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        電競顯示器技術(shù)及顯示性能測量方法研究

        2022-11-16 06:34:44吳蔚華
        電視技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:灰階刷新率液晶

        吳蔚華,宋 萌,郝 苗,孫 三

        (北京泰瑞特檢測技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司,北京 100015)

        0 引 言

        隨著電子競技(以下簡稱電競)成為2022年杭州亞運(yùn)會(huì)正式比賽項(xiàng)目,電競作為正式體育競技項(xiàng)目被廣泛認(rèn)可。中國有超過200多個(gè)城市發(fā)展電競行業(yè)。大型賽事的落地,無形之中帶動(dòng)電競產(chǎn)業(yè)生態(tài)迅速發(fā)展。眾所周知,電競游戲要求電腦配置很高,需要配備專業(yè)機(jī)械鍵盤和游戲鼠標(biāo)。為了讓游戲玩家可以真正體驗(yàn)到游戲畫面的色彩、流暢動(dòng)作和效果,電競顯示器的地位也舉足輕重。

        電競比賽瞬息萬變,尤其在以FPS(第一人稱射擊類)、RTS(即時(shí)戰(zhàn)略類)、RAC(競速類)為主的電競游戲比賽中,每一個(gè)畫面表現(xiàn)都會(huì)影響選手的判斷,因此游戲畫面信息的準(zhǔn)確性尤為重要?,F(xiàn)階段的電競顯示器以液晶顯示器為主,由于液晶分子存在缺陷,其響應(yīng)速度和刷新率較低,在動(dòng)態(tài)影像的清晰度與流暢度方面表現(xiàn)略差。

        為了適應(yīng)電競游戲畫質(zhì)的要求,經(jīng)過近幾年的技術(shù)提升,電競顯示器的響應(yīng)時(shí)間和刷新率得到了顯著提升,從而解決了畫面清晰度和流暢度的問題。此外,顯卡和顯示器的同步技術(shù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了顯示畫面的完整性與準(zhǔn)確度。

        1 電競顯示器技術(shù)現(xiàn)狀

        現(xiàn)階段的電競顯示器以液晶LCD顯示為主流,也有部分企業(yè)的產(chǎn)品采用有機(jī)發(fā)光二極管OLED顯示。單從顯示方式來說,液晶和OLED的顯示性能各有千秋。OLED顯示不存在“拖尾”現(xiàn)象,自帶“響應(yīng)時(shí)間短”的光環(huán),但產(chǎn)品亮度表現(xiàn)受限,高動(dòng)態(tài)范圍(High Dynamic Range,HDR)峰值亮度不高。近幾年,各種新型顯示技術(shù)助推液晶LCD顯示性能優(yōu)化,包括量子點(diǎn)技術(shù)、Mini LED、Local Dimming區(qū)域背光控制技術(shù)和MEMC等,能夠提升液晶顯示畫質(zhì),降低響應(yīng)時(shí)間,改善拖尾現(xiàn)象。

        大尺寸、曲面顯示和寬屏顯示也是目前以及未來電競顯示器的主要技術(shù)特點(diǎn)。曲面顯示為電競玩家?guī)砬八从械陌鼑泻铜h(huán)繞感,搭配超大屏幕或21∶9的超寬屏,會(huì)給玩家?guī)砩砼R其境的感受,顯示體驗(yàn)效果會(huì)上升一個(gè)層次。

        對于畫面快速變動(dòng)的電競游戲,刷新率過低、響應(yīng)時(shí)間過長會(huì)造成畫面產(chǎn)生拖影和卡頓,因此生產(chǎn)企業(yè)紛紛推出刷新率為120 Hz或144 Hz的產(chǎn)品。然而,游戲畫面的刷新率是實(shí)時(shí)變化的,如果計(jì)算機(jī)的圖形處理器(Graphics Processing Unit,GPU)輸出畫面的刷新率高但顯示器刷新率低的話,就會(huì)出現(xiàn)畫面撕裂的現(xiàn)象,對畫質(zhì)要求高的玩家就會(huì)感覺不舒服。目前,為解決畫面撕裂現(xiàn)象,V-SYNC和G-SYNC技術(shù)開始得以廣泛應(yīng)用。V-SYNC技術(shù)是根據(jù)顯示器的刷新率將顯卡輸出幀率限定在60 f·s-1或30 f·s-1。與V-SYNC技術(shù)不同,G-SYNC是一種硬件底層的處理方法。G-SYNC芯片會(huì)被集成在顯示器中,通過GeForce GPU來控制顯示器的可變刷新率,可以確保顯示器刷新率與GPU完美同步。顯示器只有從GPU獲取了新的畫面幀后才會(huì)刷新[1-2]。相較來說,G-SYNC技術(shù)更勝一籌。

        2 電競顯示器顯示性能測評方法研究

        在現(xiàn)有畫質(zhì)客觀測評技術(shù)的基礎(chǔ)上,北京泰瑞特檢測技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司面向高端電競顯示器的顯示技術(shù)開展測評研究,制訂了電競顯示器光學(xué)顯示性能測評規(guī)范。除考慮常規(guī)顯示性能客觀評價(jià)指標(biāo)如亮度、對比度、亮度均勻性、反射率、色域覆蓋率以及HDR畫質(zhì)參數(shù)等外,重點(diǎn)研究了刷新率、灰階響應(yīng)速度以及幀率同步等檢測技術(shù),評估顯示器還原顯示快速變動(dòng)的電競游戲場景時(shí)的反應(yīng)能力。

        對于常規(guī)顯示性能客觀評價(jià)指標(biāo),此處不再贅述。本文重點(diǎn)介紹刷新率、灰階響應(yīng)速度及幀率同步的測量方法。

        刷新率是顯示器每秒顯示數(shù)據(jù)被重復(fù)的次數(shù)。灰階響應(yīng)是顯示器在任意兩灰度級(jí)間由暗變亮和由亮變暗的響應(yīng)過程。幀率同步是指顯示器收到GPU的圖像幀信息后,根據(jù)圖像的幀率,自適應(yīng)調(diào)節(jié)顯示幀率,確保圖像信息幀完整、同步顯示。

        2.1 測試系統(tǒng)

        電競顯示器顯示性能測試系統(tǒng)主要由測試信號(hào)發(fā)生設(shè)備、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、示波器以及高速攝像機(jī)組成,如圖1所示。測試信號(hào)發(fā)生設(shè)備需具備高清多媒體接口(High Definition Multimedia Interface,HDMI)和DP(DisplayPort)接口,支持8 bit和10 bit 色深,支持多種分辨率格式和幅型比。本文闡述的測試系統(tǒng)色深為8 bit。

        圖1 測試系統(tǒng)方框圖

        2.2 測試信號(hào)發(fā)生設(shè)備

        傳統(tǒng)的光學(xué)顯示性能測量一般采用標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)發(fā)生設(shè)備,通過模擬、數(shù)字接口輸出標(biāo)準(zhǔn)視頻格式的靜態(tài)測試信號(hào),為終端顯示設(shè)備亮度、色彩等顯示性能評價(jià)提供標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

        電競顯示器在使用時(shí)主要與計(jì)算機(jī)相連,計(jì)算機(jī)的配置,特別是GPU顯卡的性能會(huì)影響顯示器的顯示效果。目前,市面上比較流行的顯卡主要是AMD和NVIDIA兩個(gè)品牌。電競顯示器企業(yè)在設(shè)計(jì)顯示器的指標(biāo)和畫質(zhì)時(shí),會(huì)結(jié)合顯卡的特性,針對性地制定設(shè)計(jì)方案,確保產(chǎn)品可以以最優(yōu)的性能狀態(tài)匹配顯卡特性。

        2.3 測試信號(hào)

        測試信號(hào)格式應(yīng)采用與電競顯示器固有分辨率一致的信號(hào)格式。

        2.3.1 刷新率測試信號(hào)

        刷新率測試信號(hào)是一個(gè)亮度信號(hào),黑色背景電平為(0,0,0),十字交叉線為白,占據(jù)一個(gè)像素寬度,交叉線可位于任意位置。刷新率測試信號(hào)如圖2所示。

        圖2 刷新率測試信號(hào)

        2.3.2 灰階響應(yīng)時(shí)間測試信號(hào)

        灰階響應(yīng)時(shí)間測試信號(hào)是亮度可變的平場信號(hào)。亮度變化的步長有多種選擇,以8 bit信號(hào)為例,步長可以是16,32,64或128。常見的平場信號(hào)步長電平為16,以8 bit編碼為例,測試信號(hào)電平如表1所示。

        表1 灰階響應(yīng)時(shí)間測試信號(hào)RGB電平值

        2.3.3 幀率同步測試信號(hào)

        幀率同步測試信號(hào)采用運(yùn)動(dòng)圖像,單幀畫面如圖3所示,背景為黑色,白窗口像素?cái)?shù)大小約為顯示器分辨率×顯示器最大刷新率的倒數(shù)。如顯示器最大刷新率為144 Hz,分辨率為2 560×1 440,那么幀率同步測試信號(hào)的白窗口像素?cái)?shù)大小為18×10。

        圖3 幀率同步測試信號(hào)(單幀)

        幀率同步測試信號(hào)運(yùn)動(dòng)時(shí),以白窗口寬度為步長,每幀畫面白窗口水平方向移動(dòng)一個(gè)步長。白窗口移動(dòng)時(shí),自左向右、自上向下移動(dòng),覆蓋整幅畫面。

        2.4 測量方法

        2.4.1 刷新率測量方法

        刷新率測量步驟如下:

        (1)顯示器播放場頻產(chǎn)品標(biāo)稱刷新率的倍頻測試信號(hào),如60 Hz信號(hào);

        (2)用高速攝像機(jī)拍攝顯示器顯示畫面,高速攝像機(jī)分辨率設(shè)置應(yīng)高于顯示器圖像分辨率,幀率設(shè)置至少為顯示器標(biāo)稱刷新率的2倍;

        (3)用高速攝像機(jī)配套視頻軟件分析拍攝的視頻內(nèi)容,數(shù)出倍頻信號(hào)中的“垂直線”從畫面左邊出現(xiàn)開始到畫面右邊消失所占據(jù)的視頻幀的數(shù)量n,并記錄這些視頻幀的時(shí)間t;

        (4)利用公式f=n/t計(jì)算刷新率。

        2.4.2 灰階響應(yīng)時(shí)間測量方法

        灰階響應(yīng)時(shí)間[3]的測量步驟如下:

        (1)顯示器顯示表1中規(guī)定的電平為(0,0,0)和(256,256,256)的平場信號(hào);

        (2)測量顯示器從暗變亮所需的上升時(shí)間,如圖4所示,即t1到t2所需的時(shí)間)和由亮變暗所需的下降時(shí)間(即t4到t5所需的時(shí)間);

        圖4 灰階響應(yīng)時(shí)間的波形

        (3)顯示器顯示表1中規(guī)定其他電平的平場信號(hào),測量顯示器在各個(gè)灰階之間從暗變亮所需的上升時(shí)間(即t1到t2所需的時(shí)間)和由亮變暗所需的下降時(shí)間(即t4到t5所需的時(shí)間);

        (4)測量結(jié)果用上升時(shí)間和下降時(shí)間之和表示;

        (5)取各灰階之間測量結(jié)果的平均值,單位為ms。

        2.4.3 幀率同步測量方法

        幀率同步測量步驟如下:

        (1)顯示器播放幀率同步測試視頻;

        (2)使用攝影設(shè)備拍攝顯示器顯示畫面,攝影設(shè)備曝光設(shè)置為1 s,ISO感光度設(shè)置為四倍顯示器最大刷新頻率;

        (3)觀察拍攝所得的圖像;

        (4)如果拍攝所得畫面不出現(xiàn)與行間隔黑色區(qū)域相同亮度的黑色塊,則判斷顯示器可以實(shí)現(xiàn)幀率同步,如圖5所示;

        圖5 具備幀率同步的顯示器的顯示效果

        (5)如果拍攝所得畫面出現(xiàn)與行間隔黑色區(qū)域相同亮度的黑色塊,則判斷顯示器不能實(shí)現(xiàn)幀率同步,如圖6所示。

        圖6 不具備幀率同步的顯示器的顯示效果

        幀率同步測試過程中,測試系統(tǒng)應(yīng)盡可能模擬GPU產(chǎn)生圖像的刷新率變化。但出于測試可操作性的考慮,應(yīng)采用設(shè)置的方式,對信號(hào)源輸出的圖像刷新率進(jìn)行人為控制,從而判斷顯示器的刷新率變化效果。

        3 數(shù)據(jù)分析

        3.1 灰階響應(yīng)時(shí)間和刷新率數(shù)據(jù)分析

        2022年,北京泰瑞特檢測技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司實(shí)驗(yàn)室(以下簡稱實(shí)驗(yàn)室)對14個(gè)型號(hào)的電競顯示器進(jìn)行了摸底測試。被測電競顯示器的尺寸在24英寸到34英寸之間,包括LCD顯示器和OLED顯示器。

        灰階響應(yīng)時(shí)間測量結(jié)果如圖7所示。從灰階響應(yīng)時(shí)間的測試結(jié)果來看,OLED顯示器自帶先天優(yōu)勢,灰階響應(yīng)時(shí)間可以低到0.66 ms。液晶顯示器的灰階響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果介于4.84~19.4 ms。液晶顯示器各像素點(diǎn)接收到信號(hào)輸入時(shí),液晶分子根據(jù)輸入電平的大小進(jìn)行偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)的過程需要耗費(fèi)時(shí)間,即像素由暗變亮或由亮變暗所需的時(shí)間,這是由液晶分子本身的特性決定的。液晶顯示器如果采用倍頻技術(shù)或者運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償(MEMC)技術(shù),可以優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間,提升畫質(zhì)效果,減少拖尾現(xiàn)象[4-5]。

        14臺(tái)電競顯示器刷新率的測試結(jié)果如圖8所示。這里的刷新率是指產(chǎn)品通過技術(shù)改進(jìn),真正實(shí)現(xiàn)每秒不同幀內(nèi)容畫面顯示的體現(xiàn),而不是簡單地通過增加“背光”刷新的方式實(shí)現(xiàn)。

        比較圖7和圖8的數(shù)據(jù)可以看出,除14號(hào)樣機(jī)為OLED產(chǎn)品外,其他液晶產(chǎn)品的響應(yīng)時(shí)間與刷新率表現(xiàn)相關(guān)。響應(yīng)時(shí)間低的產(chǎn)品,刷新率表現(xiàn)相對較好。

        圖7 灰階響應(yīng)時(shí)間測量結(jié)果

        圖8 刷新率測量結(jié)果

        3.2 顯卡特性數(shù)據(jù)分析

        實(shí)驗(yàn)室對9臺(tái)樣品進(jìn)行了不同顯卡的亮度比對測試,其中8臺(tái)為LCD產(chǎn)品,1臺(tái)為OLED產(chǎn)品。不同顯卡亮度測量結(jié)果如圖9所示。可以看出,有5臺(tái)樣品對顯卡的兼容性較好,可以呈現(xiàn)相同的亮度水平,其余4臺(tái)樣品亮度測量結(jié)果有偏差。LCD產(chǎn)品中,亮度偏差最大的達(dá)到15.7%,而OLED產(chǎn)品的亮度偏差達(dá)到41.3%。

        圖9 不同顯卡亮度測量結(jié)果

        4 結(jié) 語

        對于游戲玩家而言,極致的畫質(zhì)效果可以帶來暢快、沉浸的游戲體驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室對電競顯示器畫質(zhì)測評方法的研究,考慮了基本光學(xué)顯示性能指標(biāo),覆蓋不同的顯示方式(LCD&OLED),不同的幅型比(16∶9,16∶10,31∶9),不同的顯示類型(平面和曲面),不同的動(dòng)態(tài)范圍(HDR&SDR),突出了電競顯示器快速運(yùn)動(dòng)畫面所需考核的關(guān)鍵指標(biāo)。

        在研究過程中,實(shí)驗(yàn)室關(guān)注到了顯卡對顯示器顯示性能的影響。為確保電競顯示器產(chǎn)品可以最優(yōu)呈現(xiàn)畫質(zhì)效果,搭建了兩套顯卡測評系統(tǒng),可以滿足不同顯示器的需求,同時(shí)可以評價(jià)電競顯示器對顯卡的兼容性。

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