Gaming显示技术简介

薄膜晶体管半导体液晶显示器以其轻薄、低能耗、高画面品质等优势，在家庭娱乐、移动显示、工作办公、市场广告等几乎所有场景都有着广泛的应用。近年来，随着电子竞技比赛的快速发展，并成为国家级正式体育项目，游戏显示（Gaming），逐渐成为显示器件的一个重要发展分支。那么，Gaming 显示有什么特征？ Gaming 显示的技术挑战及对策是什么？Gaming显示器的相关标准是什么呢？本文将针对上述问题一一进行介绍。

一.Gaming显示器特征

Gaming显示器专注于进行游戏画面显示，游戏画面具有元素丰富、色彩鲜艳复杂，且运动画面多、运动速度快等特点。因此，对于Gaming显示器而言，最大的特征是，为了更流畅平滑的将高速运动的游戏画面生动的显示出来，就需要显示器具有与之匹配的高刷新率；同时，为了匹配更高刷新率，也需要显示器具备与刷新率匹配的高响应速度，这样才能在高刷新率下，确保画面显示不会在帧与帧之间存在画面的拖尾；另外，由于游戏画面的产生是由显卡渲染而成，而显卡对于不同色彩复杂程度的画面渲染（Render）时间长短不一，如图1所示，针对某款游戏中的不同画面，显卡渲染时间最短只需要7ms，最长则需要32ms才能完成[1]。因此，对Gaming显示器，为了避免不同显示频率与画面频率不匹配导致画面异常，通常需要频率可根据画面内容在一定范围内自适应调节的功能。

图1：游戏中不同画面渲染时间

二.Gaming显示技术挑战及对策

Gaming显示器的特征需求，对技术实现上会带来诸多挑战，不过，随着技术的不断向前发展和更新，针对这些挑战，从显示面板、驱动芯片、材料等各方面，都不断找到了很多改善对策，确保Gaming产品持续迭代升级。

1. 高刷新率：

高刷新率是Gaming显示器最主要的特征指标，也是主要的技术挑战。刷新率越高，意味着在1s时间内可以显示更多帧图像，对于高速运动画面中物体位置有更连续、更平滑、更清晰的呈现，因为玩家可以更准确的捕捉物体位置和预测运动轨迹，进而采取更精确、更及时的应对动作，占据游戏主动。因此，刷新率数值一定程度代表了显示器的档位，常规Gaming产品为120Hz和144Hz，更高阶档位Gaming产品有165Hz和240Hz，甚至360Hz及以上超高刷新率。

高刷新率的技术挑战主要是面板的驱动能力需要大幅提升。这是因为显示面板都为逐行扫描显示，所有行扫描需在1帧时间内完成，如常规60Hz产品一帧总时间为1s/60Hz≈16.7ms。刷新率越高，则意味着留给每一帧画面扫描的时间相应减少，如120Hz产品一帧总时间为1s/120Hz≈8.3ms。这就需要提升驱动能力，确保在更短的时间内，完成相同的像素驱动。提升显示器的驱动能力，对液晶显示面板阵列的核心要求是确保高刷新率下像素的充电率。通常从两方面来提升，一方面是降低驱动负载，例如增加降低驱动线路走线厚度，降低电阻，或采用电阻率更低的走线材料，另外可以增大不同走线之间绝缘层的厚度，从而降低驱动走线的电容负载，等等；另一方面是提升驱动速度，例如可通过采用氧化物等迁移率更高的半导体材料和制程，提高驱动电流，从而提升驱动速度，等等。

高刷新率的技术挑战还有传输速率、带宽等电路相关。刷新率越高，所占据的数据量也等比例增大，因此Gaming产品需要eDP等高速的传输接口和大带宽驱动系统，确保画面的正常显示。

2. 快速响应：

帧与帧之间切换所需的时间称为响应时间。LCD显示器是通过施加外部电压来控制液晶分子偏转，以调整液晶透光来达到画面显示的目的。而液晶分子从灰阶到灰阶的“偏转态→恢复态→偏转态”之间的响应过程需要一定的时间，即存在液晶延迟反应。因此，响应速度越快，画面越清晰。响应速度也是Gaming产品的重要指标，常规产品响应速度有3ms，高端产品液晶产品可实现1ms。如响应时间太大，超过一帧时间后，会出现需要显示当前一帧的信号时，液晶仍未在上一帧画面处未完全恢复，就容易在人眼视觉上产生拖尾现象。Gaming产品的技术挑战是显示画面运动速度快，很容易产生拖尾现象，进而使动态画面清晰度下降、画面不连贯，带给游戏玩家较差的视觉感受[2]。针对响应时间，通常采用开发快速响应液晶材料，液晶低盒厚设计、像素优化设计和电路驱动增强等对策，使得液晶偏转速度提升，减小响应延时，从而达到减轻画面拖影的目的。普通响应液晶与快速响应液晶的动态画面拖尾显示效果对比如图2所示。

图2：普通响应液晶与快速响应液晶的动态画面拖尾显示效果对比

3. 变频显示（VRR）：

如前所述，目前显示器的通用显示方式是在接收到显卡输出的画面信息后，逐行扫描将画面完整呈现出来，然后等待一段时间后（即V-blanking），进行下一次扫描显示，从而实现画面的反复更新。当液晶显示器的刷新率设定在固定值60Hz时，如果显卡生成图像的帧速也是60FPS（Frame per Second）,此时我们就能看到顺畅的画面。但在实际使用中，由于图像处理器（Graphics Processing Unit，GPU）渲染图像的实时更新传输，显卡输出的帧速可能会高于或低于显示器的刷新率。当显卡GPU输出帧速高于显示器的刷新率时，会出现画面撕裂（Tearing），如图3所示。同样的，当显卡的输出帧速低于显示器的刷新率时会出现画面卡顿（Stuttering）和延迟（Lag）[3]。

图3：显示画面出现撕裂示意图

为了解决显卡输出帧速和显示器刷新率不匹配引起的图像撕裂和卡顿问题，传统的解决方式是采用垂直同步技术（V-sync）。V-sync技术主要是使显卡输出的视频信号发生在显示器帧切换的V-Blanking阶段，这样显卡输出的帧速就会强制保持与显示器的刷新率同步。然而显卡的性能往往限制了帧画面的处理速度，如果显卡渲染画面的时间比显示器的画面刷新率时间长，依然会出现某帧画面重复显示而引起视觉卡顿现象。

因此，显卡厂商为了解决V-sync技术带来的画面卡顿问题，推出了可变帧刷新率（Variable Refresh Rate，VRR）技术。VRR技术通过调整帧与帧之间的V-Blanking长度达到改变帧率的目的，允许显示刷新率随着渲染帧率而动态变化，可以实现显示器的刷新率始终和显卡输出的帧频同步，即显示器的刷新率始终受到显卡的控制，随着显卡帧率的变化而变动，从而确保画面的连贯。图4为V-sync技术与VRR技术对比图，可以看出VRR技术通过调节V-Blanking长度避免了卡顿问题。

图4：V-sync技术与VRR技术对比图

三.Gaming显示相关标准

根据不同的显示驱动方案，Gaming显示技术认证标准可分为AMD Free-Sync和NVIDA G-Sync两种。

1.AMD Free-Sync

AMD Free-Sync是由美国超微半导体公司推出的一项使用行业标准来实现动态调整刷新率的技术。Free-Sync技术主要是采用DP和HDMI接口，通过动态调整帧与帧之间的V-Blanking长度，可以将显示器的刷新率和兼容Free-Sync技术的显卡帧率进行同步，从而大幅降低画面输入延迟，消除游戏卡顿、撕裂现象，从根本上解决显示难题。

目前，Free-Sync技术主要分为Free-Sync、Free-Sync Premium和Free-Sync Premium Pro三个等级。Free-Sync Premium相对于Free-Sync更进一步，其刷新率要求至少支持到120Hz，同时也支持低帧率补偿（Low Frequency Correcting，LFC）。LFC是指当帧率降低到显示器的最小刷新率以下时，会对当前帧率进行倍频，以便达到显示器刷新率范围以内。例如显示器范围为48~144Hz,当前帧频为40FPS，则进行2倍频处理为80FPS，从而以80Hz进行显示。而Free-Sync Premium Pro给电竞显示器带来了更多HDR（High Dynamic Resolution）功能，可以使电竞爱好者享受到HDR级别的视觉体验。表一列出了AMD Free-Sync标准三个等级规格的对比情况。

表一：AMD Free-Sync标准三个等级规格对比

在Free-Sync模式下，动态刷新率的实现主要是通过调整帧与帧之间的V-Blanking长度，刷新率越低，则V-Blanking越长。目前液晶显示器的像素开关单元TFT在关闭状态下仍存在一定的漏电流，这样随着时间增加，像素电容电荷量减少从而影响到液晶偏转，造成同一灰阶在不同的刷新率下存在一定的亮度差异。当这种亮度差异过大时，人眼就会感受到闪烁感。因此，亮度变化特征是评价液晶显示器是否支持Free-Sync技术的一项重要指标。其方式是，首先在常规60Hz下将显示器闪烁（Flicker）调整为最小值，然后在Free-Sync模式下，测试灰阶L128在最小刷新率Fmin下的亮度Lmin和最大刷新率Fmax下的亮度Lmax，要求亮度变化率满足公式（1）：

                                                (1)

同理，测试灰阶L255的亮度变化率满足公式（2）：

(2)

2. NVIDIA G-Sync

G-Sync技术是由NVIDIA公司提出的一种针对画面连贯性的技术，通过在显示器中内置G-Sync芯片实现与GeForce显卡进行通信。G-Sync技术也是通过调整V-Blanking长度来实现数据同步的。支持G-Sync技术的电竞显示器，可以根据显卡的输出帧速自动调节刷新率，从而解决画面的撕裂、卡顿问题。

目前，NVIDIA将G-Sync技术分为了G-Sync Compatible、G-Sync和G-Sync Ultimate三个等级。普通的G-Sync Compatible只需要显示器支持VRR功能，并通过NVIDIA的兼容认证，而不需要在显示器中内置G-Sync芯片。因此，一般支持Free-Sync功能的电竞显示器都可以实现G-Sync Compatible。而G-Sync等级的电竞显示器则需要满足更高的要求，不仅要在显示器中内置G-Sync芯片，还要经过300多项兼容性和图像质量测试。G-Sync Ultimate等级是在G-Sync等级的基础上，通过引入高画质的HDR功能，赋予电竞显示器出色的无失真功能，使电竞爱好者充分感受到画面的每一处细节表现。表二列出了G-Sync标准三个等级的规格对比情况。

表二：NVIDIA G-Sync标准三个等级规格对比

G-Sync标准Flicker值基本评价方式如下：首先在常规60Hz下调整闪烁测试图形画面使Flicker为最小值，然后在G-Sync模式下，保持显示画面为全屏L128灰阶，以显示器可支持的最低刷新率进行画面老化30min，然后通过使用测量设备找到当前L128画面的最差Flicker点，并使测量设备探头保持在此位置。最后按照G-Sync的刷新率方式，以步长12Hz，分别测量最低到最高刷新率下灰阶L128的Flicker值。测试结果要求，刷新率大于等于35Hz时，Flicker值小于-45dB（JEITA标准）；刷新率小于35Hz时，Flicker值小于-43dB（JEITA标准）；

目前，可通过减小像素TFT Ioff漏电流、开发新液晶材料、Blanking区间数据插值等方法降低Flicker值，改善画面闪烁，提升显示品质。

四.总结

伴随着电子竞技产业项目的蓬勃发展，以电竞游戏为基础，信息技术为核心的电子竞技比赛对显示设备提出了更高的要求。以高刷新率、低响应时间、无卡顿撕裂、无画面闪烁等为特点的Gaming显示技术不断完善，越来越得到专业人士和游戏玩家们的认可。随着更多新技术的加持，Gaming显示技术也将给用户带来更加极致的观赏体验。

参考文献：

[1] Gerrit A Slavenburg, Marcel Janssens, Luis Lucas, Robert Jan Schutten, Tom Verbeure.Variable Refresh Rate Displays[C],SID 2020,46-1:669-672

[2]Wu S T . Fundamentals of Liquid Crystal Devices[M].John Wiley & Sons, 2006.

[3]邵喜斌，廖燕平，陈东川，等.薄膜晶体管液晶显示技术原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2022