電競顯示器技術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服務有限責任公司，北京 100015）

0 引 言

隨著電子競技（以下簡稱電競）成為2022年杭州亞運會正式比賽項目，電競作為正式體育競技項目被廣泛認可。中國有超過200多個城市發展電競行業。大型賽事的落地，無形之中帶動電競產業生態迅速發展。眾所周知，電競游戲要求電腦配置很高，需要配備專業機械鍵盤和游戲鼠標。為了讓游戲玩家可以真正體驗到游戲畫面的色彩、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（即時戰略類）、RAC（競速類）為主的電競游戲比賽中，每一個畫面表現都會影響選手的判斷，因此游戲畫面信息的準確性尤為重要。現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，其響應速度和刷新率較低，在動態影像的清晰度與流暢度方面表現略差。

為了適應電競游戲畫質的要求，經過近幾年的技術提升，電競顯示器的響應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進一步實現了顯示畫面的完整性與準確度。

1 電競顯示器技術現狀

現階段的電競顯示器以液晶LCD顯示為主流，也有部分企業的產品采用有機發光二極管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”現象，自帶“響應時間短”的光環，但產品亮度表現受限，高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）峰值亮度不高。近幾年，各種新型顯示技術助推液晶LCD顯示性能優化，包括量子點技術、Mini LED、Local Dimming區域背光控制技術和MEMC等，能夠提升液晶顯示畫質，降低響應時間，改善拖尾現象。

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特點。曲面顯示為電競玩家帶來前所未有的包圍感和環繞感，搭配超大屏幕或21∶9的超寬屏，會給玩家帶來身臨其境的感受，顯示體驗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、響應時間過長會造成畫面產生拖影和卡頓，因此生產企業紛紛推出刷新率為120 Hz或144 Hz的產品。然而，游戲畫面的刷新率是實時變化的，如果計算機的圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）輸出畫面的刷新率高但顯示器刷新率低的話，就會出現畫面撕裂的現象，對畫質要求高的玩家就會感覺不舒服。目前，為解決畫面撕裂現象，V-SYNC和G-SYNC技術開始得以廣泛應用。V-SYNC技術是根據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技術更勝一籌。

2 電競顯示器顯示性能測評方法研究

在現有畫質客觀測評技術的基礎上，北京泰瑞特檢測技術服務有限責任公司面向高端電競顯示器的顯示技術開展測評研究，制訂了電競顯示器光學顯示性能測評規范。除考慮常規顯示性能客觀評價指標如亮度、對比度、亮度均勻性、反射率、色域覆蓋率以及HDR畫質參數等外，重點研究了刷新率、灰階響應速度以及幀率同步等檢測技術，評估顯示器還原顯示快速變動的電競游戲場景時的反應能力。

對于常規顯示性能客觀評價指標，此處不再贅述。本文重點介紹刷新率、灰階響應速度及幀率同步的測量方法。

刷新率是顯示器每秒顯示數據被重復的次數。灰階響應是顯示器在任意兩灰度級間由暗變亮和由亮變暗的響應過程。幀率同步是指顯示器收到GPU的圖像幀信息后，根據圖像的幀率，自適應調節顯示幀率，確保圖像信息幀完整、同步顯示。

2.1 測試系統

電競顯示器顯示性能測試系統主要由測試信號發生設備、光電轉換設備、示波器以及高速攝像機組成，如圖1所示。測試信號發生設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色深為8 bit。

圖1 測試系統方框圖

2.2 測試信號發生設備

傳統的光學顯示性能測量一般采用標準的視頻信號發生設備，通過模擬、數字接口輸出標準視頻格式的靜態測試信號，為終端顯示設備亮度、色彩等顯示性能評價提供標準信號。

電競顯示器在使用時主要與計算機相連，計算機的配置，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。電競顯示器企業在設計顯示器的指標和畫質時，會結合顯卡的特性，針對性地制定設計方案，確保產品可以以最優的性能狀態匹配顯卡特性。

2.3 測試信號

測試信號格式應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 灰階響應時間測試信號

灰階響應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動圖像，單幀畫面如圖3所示，背景為黑色，白窗口像素數大小約為顯示器分辨率×顯示器最大刷新率的倒數。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數大小為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）顯示器播放場頻產品標稱刷新率的倍頻測試信號，如60 Hz信號；

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

（3）用高速攝像機配套視頻軟件分析拍攝的視頻內容，數出倍頻信號中的“垂直線”從畫面左邊出現開始到畫面右邊消失所占據的視頻幀的數量n，并記錄這些視頻幀的時間t；

（4）利用公式f=n/t計算刷新率。

2.4.2 灰階響應時間測量方法

灰階響應時間[3]的測量步驟如下：

（1）顯示器顯示表1中規定的電平為（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 灰階響應時間的波形

（3）顯示器顯示表1中規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）使用攝影設備拍攝顯示器顯示畫面，攝影設備曝光設置為1 s，ISO感光度設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與行間隔黑色區域相同亮度的黑色塊，則判斷顯示器可以實現幀率同步，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與行間隔黑色區域相同亮度的黑色塊，則判斷顯示器不能實現幀率同步，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，測試系統應盡可能模擬GPU產生圖像的刷新率變化。但出于測試可操作性的考慮，應采用設置的方式，對信號源輸出的圖像刷新率進行人為控制，從而判斷顯示器的刷新率變化效果。

3 數據分析

3.1 灰階響應時間和刷新率數據分析

2022年，北京泰瑞特檢測技術服務有限責任公司實驗室（以下簡稱實驗室）對14個型號的電競顯示器進行了摸底測試。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。

灰階響應時間測量結果如圖7所示。從灰階響應時間的測試結果來看，OLED顯示器自帶先天優勢，灰階響應時間可以低到0.66 ms。液晶顯示器的灰階響應時間測試結果介于4.84～19.4 ms。液晶顯示器各像素點接收到信號輸入時，液晶分子根據輸入電平的大小進行偏轉，偏轉的過程需要耗費時間，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或者運動補償（MEMC）技術，可以優化響應時間，提升畫質效果，減少拖尾現象[4-5]。

14臺電競顯示器刷新率的測試結果如圖8所示。這里的刷新率是指產品通過技術改進，真正實現每秒不同幀內容畫面顯示的體現，而不是簡單地通過增加“背光”刷新的方式實現。

比較圖7和圖8的數據可以看出，除14號樣機為OLED產品外，其他液晶產品的響應時間與刷新率表現相關。響應時間低的產品，刷新率表現相對較好。

圖7 灰階響應時間測量結果

圖8 刷新率測量結果

3.2 顯卡特性數據分析

實驗室對9臺樣品進行了不同顯卡的亮度比對測試，其中8臺為LCD產品，1臺為OLED產品。不同顯卡亮度測量結果如圖9所示。可以看出，有5臺樣品對顯卡的兼容性較好，可以呈現相同的亮度水平，其余4臺樣品亮度測量結果有偏差。LCD產品中，亮度偏差最大的達到15.7%，而OLED產品的亮度偏差達到41.3%。

圖9 不同顯卡亮度測量結果

4 結 語

對于游戲玩家而言，極致的畫質效果可以帶來暢快、沉浸的游戲體驗。實驗室對電競顯示器畫質測評方法的研究，考慮了基本光學顯示性能指標，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），不同的動態范圍（HDR&SDR），突出了電競顯示器快速運動畫面所需考核的關鍵指標。

在研究過程中，實驗室關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品可以最優呈現畫質效果，搭建了兩套顯卡測評系統，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。