电竞显示器技术及显示性能测量方法研究

吴蔚华，宋 萌，郝 苗，孙 三

（北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司，北京 100015）

0 引 言

随着电子竞技（以下简称电竞）成为2022年杭州亚运会正式比赛项目，电竞作为正式体育竞技项目被广泛认可。中国有超过200多个城市发展电竞行业。大型赛事的落地，无形之中带动电竞产业生态迅速发展。众所周知，电竞游戏要求电脑配置很高，需要配备专业机械键盘和游戏鼠标。为了让游戏玩家可以真正体验到游戏画面的色彩、流畅动作和效果，电竞显示器的地位也举足轻重。

电竞比赛瞬息万变，尤其在以FPS（第一人称射击类）、RTS（即时战略类）、RAC（竞速类）为主的电竞游戏比赛中，每一个画面表现都会影响选手的判断，因此游戏画面信息的准确性尤为重要。现阶段的电竞显示器以液晶显示器为主，由于液晶分子存在缺陷，其响应速度和刷新率较低，在动态影像的清晰度与流畅度方面表现略差。

为了适应电竞游戏画质的要求，经过近几年的技术提升，电竞显示器的响应时间和刷新率得到了显著提升，从而解决了画面清晰度和流畅度的问题。此外，显卡和显示器的同步技术进一步实现了显示画面的完整性与准确度。

1 电竞显示器技术现状

现阶段的电竞显示器以液晶LCD显示为主流，也有部分企业的产品采用有机发光二极管OLED显示。单从显示方式来说，液晶和OLED的显示性能各有千秋。OLED显示不存在“拖尾”现象，自带“响应时间短”的光环，但产品亮度表现受限，高动态范围（High Dynamic Range，HDR）峰值亮度不高。近几年，各种新型显示技术助推液晶LCD显示性能优化，包括量子点技术、Mini LED、Local Dimming区域背光控制技术和MEMC等，能够提升液晶显示画质，降低响应时间，改善拖尾现象。

大尺寸、曲面显示和宽屏显示也是目前以及未来电竞显示器的主要技术特点。曲面显示为电竞玩家带来前所未有的包围感和环绕感，搭配超大屏幕或21∶9的超宽屏，会给玩家带来身临其境的感受，显示体验效果会上升一个层次。

对于画面快速变动的电竞游戏，刷新率过低、响应时间过长会造成画面产生拖影和卡顿，因此生产企业纷纷推出刷新率为120 Hz或144 Hz的产品。然而，游戏画面的刷新率是实时变化的，如果计算机的图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）输出画面的刷新率高但显示器刷新率低的话，就会出现画面撕裂的现象，对画质要求高的玩家就会感觉不舒服。目前，为解决画面撕裂现象，V-SYNC和G-SYNC技术开始得以广泛应用。V-SYNC技术是根据显示器的刷新率将显卡输出帧率限定在60 f·s-1或30 f·s-1。与V-SYNC技术不同，G-SYNC是一种硬件底层的处理方法。G-SYNC芯片会被集成在显示器中，通过GeForce GPU来控制显示器的可变刷新率，可以确保显示器刷新率与GPU完美同步。显示器只有从GPU获取了新的画面帧后才会刷新[1-2]。相较来说，G-SYNC技术更胜一筹。

2 电竞显示器显示性能测评方法研究

在现有画质客观测评技术的基础上，北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司面向高端电竞显示器的显示技术开展测评研究，制订了电竞显示器光学显示性能测评规范。除考虑常规显示性能客观评价指标如亮度、对比度、亮度均匀性、反射率、色域覆盖率以及HDR画质参数等外，重点研究了刷新率、灰阶响应速度以及帧率同步等检测技术，评估显示器还原显示快速变动的电竞游戏场景时的反应能力。

对于常规显示性能客观评价指标，此处不再赘述。本文重点介绍刷新率、灰阶响应速度及帧率同步的测量方法。

刷新率是显示器每秒显示数据被重复的次数。灰阶响应是显示器在任意两灰度级间由暗变亮和由亮变暗的响应过程。帧率同步是指显示器收到GPU的图像帧信息后，根据图像的帧率，自适应调节显示帧率，确保图像信息帧完整、同步显示。

2.1 测试系统

电竞显示器显示性能测试系统主要由测试信号发生设备、光电转换设备、示波器以及高速摄像机组成，如图1所示。测试信号发生设备需具备高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）和DP（DisplayPort）接口，支持8 bit和10 bit 色深，支持多种分辨率格式和幅型比。本文阐述的测试系统色深为8 bit。

图1 测试系统方框图

2.2 测试信号发生设备

传统的光学显示性能测量一般采用标准的视频信号发生设备，通过模拟、数字接口输出标准视频格式的静态测试信号，为终端显示设备亮度、色彩等显示性能评价提供标准信号。

电竞显示器在使用时主要与计算机相连，计算机的配置，特别是GPU显卡的性能会影响显示器的显示效果。目前，市面上比较流行的显卡主要是AMD和NVIDIA两个品牌。电竞显示器企业在设计显示器的指标和画质时，会结合显卡的特性，针对性地制定设计方案，确保产品可以以最优的性能状态匹配显卡特性。

2.3 测试信号

测试信号格式应采用与电竞显示器固有分辨率一致的信号格式。

2.3.1 刷新率测试信号

刷新率测试信号是一个亮度信号，黑色背景电平为（0，0，0），十字交叉线为白，占据一个像素宽度，交叉线可位于任意位置。刷新率测试信号如图2所示。

图2 刷新率测试信号

2.3.2 灰阶响应时间测试信号

灰阶响应时间测试信号是亮度可变的平场信号。亮度变化的步长有多种选择，以8 bit信号为例，步长可以是16，32，64或128。常见的平场信号步长电平为16，以8 bit编码为例，测试信号电平如表1所示。

表1 灰阶响应时间测试信号RGB电平值

2.3.3 帧率同步测试信号

帧率同步测试信号采用运动图像，单帧画面如图3所示，背景为黑色，白窗口像素数大小约为显示器分辨率×显示器最大刷新率的倒数。如显示器最大刷新率为144 Hz，分辨率为2 560×1 440，那么帧率同步测试信号的白窗口像素数大小为18×10。

图3 帧率同步测试信号（单帧）

帧率同步测试信号运动时，以白窗口宽度为步长，每帧画面白窗口水平方向移动一个步长。白窗口移动时，自左向右、自上向下移动，覆盖整幅画面。

2.4 测量方法

2.4.1 刷新率测量方法

刷新率测量步骤如下：

（1）显示器播放场频产品标称刷新率的倍频测试信号，如60 Hz信号；

（2）用高速摄像机拍摄显示器显示画面，高速摄像机分辨率设置应高于显示器图像分辨率，帧率设置至少为显示器标称刷新率的2倍；

（3）用高速摄像机配套视频软件分析拍摄的视频内容，数出倍频信号中的“垂直线”从画面左边出现开始到画面右边消失所占据的视频帧的数量n，并记录这些视频帧的时间t；

（4）利用公式f=n/t计算刷新率。

2.4.2 灰阶响应时间测量方法

灰阶响应时间[3]的测量步骤如下：

（1）显示器显示表1中规定的电平为（0，0，0）和（256，256，256）的平场信号；

（2）测量显示器从暗变亮所需的上升时间，如图4所示，即t1到t2所需的时间）和由亮变暗所需的下降时间（即t4到t5所需的时间）；

图4 灰阶响应时间的波形

（3）显示器显示表1中规定其他电平的平场信号，测量显示器在各个灰阶之间从暗变亮所需的上升时间（即t1到t2所需的时间）和由亮变暗所需的下降时间（即t4到t5所需的时间）；

（4）测量结果用上升时间和下降时间之和表示；

（5）取各灰阶之间测量结果的平均值，单位为ms。

2.4.3 帧率同步测量方法

帧率同步测量步骤如下：

（1）显示器播放帧率同步测试视频；

（2）使用摄影设备拍摄显示器显示画面，摄影设备曝光设置为1 s，ISO感光度设置为四倍显示器最大刷新频率；

（3）观察拍摄所得的图像；

（4）如果拍摄所得画面不出现与行间隔黑色区域相同亮度的黑色块，则判断显示器可以实现帧率同步，如图5所示；

图5 具备帧率同步的显示器的显示效果

（5）如果拍摄所得画面出现与行间隔黑色区域相同亮度的黑色块，则判断显示器不能实现帧率同步，如图6所示。

图6 不具备帧率同步的显示器的显示效果

帧率同步测试过程中，测试系统应尽可能模拟GPU产生图像的刷新率变化。但出于测试可操作性的考虑，应采用设置的方式，对信号源输出的图像刷新率进行人为控制，从而判断显示器的刷新率变化效果。

3 数据分析

3.1 灰阶响应时间和刷新率数据分析

2022年，北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司实验室（以下简称实验室）对14个型号的电竞显示器进行了摸底测试。被测电竞显示器的尺寸在24英寸到34英寸之间，包括LCD显示器和OLED显示器。

灰阶响应时间测量结果如图7所示。从灰阶响应时间的测试结果来看，OLED显示器自带先天优势，灰阶响应时间可以低到0.66 ms。液晶显示器的灰阶响应时间测试结果介于4.84～19.4 ms。液晶显示器各像素点接收到信号输入时，液晶分子根据输入电平的大小进行偏转，偏转的过程需要耗费时间，即像素由暗变亮或由亮变暗所需的时间，这是由液晶分子本身的特性决定的。液晶显示器如果采用倍频技术或者运动补偿（MEMC）技术，可以优化响应时间，提升画质效果，减少拖尾现象[4-5]。

14台电竞显示器刷新率的测试结果如图8所示。这里的刷新率是指产品通过技术改进，真正实现每秒不同帧内容画面显示的体现，而不是简单地通过增加“背光”刷新的方式实现。

比较图7和图8的数据可以看出，除14号样机为OLED产品外，其他液晶产品的响应时间与刷新率表现相关。响应时间低的产品，刷新率表现相对较好。

图7 灰阶响应时间测量结果

图8 刷新率测量结果

3.2 显卡特性数据分析

实验室对9台样品进行了不同显卡的亮度比对测试，其中8台为LCD产品，1台为OLED产品。不同显卡亮度测量结果如图9所示。可以看出，有5台样品对显卡的兼容性较好，可以呈现相同的亮度水平，其余4台样品亮度测量结果有偏差。LCD产品中，亮度偏差最大的达到15.7%，而OLED产品的亮度偏差达到41.3%。

图9 不同显卡亮度测量结果

4 结 语

对于游戏玩家而言，极致的画质效果可以带来畅快、沉浸的游戏体验。实验室对电竞显示器画质测评方法的研究，考虑了基本光学显示性能指标，覆盖不同的显示方式（LCD&OLED），不同的幅型比（16∶9，16∶10，31∶9），不同的显示类型（平面和曲面），不同的动态范围（HDR&SDR），突出了电竞显示器快速运动画面所需考核的关键指标。

在研究过程中，实验室关注到了显卡对显示器显示性能的影响。为确保电竞显示器产品可以最优呈现画质效果，搭建了两套显卡测评系统，可以满足不同显示器的需求，同时可以评价电竞显示器对显卡的兼容性。