Untersuchung des Testverfahrens einer Input-Lag-Messung
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Warum wird nicht direkt der Bildanfang als Referenz gewählt?

In den Planungsphasen dieses Tests war es durchaus vorgesehen, den Wechsel zwischen „Austastlücke“ zu „Bildinformation“ als relevanten Zeitpunkt direkt mit dem Oszilloskop zu triggern und somit ohne Umwege als zeitliche Referenz zu verwenden.

Dies ist jedoch zu einfach gedacht, da an diesem Übergang kein eindeutiges Bitmuster zu finden ist.

Schaut man sich also ein digitales Signal im Oszilloskop an, so findet man auch ohne zu wissen, auf was für eine Bitfolge man überhaupt triggern muss, noch recht schnell die deutlich zu erkennende Austastlücke.

Messung: Austastlücke bei 1.920 x 1.080
Austastlücke bei 1.920 x 1.080

Wie bereits zuvor gesehen, ist auch diese offenbar in Zeilen unterteilt. Wenn man nun von dieser Ansicht mit 100 µs pro Skalenteil das Ende der Austastlücke 100-fach vergrößert, dann sieht man offensichtlich in der Mitte des Bildes den Wechsel zwischen Austastlücke und Bildanfang.

Messung: Ende der Austastlücke, 1 µs pro Skalenteil
Ende der Austastlücke, 1 µs pro Skalenteil

Einzelne Bits werden erst nach einem weiteren Zoom um den Faktor 100 deutlich sichtbar.

Messung: Exakte Position des Bildanfanges
Exakte Position des Bildanfanges

Auch wenn der Wechsel zwischen Austastlücke und Bildanfang exakt unter der Y-Achse des Koordinatenkreuzes liegt, ist der hier vorkommende Bitwechsel nur einer von 1080 identischen in dem gesamten Bild.

Zurück zur letzten Zoomstufe wird nämlich deutlich, dass ein H-Sync-Impuls, also eine Zeilensynchronisation, vorausgeht. Das, was vermeintlich als eindeutig angesehen werden könnte, ist nur die Abfolge: Zeilensynchronisation, Schwarzschulter, erster Pixel einer Zeile.
Auch wenn man sich nun überlegen könnte, dass ein einzelner andersfarbiger Pixel in der oberen linken Ecke des Bildes das Problem lösen könnte, ist dies aufgrund der zwei gültigen aber unterschiedlichen Codierungen der meisten Farben im Rahmen der TMDS-Signalumwandlung nicht zwingend korrekt.

Aus diesem Grund war die Eindeutigkeit des V-Sync-Signals die bessere Alternative. In Kombination mit der etwas komplizierten Herangehensweise wird somit bei jedem beliebigen Bildinhalt stets eine korrekte Triggerung erreicht.

Vergleich analoger und digitaler Signale

Nachdem wir nun sowohl die analogen als auch die digitalen Signale zur Bildübertragung genau betrachtet haben und in der Lage sind beide sinnvoll in Relation zu setzen, indem wir den tatsächlichen Bildanfang heranziehen, wird es Zeit dieses auch an unterschiedlichen Grafikkarten nachzuvollziehen.

Einteilung in Klassen

Für den Vergleich ist es zunächst zweckmäßig sich zu überlegen, welche Fälle auftreten können.

Typ a) Die synchrone Ausgabe
Sie definiert als zeitgleiche Ausgabe des Bildanfanges bzw. der V-Sync-Impulse zu jeder beliebigen Zeit. Hierfür müssen dann natürlich auch die Frequenzen exakt übereinstimmen.

Typ b) Die zeitlich versetzte Ausgabe identischer Frequenzen
Sie definiert als eine Ausgabe, bei der der Bildanfang oder auch die V-Sync-Impulse zwischen zwei Bildern eine konstante Differenz aufweisen. Beispiel: Bildanfang an Ausgang A sei Zeitpunkt 0, Bildanfang an Ausgang B liegt stets bei 4 ms.

Typ c) Die komplett asynchrone Ausgabe
Hier liegen im Allgemeinen die V-Sync-Impulse zeitlich versetzt, verschieben sich jedoch auch zeitlich gegeneinander, da die Frequenzen der Ausgänge unterschiedlich sind.

Zuordnung der Grafikkarten in diese Klassen

Die Überraschung ist gleich zu Anfang recht groß, da es keine der getesteten Grafikkarten auch nur annähernd geschafft hat als Typ a) eingeordnet zu werden.

Im Laufe der Untersuchungen stellte sich heraus, dass die ATI Grafikkarten älterer Generationen, also 9600XT, HD2600 und HD3870 sowie die GeForce FX 5900 ein nahezu identisches verhalten zeigten. Schließt man zwei Monitore parallel an, so sind die Bildausgaben eindeutig dem Typ b) zuzuordnen. Man sieht auf dem Bildschirm des Oszilloskops also eine gleichbleibende zeitliche Verzögerung zwischen den Ausgängen und konstante Ausgabefrequenzen.

Einem Missgeschick ist dabei die folgende Erkenntnis zu verdanken: Wenn man einen der Monitore von der Grafikkarte trennt, egal ob durch einen abgefallenen Stecker oder auch nur im Treiber, indem die Einrichtung des zweiten Bildschirms zurückgenommen wird, und der Monitor danach erneut mit der Grafikkarte verbunden wird, so ist das Signal nicht mehr an der gleichen Position zu finden.

Messung: Der erste Anschluss des zweiten Monitors an eine HD3870, die zeitliche Differenz der Ausgänge betrug rund 7 ms
Der erste Anschluss des zweiten Monitors an eine HD3870, die zeitliche Differenz der Ausgänge betrug rund 7 ms
Messung: Nachdem der Monitor vom PC getrennt und erneut angeschlossen wurde, weicht die zeitliche Differenz stark von diesem Wert ab
Nachdem der Monitor vom PC getrennt und erneut angeschlossen wurde, weicht die zeitliche Differenz stark von diesem Wert ab

Oder kurz: Bei jedem Anschluss des Monitors wird die Verzögerung neu und rein zufällig festgelegt.

Messung: Knapp aber zu spät: Das analoge V-Sync Signal einer FX5900 hinkt dem digitalen um etwas mehr als 1 ms hinterher
Knapp aber zu spät: Das analoge V-Sync Signal einer FX5900 hinkt dem digitalen um etwas mehr als 1 ms hinterher
Messung: Einmal neu angesteckt beträgt die Verzögerung annähernd 16 ms - Worst-Case!
Einmal neu angesteckt beträgt die Verzögerung annähernd 16 ms – Worst-Case!

Anhand einer kleinen Animation, in deren Einzelbildern jeweils der Zustand nach einer Trennung und erneuten Verbindung mit der Grafikkarte die Werte festgehalten wurden, ist die Wahrlosigkeit dieser Differenz gut nachzuvollziehen. Hier am Beispiel einer ATI Radeon 9600XT dargestellt. Bitte vergessen sie dabei nicht, das jede dieser Positionen solange konstant bleibt, wie der Monitor eingeschaltet und mit der Grafikkarte verbunden ist.

Messung: Als animiertes GIF wird die Zufälligkeit der Positionierungen deutlich
Als animiertes GIF wird die Zufälligkeit der Positionierungen deutlich

Es ist also rein vom Zufall abhängig, ob die Differenz zwischen dem analogen und dem digitalen Signal 0 ms, 8ms oder gar ganze 16 ms beträgt. Aufgrund der Zufälligkeit sind die Abweichungen mit bis zu einem vollständigen Bild derartig groß, dass eine Unterscheidung zwischen V-Sync-Position und Bildanfang irrelevant wird.

Ein solches Verhalten ist nicht durch Programmiertechniken in irgendeiner Anwendung zu kontrollieren und tritt sowohl mit den Einstellungen „Desktop erweitern“- als auch im „Clone“-Modus auf. Alle diese Beispielbilder wurden ebenfalls auf Abhängigkeiten von den V-Sync Einstellungen überprüft. Hierbei spielt es keine Rolle, ob die vertikale Synchronisation über den Treiber erzwungen aktiviert oder deaktiviert wird oder ob die Anwendung den Zustand bestimmen darf. Eine tatsächlich synchrone Bildausgabe konnte nicht reproduzierbar erreicht werden.

Da die Positionen solange konstant blieben, wie man den Monitor angeschlossen ließ, müssen auch die Frequenzen identisch gewesen sein, wie weiter oben exemplarisch am Beispiel der analogen V-Sync-Signale gezeigt wurde. Eine exakte Überprüfung war hier nicht nochmals erforderlich.

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