Untersuchung des Testverfahrens einer Input-Lag-Messung
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Messung der Pulse der Hintergrundbeleuchtungen

Der Fotoempfänger OE-200-Si des Herstellers Femto leistet hier dank seiner erstaunlichen Empfindlichkeit erneut hervorragende Dienste. Nicht nur, dass ein vollkommen anderes und somit unabhängiges Verfahren verwendet wird, der Empfänger erlaubt uns zudem die genaueren Eigenschaften der Hintergrundbeleuchtung festzuhalten. Selbst vor der Darstellung einer schwarzen Fläche kann der Sensor die Dynamik der Hintergrundbeleuchtung problemlos einfangen und wiedergeben.

Messung: Darstellung der gepulsten Hintergrundbeleuchtung des NEC 2690WUXi - Frequenz über drei Perioden gemittelt: 199,56 Hz
Darstellung der gepulsten Hintergrundbeleuchtung des NEC 2690WUXi – Frequenz über drei Perioden gemittelt: 199,56 Hz

Im Folgenden wird hierfür der NEC 2690WUXi herangezogen. Stellt man am Fotoempfänger eine Verstärkung von 10^8 V/W im High Speed Modus ein, so braucht der Verstärker 5 µs bis zum Erreichen des endgültigen Messwertes bei einem angelegten Rechtecksignal. Auch das schwache Signal vor einem dunklen Monitor kann so angemessen dargestellt werden. Die 5 µs müssten bei der Betrachtung berücksichtigt werden, da diese zu einer Verschleifung der vorderen Kante der Pulse führen. Im direkten Vergleich zu der Länge und Ausbildung der Pulse relativiert sich das wieder, da die Hintergrundbeleuchtung selbst länger als 200 µs benötigt um ihre volle Intensität zu erreichen. Die Flankenanstiegszeit des Fotoempfängers von 1,8 µs ist bei dieser Verstärkungsstufe ebenfalls mehrere Größenordnungen unterhalb der für uns relevanten Messwerte und kann getrost vernachlässigt werden.

In dem Screenschot ist zur Orientierung der relativen Positionierung noch das DVI-Signal bei Darstellung des komplett schwarzen Bildschirminhaltes dargestellt. Wie man auf anhieb sieht, ist die Hintergrundbeleuchtung nicht konstant, sondern mit knapp 200 Hz dermaßen hochfrequent gepulst, dass sie das menschliche Auge nicht mehr flimmernd wahrnehmen kann.

Auch wenn das Auge hierfür zu träge ist, so interessieren vor allem die Totzeiten zwischen den Pulsen. Den Personen, die basierend auf den bisher veröffentlichten Input Lag Messungen Monitore für die Darstellung reaktionsfreudiger Inhalte verteufelt haben, argumentieren immerhin ebenfalls mit Werten im Bereich von Millisekunden.

Messung: Eine Periode der Hintergrundbeleuchtung bei Darstellung eines weißen Bildschirminhaltes, die Anstiegszeit bis zum Maximum beträgt grob 400 µs, die Frequenz bleibt bei ca. 199 Hz
Eine Periode der Hintergrundbeleuchtung bei Darstellung eines weißen Bildschirminhaltes, die Anstiegszeit bis zum Maximum beträgt grob 400 µs, die Frequenz bleibt bei ca. 199 Hz

Die Hell- und Dunkelphasen innerhalb der Periode teilen sich nicht ganz symmetrisch auf. Während die helle Phase der gepulsten Hintergrundbeleuchtung 2,15 ms in Anspruch nimmt, bleibt die Beleuchtung für 2,87 ms dunkel.

Messung: Es werde Licht - zumindest für 2,151 ms
Es werde Licht – zumindest für 2,151 ms
Messung: Die Pause zwischen zwei Lichtpulsen dauert 2,865 ms
Die Pause zwischen zwei Lichtpulsen dauert 2,865 ms

Wenn nun also die Transistoren im Panel durchschalten, um die dargestellte Farbe von schwarz nach weiß zu wechseln, dann ist die tatsächlich wahrgenommene Verzögerung nicht nur von der Reaktionszeit abhängig, sondern auch, zu welchem Zeitpunkt der Schaltvorgang stattfindet. Trifft dieser unglücklich auf eine Dunkelzeit der Hintergrundbeleuchtung, so vergehen bei dem NEC 2690WUXi fast drei Millisekunden, bevor durch den nächsten Lichtpuls auch ein heller Bildschirminhalt wahrgenommen werden kann. Liegt der Puls hingegen optimal, so wird die Helligkeitsänderung durch den zunehmend möglichen Lichtfluss der sich neu orientierenden Kristalle im LCD-Display sofort sichtbar.

Die hier dargestellten Zeiten waren nur für den Monitor von NEC gültig. Bei anderen TFTs ergeben sich komplett andere Frequenzen und Ansteuerungen der Hintergrundbeleuchtung.

Der betagte Iiyama AS4431D zeigt zudem keine rechteckartigen Impulse, sondern eher wellenförmige Muster, die entfernt einem sinusförmigen Verlauf ähnlich sehen. Die Frequenz liegt hier bei ungefähr 100 Hz. Der Femto OE-200 wurde hierbei mit einer Verstärkung von 10^7 V/W im Low Noise Modus gefahren. Die Verzögerungen liegen in diesem Fall bei 20 µs bis zum Erreichen des endgültigen Wertes mit einer enthaltenen Anstiegszeit von 7 µs, aber somit noch immer mindestens eine Größenordnung unterhalb der Zeit, die die gemessenen Hintergrundbeleuchtungen selbst benötigen, um ihre maximale Intensität zu erreichen.

Messung: Aufnahme eines schwarz-weiß-schwarz Wechsels des Iiyama AS4431D. Die Intensität der Hintergrundbeleuchtung ähnelt entfernt einem Sinus
Aufnahme eines schwarz-weiß-schwarz Wechsels des Iiyama AS4431D. Die Intensität der Hintergrundbeleuchtung ähnelt entfernt einem Sinus

Der ViewSonic VP2230b lässt es etwas flotter angehen und pulst seine Hintergrundbeleuchtung mit 250 Hz. Die Signale sehen, solange nur schwarz dargestellt wird, hierbei noch nach einer rechteckförmigen Ansteuerung aus, sobald die Intensität nach oben schnellt, verschmieren die Pulse zunehmend. Die Trägheit des Fotoempfängers hat wieder keine Auswirkung, da die Hintergrundbeleuchtung 800 µs benötigt um annähernd ihre maximale Intensität zu erreichen.

Messung: ViewSonic pulst die Hintergrundbeleuchtung des VP2030b mit ca. 250 Hz
ViewSonic pulst die Hintergrundbeleuchtung des VP2030b mit ca. 250 Hz

Für den Viewsonic fällt hierbei auf, dass die Totzeiten der Hintergrundbeleuchtung sehr kurz ausfallen.

Auch wenn es bereits weit unterhalb der Wahrnehmungsgrenze eines Menschen liegt, könnte das positive Auswirkungen auf eine zu ermittelnde Input Lag Zeit mit der Foto-Methode haben.

Als letztes wird noch der Samsung 2494HM aufgeführt. Mit einer Hintergrundbeleuchtung, die mit rund 180 Hz getaktet ist und annähernd gleiche Anteile von Hell- und Dunkelphasen hat, sortiert er sich zwischen die getesteten Modelle von NEC und Iiyama ein.

Messung: Mit ca. 180 Hz wird die Hintergrundbeleuchtung des Samsung 2494HM gepulst
Mit ca. 180 Hz wird die Hintergrundbeleuchtung des Samsung 2494HM gepulst

Wann wird gemessen?

Die sich aus der Beobachtung der aufgenommenen Bildschirmhelligkeit ergebende Frage lautet nun, wann gemessen werden soll. Es gibt kein genormtes Verfahren zur Bestimmung des Input Lags. Wenn nun ein Wechsel stattfindet zwischen einem schwarzen und einem weißen Bildschirminhalt, dann kann das so, wie im folgenden Bild festgehalten, aussehen.

Messung: Input Lag Messung am Beispiel des schnellen Samsung 2494HM
Input Lag Messung am Beispiel des schnellen Samsung 2494HM

Annähernd ideal schnellt die Helligkeit direkt nach dem Bildwechsel von schwarz nach weiß auf annähernd 100 Prozent der maximalen Intensität. Gerade einmal 4,02 ms nach dem Bildanfang vergehen, bis die Stelle, die durch den Cursor B markiert ist, erreicht wird.

Doch ist dies die Stelle, die gemessen werden soll? Wann gilt ein Bildpunkt überhaupt als „Dargestellt“ und macht man hier nicht einen Fehler, indem die Reaktionszeit des Displays ebenfalls mit einbezogen wird, die aber bereits vom Hersteller getrennt angegeben wird?

Was an dieser Stelle am meisten fehlt, ist eine saubere Definition des Begriffs „Input Lag“. Bisher ist dieser Begriff nur durch ein Phänomen beschrieben, das sich jedoch aus der tatsächlichen Verzögerung durch die Bilddatenverarbeitung im Monitor und zusätzlich durch die Reaktionszeit zusammensetzt. Hier wäre es besser, wenn ein solcher Wert getrennt von der Reaktionszeit angegeben würde.

Selbst mit den in diesem Test vorhandenen Mitteln ist die Bestimmung der reinen internen Verarbeitungszeit bis zur elektrischen Ansteuerung des Transistors nicht möglich gewesen, da hierfür die Tastspitzen direkt im Monitor an die Leitungen zu den einzelnen Transistoren des Panels hätten angelötet werden müssen.

Daher müssen wir uns damit zufrieden geben die mit dem Fotoempfänger aufgenommenen Helligkeitswerte als Referenz heranzuziehen.

Aber welcher Punkt ist nun der entscheidende? Bei Überschreitung von 50 Prozent der maximalen Intensität, da man dort wohl auch mit dem bloßen Auge eine deutliche Veränderung des Inhaltes wahrnehmen kann, oder doch erst bei Erreichen der vollen 100 Prozent? Oder wäre eventuell der erste Punkt angebracht, an dem eine Veränderung detektierbar ist?

Um die Unterschiede darzustellen, haben wir am Samsung 2494HM alle diese Werte aufgenommen und sogar noch weiter getrennt. Wenn, wie im letzten Bild gezeigt, nicht gleich das Maximum erreicht wurde, so wurde auch noch die Position des ersten Maximalwertes herangezogen. Somit erhielten wir für den 2494HM eine Maximalabschätzung für den Input Lag, inklusive der Reaktionszeit des Monitors, in der nur die Zeitpunkte berücksichtigt wurden, bei denen das erste Mal die maximal mögliche Intensität erreicht wurde.

Messung: Maximalabschätzung des Input Lags
Maximalabschätzung des Input Lags

Hinzu kommt eine Minimalabschätzung, bei der die ersten Maxima herangezogen wurden, die eine Intensität über 50 Prozent zeigten.

Messung: Minimalabschätzung des Input Lags
Minimalabschätzung des Input Lags

Und dann natürlich auch noch der Versuch den reinen Input lag, also möglichst ohne den Faktor Reaktionszeit festzuhalten, aufzunehmen. Dies ist im Graphen des Oszilloskops der Zeitpunkt, an dem die ersten Anzeichen einer steigenden Intensität festgehalten wurden.

Messung: Der Zeitpunkt der ersten Helligkeitsänderung kann näherungsweise den Input Lag ohne Reaktionszeit des Monitors angeben
Der Zeitpunkt der ersten Helligkeitsänderung kann näherungsweise den Input Lag ohne Reaktionszeit des Monitors angeben

Für die anderen Monitore wurde es aufgrund des enormen Aufwandes bei der Bestimmung des ersten Maximums auf beide Arten belassen. Drei völlig unterschiedliche Möglichkeiten wurden anhand des Samsung Monitors gezeigt, genauere nachträgliche Tests erscheinen erst dann sinnvoll, wenn ein einheitliches Verfahren mit fest definierten Messgrößen etabliert wurde.

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