Điểm ảnh màu đen trên màn hình AMOLED có giúp tiết kiệm pin hơn điểm ảnh màu xám?

Chế độ Dark Mode (hay chế độ nền tối, chế độ ban đêm) từ lâu đã là một trong những tính năng được ưa thích trên các thiết bị smartphone, laptop,... Không chỉ bởi giúp mắt của người dùng đỡ bị mỏi khi hoạt động về đêm, mà còn giúp thiết bị tiết kiệm pin hơn, đặc biệt là đối với các thiết bị sử dụng màn hình AMOLED.

Mặc dù vậy, vẫn còn những tranh cãi xung quanh vấn đề này. Trong khi việc sử dụng chế độ Dark Mode trên màn hình AMOLED/OLED giúp máy tiết kiệm pin hơn đã được chứng minh, thì câu hỏi đặt ra ở đây là liệu điểm ảnh màu đen thực sự có giúp tiết kiệm pin hơn so với điểm ảnh màu xám?

Không đề cập tới vấn đề giao diện màu đen thuần khiết hay màu xám cái nào trông đẹp hơn, ở bài viết này, lập trình viên Dylan Raga của XDA-Developers sẽ giúp chúng ta đi tìm câu trả lời cho vấn đề trên, tất nhiên sẽ cần tới một số kiến thức cơ bản về cơ chế hoạt động của màn hình OLED.

Cách hoạt động của tấm nền OLED

Khác với tấm nền LCD sử dụng một đèn nền để phát sáng cho toàn bộ màn hình, thì với tấm nền OLED (Organic Light-Emitting Diode), các điểm ảnh sẽ tự phát sáng riêng biệt. Mỗi điểm ảnh sẽ bao gồm 3 màu cơ bản là đỏ (red), xanh (blue) và lục (green), và các điểm ảnh này sẽ hiển thị các màu sắc cần thiết ở một độ sáng nhất định tùy vào lượng điện năng được truyền vào. Mỗi màu sắc được tạo ra nhờ sự trộn lẫn 3 màu cơ bản RGB ở các cường độ ánh sáng khác nhau, và bản thân màu trắng là sự kết hợp của 3 màu RGB trên, trong khi đó màu đen được tạo ra bằng cách tắt hoàn toàn 3 màu RGB này.

Ma trận điểm ảnh trên màn hình OLED xếp theo chiều dọc

Vậy còn màu xám đen (dark gray) thì sao? Màu xám, xám đen và xám nhạt thực chất chỉ khác nhau về sắc thái của màu trắng. Một điểm ảnh màu xám được tạo ra bằng cách tạo ra một điểm ảnh màu trắng và rồi giảm điện áp tương ứng với tỷ lệ phần trăm dựa trên mức độ sáng tối mà điểm ảnh đó cần có.

Có thể hình dung bằng cách sử dụng mã màu RGB, ví dụ như màu #ffffff/rgb (100%,100%,100%) là màu trắng thuần, #000000/rgb(0%,0%,0%) là màu đen thuần, và màu xám sẽ là bộ ba màu RGB có cùng cường độ sáng tối như #f0f0f0/rgb(94.1%,94.1%,94.1%) hay #dedede/rgb(87.1%,87.1%,87.1%). Màn hình OLED sẽ sử dụng mã đầu vào của màu sắc cần tái tạo với thông số của từng màu sắc rồi điều chỉnh điện áp để tạo ra màu tương ứng.

Thang màu xám trong bảng Color Picker

Khi tái tạo lại màu sắc cần hiển thị, màn hình OLED sẽ cần phải trải qua một bước nữa, đó là bước "hiệu chỉnh gamma". Trong bài viết này chúng tôi sẽ không giải thích quá sâu về việc hiệu chỉnh gamma, tuy nhiên, có thể hiểu một cách đơn giản, hiệu chỉnh gamma sẽ lấy các giá trị mã màu tuyến tính nằm trong khoảng từ 0% đến 100% rồi lũy thừa lên một số nhất định. Tiêu chuẩn hiệu chỉnh gamma hiện nay sử dụng số mũ 2.2, do đó mỗi thông số màu sắc đầu vào sẽ được lũy thừa lên 2.2 và kết quả sẽ là độ sáng của màu RGB tương ứng khi được hiển thị.

Điểm ảnh màu xám tiêu tốn bao nhiêu điện năng?

Lấy ví dụ với giao diện Google Material Dark Theme sử dụng mã màu #121212/rgb(7%,7%,7%). Sau khi hiệu chỉnh gamma (0.07^2.2) chúng ta được giá trị 0.3%, có nghĩa là màu xám mà Google sử dụng cho giao diện Dark Theme có độ sáng 0.3% so với độ sáng của màu trắng thuần khiết.

Màu xám được Google sử dụng so với màu đen hoàn toàn

Như đã đề cập ở trên, độ sáng của điểm ảnh OLED phụ thuộc vào mức điện áp được truyền vào. Tức là để tái tạo màu xám đen, thiết bị chỉ cần phải truyền vào 0.3% điện áp mà nó dùng để tái tạo màu trắng. Tất nhiên "0.3% của màu xám sẽ vẫn nhiều hơn là 0% của màu đen".

Đúng vậy, để hiểu rõ hơn, chúng tôi đã tiến hành đo hiệu quả phát sáng của màn hình trên chiếc OnePlus 7 Pro (ở tần số quét 60hz) bằng cách sử dụng hồi quy tuyến tính từ việc vẽ đồ thị công suất thiết bị so với độ sáng của màn hình đầu ra, ở 2 chế độ là hiển thị màu đen và màn hình tắt, rồi so sánh kết quả. Màn hình của thiết bị sẽ vẫn tiêu tốn điện năng chỉ bằng cách bật lên, do driver màn hình phải hoạt động và sẵn sàng để gửi/nhận tín hiệu tới vi xử lý. Kết quả cho thấy màn hình của OnePlus 7 Pro tiêu thụ 400mW và thêm 4mW cho mỗi nit (đơn vị độ sáng).

Đồ thị tương quan giữa độ sáng và công suất thiết bị

Chúng ta giả sử độ sáng màn hình là 100 nits cho việc hiển thị màu trắng thuần để việc tính toán được dễ dàng. Ở mức độ trắng này, OnePlus 7 Pro sẽ tiêu thụ 400mA (4mW/nit × 100 nits) = 800mW. Khi hiển thị toàn bộ màu đen, màn hình của máy sẽ tiêu tốn mức năng lượng cơ bản 400mW. Còn với màu xám đen, do có độ sáng 0.3% so với màu trắng, do đó màn hình sẽ tiêu tốn 4mW/nit × 0.3 nits = 1.2mW. Do vậy khi hiển thị toàn bộ màu xám, thì màn hình của OnePlus 7 Pro sẽ tiêu tốn nhiều hơn 1.2mW so với khi hiển thị màu đen.

Tóm lại, trên lý thuyết, hiển thị màu xám đen sẽ tiêu tốn một mức năng lượng không đáng kể so với việc hiển thị toàn bộ màu đen. Tuy nhiên, nhiều người sẽ cho rằng đó chỉ là trên lý thuyết. Do đó, chúng ta sẽ đi vào đo đạc thực tế.

Đo thời gian sử dụng thực tế

Chúng tôi thiết lập màn hình chiếc OnePlus 7 Pro ở độ sáng 100 nits sử dụng đồng hồ đo sáng, rồi cho màn hình này hiển thị toàn màn hình các bức ảnh chỉ có màu trắng, màu đen và màu xám đen, mỗi màu trong vòng 5 phút và đo tổng điện năng tiêu thụ. Do màn hình của OnePlus 7 Pro có hiệu chỉnh gamma cao hơn so với mức tiêu chuẩn ở vùng tối, do đó với độ sáng hiển thị cho màu #121212, giá trị 0.3 nits kể trên sẽ được thay bằng 0.18 nits, có nghĩa là màn hình của OnePlus 7 Pro thậm chí còn tiêu tốn ít năng lượng hơn khi hiển thị màu xám đen trên thực tế.

Hiển thị màu trắng ở độ sáng 100 nits

Màu đen 0 nits

Màu xám đen 0.18 nits

Khi màn hình của OnePlus 7 Pro hiển thị màu trắng ở độ sáng 100 nits, tổng điện năng tiêu thụ của toàn thiết bị ở mức 1000mW sau 5 phút, còn đối với màu đen, thiết bị tiêu tốn 600mW năng lượng và đối với màu xám đen thì dao động ở mức 600mW - 610mW. Các con số đo được này không khác biệt so với lý thuyết mà chúng ta đã tính toán ở trên. Còn với mức chênh lệch khoảng 10mW khi hiển thị màu xám đen dường như không đến từ màn hình mà từ những thứ khác, như sóng, các tác vụ chạy ngầm hay gì đó mà chúng tôi chưa thể xác định được.

Ở hiệu điện thế 4.03V (trung bình cho một thiết bị), 10mW tương ứng với cường độ trung bình sẽ là 2.5mA. Với viên pin 4000mAh của OnePlus 7 Pro, điều này có nghĩa là giao diện Dark Mode với tông màu xám đen sẽ tiêu tốn 0.063% điện năng của thiết bị đó mỗi giờ. Hay nói cách khác, sử dụng màu đen hoàn toàn trên OnePlus 7 Pro sẽ tiết kiệm được thêm 2 giây thời lượng dùng pin.

Kết quả có lẽ không có quá nhiều bất ngờ khi chúng tôi đã chỉ ra ngay từ đầu dựa trên những con số theo lý thuyết. Hy vọng bạn đã có câu trả lời cho riêng mình.