電競顯示器技術(shù)及顯示性能測量方法研究

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多個城市發(fā)展電競行業(yè)。大型賽事的落地，無形之中帶動電競產(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（即時戰(zhàn)略類）、RAC（競速類）為主的電競游戲比賽中，每一個畫面表現(xiàn)都會影響選手的判斷，因此游戲畫面信息的準(zhǔn)確性尤為重要。現(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)時間短”的光環(huán)，但產(chǎn)品亮度表現(xiàn)受限，高動態(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，會給玩家?guī)砩砼R其境的感受，顯示體驗(yàn)效果會上升一個層次。

對于畫面快速變動的電競游戲，刷新率過低、響應(yīng)時間過長會造成畫面產(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，就會出現(xiàn)畫面撕裂的現(xiàn)象，對畫質(zhì)要求高的玩家就會感覺不舒服。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的電競游戲場景時的反應(yīng)能力。

對于常規(guī)顯示性能客觀評價指標(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)?；译A響應(yīng)是顯示器在任意兩灰度級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，為終端顯示設(shè)備亮度、色彩等顯示性能評價提供標(biāo)準(zhǔn)信號。

電競顯示器在使用時主要與計(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，會結(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

測試信號格式應(yīng)采用與電競顯示器固有分辨率一致的信號格式。

2.3.1 刷新率測試信號

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

圖2 刷新率測試信號

2.3.2 灰階響應(yīng)時間測試信號

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

表1 灰階響應(yīng)時間測試信號RGB電平值

2.3.3 幀率同步測試信號

幀率同步測試信號采用運(yùn)動圖像，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的白窗口像素?cái)?shù)大小為18×10。

圖3 幀率同步測試信號（單幀）

幀率同步測試信號運(yùn)動時，以白窗口寬度為步長，每幀畫面白窗口水平方向移動一個步長。白窗口移動時，自左向右、自上向下移動，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，如60 Hz信號；

（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)時間測量方法

灰階響應(yīng)時間[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；

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

圖4 灰階響應(yīng)時間的波形

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

（4）測量結(jié)果用上升時間和下降時間之和表示；

（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個型號的電競顯示器進(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)時間測量結(jié)果如圖7所示。從灰階響應(yīng)時間的測試結(jié)果來看，OLED顯示器自帶先天優(yōu)勢，灰階響應(yīng)時間可以低到0.66 ms。液晶顯示器的灰階響應(yīng)時間測試結(jié)果介于4.84～19.4 ms。液晶顯示器各像素點(diǎn)接收到信號輸入時，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)時間，即像素由暗變亮或由亮變暗所需的時間，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)動補(bǔ)償（MEMC）技術(shù)，可以優(yōu)化響應(yīng)時間，提升畫質(zhì)效果，減少拖尾現(xiàn)象[4-5]。

14臺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號樣機(jī)為OLED產(chǎn)品外，其他液晶產(chǎn)品的響應(yīng)時間與刷新率表現(xiàn)相關(guān)。響應(yīng)時間低的產(chǎn)品，刷新率表現(xiàn)相對較好。

圖7 灰階響應(yīng)時間測量結(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臺樣品進(jìn)行了不同顯卡的亮度比對測試，其中8臺為LCD產(chǎn)品，1臺為OLED產(chǎn)品。不同顯卡亮度測量結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，有5臺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），不同的動態(tài)范圍（HDR&SDR），突出了電競顯示器快速運(yùn)動畫面所需考核的關(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，同時可以評價電競顯示器對顯卡的兼容性。