Bande della fotocamera o sfarfallio dell’LCD? Che cosa può, e non può, dire un video dallo smartphone

Una squadra sul campo invia un video girato con lo smartphone. Bande scure scorrono lentamente su un LCD e il messaggio dice: «lo schermo sfarfalla, va sostituito». Chi ha girato il video può aggiungere che nella stanza lo schermo sembrava normale. Prima di respingere il modulo o approvarne la sostituzione, conviene chiarire con precisione che cosa ha mostrato il video.

Mostra bande variabili nell’area dello schermo registrata, in quelle condizioni di ripresa. Non stabilisce ancora se derivino da una modulazione temporale della luce, da un campionamento spaziale o da un altro effetto di acquisizione, né se il display sia danneggiato. Allo stesso modo, una clip senza bande non dimostrerebbe che il display è privo di sfarfallio. Una singola registrazione non può risolvere queste domande.

Perché una fotocamera può mostrare bande che l’occhio non vede

La spiegazione che segue riguarda le bande causate da una luce variabile che interagisce con la tempistica di esposizione; non tutte le righe in una foto di uno schermo hanno questa causa.

Molte fotocamere non catturano un intero fotogramma in un solo istante. Con un otturatore a scorrimento (rolling shutter), ogni riga del sensore inizia e termina l’esposizione in un momento leggermente diverso, una riga dopo l’altra (Teledyne Vision Solutions). Se la luce che raggiunge il sensore sale e scende durante questa scansione, alcune righe raccolgono più luce di altre. Il risultato è una serie di strisce più chiare e più scure in un unico fotogramma.

Sony descrive lo stesso meccanismo per le proprie fotocamere sotto un’illuminazione che sfarfalla: poiché la parte superiore e quella inferiore del sensore vengono esposte in momenti diversi, gli istanti chiari e scuri della luce vengono registrati in posizioni diverse, il che può apparire come bande o come una parziale alterazione del colore (supporto imaging Sony). Quando il ciclo della luce e la cadenza dei fotogrammi della fotocamera non sono agganciati tra loro, le strisce cadono in un punto leggermente diverso a ogni fotogramma e le bande sembrano scorrere.

La fotocamera, quindi, converte una variazione nel tempo in uno schema nello spazio. Per questo una fotocamera può rendere visibile qualcosa che un osservatore non nota, e per questo le impostazioni della fotocamera influenzano l’immagine quanto il display.

1. Un livello di luce ipotetico sale e scende nel tempo (t).
2. Ogni riga del sensore raccoglie luce durante la propria finestra di esposizione, che inizia poco dopo quella della riga precedente. Ogni barra è ombreggiata in base alla quantità di luce raccolta da quella riga.
3. Nel fotogramma registrato, le righe che hanno raccolto più luce appaiono più chiare: una variazione nel tempo diventa così una serie di bande nell’immagine.

Un otturatore globale non elimina la questione. In un sensore con otturatore globale tutti i pixel iniziano e terminano l’esposizione insieme; il segnale memorizzato può comunque essere letto riga per riga in un secondo momento (Teledyne Vision Solutions). Questo evita gli sfasamenti di esposizione tra righe responsabili di questo specifico meccanismo di bande. Non garantisce un’immagine senza bande, e una luce variabile nel tempo può ancora produrre differenze tra un fotogramma e l’altro.

Cinque grandezze che si confondono facilmente

Le discussioni su un video con bande spesso prendono una piega sbagliata perché tempistiche diverse vengono trattate come un unico numero.

Nessuna di queste grandezze si può ricavare da un’altra. Una specifica di aggiornamento a 60 Hz non dice nulla sul comportamento della retroilluminazione. Nemmeno un ingresso di luminosità «PWM» lo dice: Texas Instruments distingue i driver che accendono e spengono la corrente dei LED da quelli che convertono il comando PWM in una corrente analogica costante, e osserva che la corrente commutata può funzionare a una frequenza diversa da quella del segnale d’ingresso (TI SNVA768). La luce emessa dipende dall’architettura del driver e dalla sua configurazione, non dal nome del pin di controllo.

Anche contare le bande in un video per calcolare una frequenza è inaffidabile senza conoscere la tempistica delle righe e l’esposizione del sensore. Gli smartphone riportano raramente questi valori, e le app di messaggistica spesso ricodificano il file.

Che cosa il video può stabilire e che cosa no

Può stabilire che, con quella fotocamera, quella modalità e quell’illuminazione, l’immagine registrata dell’area dello schermo mostrava bande variabili. Se l’effetto resta all’interno dell’area del display, esaminate per primi il display, i suoi riflessi e il modo in cui la sua immagine viene campionata; questa localizzazione non isola la causa.

Non può stabilire:

• Un difetto. Artefatti di registrazione sotto una luce variabile nel tempo possono verificarsi senza alcun guasto della fotocamera (supporto imaging Sony), e una luce modulata non è di per sé un guasto del display. Se il comportamento osservato sia fuori specifica dipende dalla documentazione del modulo e dai requisiti dell’applicazione.
• La sorgente. Tra le possibili cause ci sono il pilotaggio della retroilluminazione, il comportamento di aggiornamento proprio del pannello, il contenuto visualizzato e la luce ambiente riflessa dal vetro di copertura. Se bande simili attraversano anche le superfici vicine, esaminate anche l’illuminazione della stanza e la fotocamera; l’illuminazione a LED può sfarfallare a centinaia o migliaia di cicli al secondo (supporto imaging Sony). È un indizio, non la prova di un contributo della luce ambiente, e non scagiona il display.
• La frequenza o la forma d’onda. Lo schema delle bande dipende dalla tempistica della fotocamera tanto quanto dalla luce, come descritto sopra.
• Un risultato pulito. Un video senza bande mostra solo che quella fotocamera, con quell’impostazione, non ha reso visibile la variazione. Non prova che l’emissione di luce sia costante.
• Comfort o sicurezza. Né l’occhio nudo né la fotocamera di uno smartphone costituiscono una misura calibrata dello sfarfallio. Nulla in una registrazione stabilisce la conformità a un requisito sanitario o ergonomico.

Cambiare prima la registrazione, e una cosa alla volta

Il primo passo utile è un confronto controllato, non la sostituzione del modulo. Lasciate il display esattamente com’era: stesso host, stesso firmware, stessa immagine di prova, stessa impostazione di luminosità, stessa illuminazione ambiente. Poi cambiate un solo parametro della fotocamera.

Se lo smartphone ha una modalità video manuale o «pro», cambiate il tempo di esposizione o dell’otturatore e registrate di nuovo. Se non offre il controllo manuale, annotate questo limite; passare da una frequenza di fotogrammi standard a un’altra è un sostituto più debole, perché lo smartphone può cambiare più parametri contemporaneamente. Una seconda fotocamera può aggiungere contesto, ma non è uno strumento di riferimento.

Se lo schema cambia quando cambia soltanto la condizione di registrazione, il suo aspetto dipende dal processo di acquisizione. Questo risultato è compatibile con un’esposizione che interagisce con una luce variabile nel tempo, ma non stabilisce né la sorgente né la periodicità. Per un’illuminazione di cui è noto lo sfarfallio, Sony descrive una regolazione fine dell’otturatore che riduce le bande registrate (supporto imaging Sony). La stessa scomparsa in una registrazione da smartphone non spiegata non dimostra un’emissione di luce stabile né qualifica il display. Nessun valore di otturazione è adatto a tutti i display.

Un secondo confronto, separato, consiste nel mantenere fisse le impostazioni della fotocamera e cambiare solo l’impostazione di luminosità del display. Il fatto che le bande cambino o meno con la luminosità offre al fornitore un indizio su quale parte del percorso di controllo della luminosità esaminare per prima. Da solo non identifica la causa.

Quando non è più una questione di fotocamera

Passate a un’indagine elettrica e ottica quando si verifica una di queste condizioni:

• Le persone vedono sfarfallio, spegnimenti momentanei o disturbi dell’immagine anche senza fotocamera.
• L’immagine stessa è corrotta, spostata o instabile, invece di diventare uniformemente più chiara e più scura.
• Il comportamento segue un evento di alimentazione, la temperatura, un movimento del cavo o una modifica del firmware.
• Il prodotto verrà ripreso, usato in videochiamate o osservato da una telecamera di visione artificiale, per cui il comportamento registrato fa parte del requisito.

I primi tre casi richiedono le verifiche più ampie del nostro articolo sulla risoluzione dello sfarfallio dei TFT LCD, che tratta i percorsi di alimentazione, temporizzazione, firmware, retroilluminazione e FPC. Per i risultati legati alla retroilluminazione, il nostro articolo su guasti della retroilluminazione e calo di luminosità degli LCD spiega come le condizioni di pilotaggio influenzano la valutazione.

Il quarto è una questione di requisiti. Se le fotocamere sono rilevanti per il prodotto, ditelo prima dell’approvazione dei campioni e descrivete le fotocamere, le frequenze di fotogrammi e l’illuminazione coinvolte. Qualsiasi misura della modulazione reale della luce dovrebbe essere eseguita con strumentazione ottica adeguata sul modulo specifico, con le impostazioni dell’host e i livelli di luminosità specifici, registrando le condizioni di prova. Le modifiche al driver o al circuito dovrebbero restare entro i valori documentati del modulo ed essere concordate con il fornitore, non improvvisate a partire da un video.

Che cosa inviare insieme a un video con bande

Un fornitore può riprodurre e analizzare il problema molto più rapidamente quando il video arriva con il suo contesto:

• Il file video originale, non una copia inoltrata tramite un’app di messaggistica.
• Modello dello smartphone o della fotocamera, modalità di registrazione, frequenza dei fotogrammi e impostazione di esposizione o otturazione, se visualizzata.
• Una seconda clip della stessa scena con un’impostazione della fotocamera modificata, e una nota su che cosa è cambiato.
• Se le persone vedono sfarfallio senza fotocamera, e se le bande compaiono fuori dall’area del display.
• Codice e revisione del modulo display, scheda host, versione del firmware e interfaccia.
• L’impostazione di luminosità e, se noto, il modo in cui la luminosità è controllata nel prodotto.
• Il pattern di prova o il contenuto visualizzato, e il tipo di illuminazione della stanza.
• Quante unità presentano il fenomeno e i passaggi per riprodurlo.

Questi dati vanno inseriti anche nel controllo dei campioni in ingresso; la nostra checklist per la validazione dei campioni di moduli LCD mostra dove collocarli.

Se avete una registrazione con bande e i dati indicati sopra, potete inviarli per un’analisi delle bande da fotocamera su LCD. Possiamo esaminare con voi che cosa la registrazione permette di affermare e che cosa resterebbe da misurare.