能不会出现密集黑条纹，是正常现象。”真相组分析说。
黑条纹数量与调光频率有关，相信大家都知道，但是与相机的CMOS有什么联系？为了解释这个问题，真相组首先为我们科普了相机的成像原理：从人手一支的手机到专业相机，使用的基本都是CMOS传感器进行成像。但是CMOS传感器有一个弱点，那就是除了某几个最顶级型号的CMOS传感器增加了采样保持单元之后实现了全域快门以外，绝大多数的CMOS传感器都需要依次顺序读取像素的电压信息，俗称“卷帘快门”。这就导致对于非顶级型号的CMOS传感器们来说，它们身上每一个像素点开始记录的时间是依次顺延的，所以它们所记录的并不是同一个时间节点的色彩。举一个非常极端的例子，一个CMOS上有2个像素点，它的处理器速度非常慢，每秒只能读取1个像素点的信息，那①号像素点记录的是第1秒的色彩，而②号像素点记录的就是第2秒的色彩。
现在，让我们把这个CMOS升级一下，让它变成竖排一溜具有10个像素点CMOS传感器，然后我们也升级一下处理器，让它每秒能读取5个像素点的信息，也就是说每隔0.2秒读取1个像素点。在它的前面放一台背光使用PWM调光的LCD显示器，并且把PWM调光频率调整到1Hz、40%占空比，也就是每秒亮暗一次记为一个周期，1Hz就是一个周期的时间为1秒，每次亮起的时间为一周周期时间的40%，也就是0.4秒。最后，将这块CMOS的曝光时间设置为1/5秒，来看看这块CMOS将记录下什么样的情况。
所以最终相机拍摄到的画面中会出现2条黑线。那是不是LCD显示器的PWM调光频率越高，黑线就越多呢？对，但不完全对！为什么这样说？同样用这块CMOS做例子，将显示器的PWM调光频率从1Hz提升到2Hz，占空比仍然为40%，也就是说，显示器每个亮暗周期为0.5s，每个亮暗周期亮起0.2s，情况会发生改变吗？
所以最终相机捕捉到的画面出现了4条黑条纹和2条50%亮度的灰条纹。这不正好验证了“PWM调光频率越高、黑条纹越多”的观点吗？其实它有一个很重要的前提条件：CMOS像素读取速度相同。世界上并不是所有的CMOS读取速度都是一样的，有些CMOS的读取速度就非常快，假设我们把手里的这块CMOS升级一下，让它的读取速度变成每隔0.1秒读取1个像素点，但快门我们仍然保持为1/5s。
于是，相机捕捉到的黑条纹数量从4条减少到了2条。所以，不同的相机拍摄同一台显示器，CMOS像素读取速度越快，画面里的黑条纹就会越少。那快门又有什么作用呢？为什么相机的快门越快，画面中的黑条纹就会越多？其实，细心的玩家应该已经发现了，对于一些像素来说，从它开始记录到结束记录的这段时间里，LCD显示器并不是全程亮起或者全程暗掉的，而是亮一段时间、暗一段时间。当我们加快快门之后，就会减小这种现象。拿最后一次举例子的场景，我们将CMOS的快门调整到1/10s。
大家有没有发现：黑线仍然是2条，但是原本应该是灰色线条的地方不见了，但原本应该是100%亮的地方却暗掉了50%。
PART-03
分析总结
为了方便说明，我们可以之前把屏幕全亮时记录的信息称为“白区”，把屏幕全暗时记录的信息称为“黑区”，把屏幕半亮半暗时记录的信息称为“灰区”，那我们就会发现，随着快门速度的增加，灰区的部分会减少，灰区+黑区整合起来的线条变细了，整个画面的亮度也会越来越暗。
对于真实场景来说，相机CMOS的读取速度是很快的，所以通常在正常曝光模式时间下，比如1/60秒，或者1/500秒这种时间里，我们拍出的基本都是灰区的部分的，因为在这个曝光时间里，几乎每个像素都经历到了半亮半暗的状态，但随着快门速度的增加，原本是灰区的地方要么变成白区，要么变成黑区，所以黑色线条就会渐渐显露出来，这就是为何快门越快、画面黑条纹越多的原因。
快门与黑条纹关系展示，图片来源于网络
总结一句，你在拍显示器时，黑条纹的密集度，不仅由显示器本身的调光频率决定，还有一个原因掌控在你手里——你手中拍摄设备的CMOS像素读取速度如何。
