在 ESP32 电子纸上以 30 帧运行 Game Boy
文章摘要
这是 YouTube 频道 Bo Made It 发布的一段 9 分钟视频（10 月 8 日上传）。作者给一块小尺寸的 ESP32-S3 电子纸开发板（微雪 Waveshare ESP32-S3-ePaper-1.54，1.54 英寸、200×200 像素）写了自定义显示驱动，把刷新速度提到每秒约 30 次，还能显示 4 级灰度，足以流畅运行 Game Boy 模拟器。以下内容根据视频简介、章节列表和视频字幕整理。
为什么要这么做。 作者本来在用这块板子做一个个人小设备：背 Anki 卡片、录语音备忘，或许还能当迷你阅读器。但他发现菜单切换慢得令人痛苦。用板子自带的驱动跑 Game Boy 模拟器，理论上每秒 3 帧，实际只有 2 帧，就是幻灯片。微雪标称局部刷新约需 300 毫秒。他原以为电子纸本来就慢，但他之前看过别人做的 PaperBoy 项目（一个跑在电子纸上的 Game Boy 模拟器，视频简介里附了它的视频链接），知道电子纸可以很快。问题是 PaperBoy 用的面板直接暴露行列接口，而他这块板子上有专用的显示控制器在驱动面板，绕不过去，没法直接移植 PaperBoy 的驱动，只能针对这个控制器重写。
电子纸为什么慢。 和 LCD、OLED 不同，电子纸靠带电的黑白颜料颗粒在物理上”存住”图像：改变电场，颜料就被推向或拉离表面，像素看起来就是黑或白。为了干净地切换到新图像、不留下旧图的残影，驱动通常要发一串多步的电脉冲（称为波形，waveform），先把颜料来回摆动几次，再推到目标状态，这个过程很耗时。
第一步：缩短波形。 他逐步删减标准波形，看删到什么程度图像开始变差，结果发现能删掉很多：从约 17 个驱动步骤减到 2 个，加上前后处理，一次完整更新大约 50 毫秒，接近每秒 20 次。代价是画面很糟：残影非常明显，因为每个像素过渡的时间不够；长时间运行后整个屏幕还会慢慢变灰。
第二步：逐像素驱动。 他回到 PaperBoy 的思路：不再每次都驱动整块面板，而是为每个像素维护状态，只驱动真正需要变化的像素。像素一变化就分配一个”驱动预算”，每给它一个脉冲预算就减一，够了就停。这让静止区域干净得多，残影大幅减少。他发现 6 到 8 次驱动足以完成一次完整的黑到白转换。这里也有取舍：驱动越多，最终像素越清晰，但运动物体过渡时间越长、看起来越糊。随后他继续压缩周边开销，经过几轮长时间的来回调试，扫描已经能每 33 毫秒左右开始一次，实际游戏效果出乎意料地好。
第三步：真正的 4 级灰度。 Game Boy 有 4 级灰度，此前他用抖动（dithering）拿黑白像素去模拟。PaperBoy 也这么做，但它的面板分辨率高得多，一个 Game Boy 像素（原画面 160×144）可以对应好几个物理像素；他的屏只有 200×200，一个 Game Boy 像素只对应一个物理像素，抖动纹理非常明显。在对付残影时他注意到，屏幕其实已经在”意外地”产生灰色，因为颜料不会瞬间从黑跳到白。那么如果故意在过渡中途停下，能不能按需产生灰阶？答案是可以。静态灰度图相对容易，难的是画面不停变化时灰度仍然稳定：4 种灰度之间有 12 种转换，每种需要的驱动预算都不同。他为每种转换编写测试，比如让一块某种灰度的色块在另一种灰度的背景上移动，看色块是否到达目标灰度、移开后背景能否恢复。因为控制器”看不见”颜料的实际状态，他搭了一套装置在板子上跑转换测试并拍照录像，人工检查、调整参数，一遍又一遍地重复。经过”非常非常多”的校准，终于得到不用抖动的真 4 级灰度输出，虽然仍不完美。
声音和手柄。 这一部分反而比 PaperBoy 简单：PaperBoy 所用的 Paper S3 只有蜂鸣器，而这块板子有专门的音频编解码芯片和扬声器，可以直接播放模拟器的声音，效果不错。他还改了一个 NES 手柄的设计，用 ESP32-C3 加按键和 3D 打印外壳做成 USB 手柄，理论上也支持其他蓝牙手柄。
现状与后续。 驱动还没完成，复杂场景下帧率会略低于 30，一些灰度转换还需要更好地校准。视频简介里已经给出了驱动加模拟器（GitHub 上的 kuslota/InkBoy）以及手柄代码和打印文件的仓库链接，并声明”按原样提供，自定义波形风险自负”。作者还坦白：自己是软件工程师，玩微控制器几年了，但显示驱动不是他的专长，很多代码是 vibe coding 写的，即便如此也花了大约一个月的深夜时间。他特别感谢 PaperBoy，称其为灵感来源和逐像素驱动方法的基础。最初那个项目的菜单现在也快得出奇，他正在为这块板子做一个类似迷你操作系统的东西，包括在线 Anki 计划、接入 Obsidian 的语音备忘，可能还有本地语音转文字。
HN 评论精华
帖子 150 分、四十多条评论。大家一边惊叹，一边追问一个核心问题：既然这么简单就能快这么多，厂商为什么不做？
为什么厂商没这么做。 Lerc 说，视频里提速用的几乎都是他以为电子纸早就在用的招数，他一直以为现在的慢已经是试遍各种技巧后的极限，”这让我怀疑，还有多少东西只要有个在乎的人认真对待，就能好得多”。jdiff 和 anonymous_user9 猜原因可能是寿命，驱动得越狠，屏幕坏得越快。gsliepen 反驳说这里其实是驱动得更少，主要风险在于灰阶定义不稳：同样的脉冲序列得到的灰度可能随面板老化、温度等环境因素漂移；他还听说处在灰阶时黑白颗粒混在一起，可能互相交换电荷，导致部分颗粒以后不再正常移动，但他不确定这在物理上是否成立。aix1 问是不是每块屏都要单独校准，温度过高过低会不会失准；RossBencina 说标准驱动会考虑温度，aix1 补充说，只官方支持黑白的屏，驱动只需知道工作温度范围内最慢的转换时间，统一用它就行，灰阶就复杂多了。gblargg 设想能否监测线路电流来判断像素是否完成转换，从而形成反馈闭环。RossBencina 还好奇灰阶校准能不能完全自动化，不用人来看。
高速电子纸还有意义吗。 somat 问电子纸的意义不就是断电后画面仍然保持的静态显示吗，高速驱动还有什么优势？ThrowawayR2 说他在开了快速刷新的电子书阅读器上浏览网页，耗电和普通平板一样快，30 帧只会更糟。其他人给出理由：kogens 说阳光直射下可读性好，不需要很强的背光；RossBencina 说背光屏会诱发他的偏头痛，高速电子纸几乎是他使用传统交互界面的前提，约 15 帧打字还行，鼠标指针就很难受，反射式 LCD 也是一个选项。versluis 和 gblargg 指出作者的本意就是让一个大部分时间静态的设备响应更快，模拟器只是演示，”动画从每秒一两帧提升到更高，手感差别很大”。
电子纸到底指什么。 y1n0 认为视频把电子纸等同于颗粒式显示有误导性：E Ink 是电泳显示公司的商标，”电子纸”只是个谁都能用的非正式类别，有些基于 LCD 的屏也叫电子纸。cubefox 回应说，实际上绝大多数电子纸就是电泳屏，大多出自 E Ink；15 到 20 年前很多公司尝试过别的反射式技术，有的支持彩色或高速响应，但都关门了，如今另一种主要类型是简单的反射式灰度 LCD，响应快但不具备双稳态，白色发灰。mdp2021 则坚持这个词很滑，连网络新闻产品都自称”epaper”。
Game Boy 原装屏的往事。 novia 问原版 Game Boy 的 STN LCD 有什么局限。cubefox 说初代 Game Boy 和 Game Boy Pocket 的像素响应很慢，残影严重，可能和视频里的效果差不多；LCD 天生是透射式的，做成反射式时环境光要两次穿过液晶和偏振片，吸收很多光，所以反射式 LCD 总是偏灰。NBJack 回忆有些游戏专门利用了慢响应：《银河战士 II》暂停时整屏会缓慢、轻微地脉动，其实是像素在快速闪烁，被老 LCD 的慢过渡平滑成了亮度变化；cubefox 补充说日本射击游戏《地球解放军 ZAS》也借此实现了半透明背景层。weltensturm 提到如今 Pebble 手表和 Daylight Computer 用的是半透反射式 LCD。
其他。 hobo123 说现在想让 Kindle 用上这个驱动再跑原生 Android，thepryz 回应说 Boox 等安卓墨水屏平板早就有高刷模式。hiisukun 在用一款 ESP32 驱动的小墨水屏阅读器 X3，期待这类驱动改进早日普及到别的设备。karim79 推荐了朋友 Larry（bitbank2）的 GitHub，里面有大量电子纸极限优化的工作。