VESA Adaptive-Sync 介紹及認證

Granite River Labs, GRL
Jerry Sung 宋超宇

從 VESA DisplayPort™ 1.2a Standard 開始，VESA 就將 Adaptive-Sync 定義在規範中，而 Adaptive-Sync 主要功能是改善畫面延遲、影像撕裂等問題。

以往螢幕都是使用固定的更新率（Refresh rate）來顯示當下的影像內容，但當使用者在體驗電影或是電玩等高效能影像時，就會造成畫面延遲、影像撕裂等問題，主要原因是顯示卡會根據動態畫面場景的複雜程度不同，來調整傳輸影像的影格率（Frames per second；簡稱 FPS），其代表 FPS 是會變動的，但螢幕或電視的更新率（Refresh Rate）卻是固定的，在這條件下就會造成畫面延遲、撕裂等不好的使用者體驗。而兩大顯示卡廠商 AMD 及 NVIDIA 針對此問題各自推出了 AMD FreeSync™ 及 NVIDIA G-Sync 功能，其目的都是為了解決上述問題，進而提升消費者的使用者體驗。

由於 Adaptive-Sync 標準主要是由 AMD 參與及制定，所以 FreeSync 的機制也被加入到了 Adaptive-Sync 中，當顯示卡及螢幕都支援 Adaptive-Sync 時，可以在 DisplayPort 介面中的 EDID / Display ID 及 DPCD 的鏈路訓練（Link Training；簡稱LT）機制，來開啟 Adaptive-Sync 的功能。此功能會根據 FPS 變動量而自動調整螢幕本身的 Refresh Rate，而這種自動調整的 Refresh Rate 稱為 VRR（Variable Refresh Rate），透過此方式改善畫面延遲、影像撕裂等問題。

Buffer（緩衝區）

首先，我們需先了解畫面是如何從顯示卡被投射出來。由於畫面在傳輸時並不是直接投射在螢幕上，而是先將影像傳輸到 Buffer（緩衝區）暫存，其又分為 Back Buffer（後緩衝區）和 Front Buffer（前緩衝區），透過 Buffer的處理後才投射在螢幕上，其流程如下圖所示：

1. 顯示卡將 Frame 渲染至 Back Buffer 暫存。
2. Back Buffer <-> Front Buffer 做 Buffer Swap。
3. 此時將 Frame 從 Front Buffer 開始做逐行掃描至螢幕。

圖 1

而上述提到影像撕裂問題，以下就用幾個例子讓大家了解一下影像撕裂的原因：

1. 當 FPS 高於螢幕的 Refresh Rate 時，FPS 會較快渲染新的 Frame B 到 Back buffer，然後做Buffer Swap 讓新的 Frame B 傳輸到畫面上，但由於螢幕 Refresh Rate 是固定的，就會造成螢幕來不及完成原先 Frame A 的逐行掃描，就會造成影像撕裂，如圖2、4所示。

圖 2

2. 當 FPS 低於螢幕的 Refresh Rate 時，螢幕會先完成 Frame A 逐行掃描，但此時新的Frame B還沒渲染完成，所以 Frame A 會再次被逐行掃描，如果這時 Frame B 突然渲染完成，會發生 Buffer Swap，這時逐行掃描到一半的 Frame A 會將另一半的 Frame B 一起顯示在畫面上，這時也造成了影像撕裂，如圖3、4所示。

圖 3

圖4 （出自: https://www.saydigi.com/2015/03/nvidia-g-sync.html）

Adaptive-Sync測試

至今，AMD FreeSync 的功能已經在市面上使用相當廣泛，但其效能參差不齊，主要原因是目前並沒有一個標準審核及測試機制來驗證效能的優劣，而 AMD 將 FreeSync 導入到 VESA Adaptive-Sync 後，VESA 從 2019 年就開始制定 Adaptive-Sync 測試方案，預計 2021 年底將會有一套完整的 Adaptive-Sync 認證測試規範（Certification Test Specification；簡稱CTS），其目的就是確保市面上支援 Adaptive-Sync 的產品效能品質，當產品通過 CTS 測試後，就可以使用 VESA 官方認證的標章，如下圖。

圖 5

Adaptive-Sync CTS 測試規範定義了兩種規格 — MediaSync及AdaptiveSync GX：

1. MediaSync — Maximum；Minimum Refresh Rate, ≧60Hz；≦48Hz
2. AdaptiveSync — Maximum；Minimum Refresh Rate, ≧144Hz；≦60Hz

其中，符合 AdaptiveSync 規格的產品就會有較大 VRR 範圍並且有更低延遲的效能，適用於電子競技類型的螢幕。以下為 Adaptive-Sync 測試內容：

1. Link Layer Adaptive-Sync Compliance Test Specification
2. Adaptive-Sync Performance Test
   1. Refresh Rate and Flicker Testing
   2. Gray-to-Gray Testing
   3. Frame Drop Testing
   4. Video Frame Rate Jitter Testing

Link Layer Adaptive-Sync CTS，沿用了 DisplayPort 介面上的 Link Training 機制，以檢查產品鏈路層上溝通正確性包含了產品宣告、能力等等，這代表透過 DisplayPort 介面後啟用的 Adaptive-Sync 功能可以相容任何支援 DisplayPort 的產品，就不需綁定在固定的平台。而另一部分 Adaptive-Sync Performance Test 是驗證產品開啟此功能後的效能及品質，根據產品所宣告的能力，在不同的 Refresh Rate下產品是否可以自適應調整 Refresh Rate 及過程中 Refresh Rate 偏移過大、變動過程中的穩定度、視覺上閃爍、影像失真、影像遺失等問題。

結論

總結，VESA Adaptive-Sync CTS 標準化了產品之效能規格，未來將能改善現今市面上產品效能參差不齊的問題，以 Granite River Labs （GRL）認證測試實驗室的觀察，隨著 DisplayPort 廣泛應用在 Type-C 介面上，前年也推出了 DP 2.0 規格，而近期也著手制定了功能性上的測試規範包含了 DisplayHDR及Adaptive-Sync，更加完善了 DisplayPort 介面圈的能力及品質，而目前市面上支援 FreeSyn c或 G-Sync 螢幕相當多，相信未來品牌廠為了確保產品品質，會要求產品都需通過 VESA Adaptive-Sync 認證標章。

最後，目前 Adaptive-Sync Certification Test Specification 依然在制定階段，實際的規範請參考VESA最新釋出的內容為主，VESA 也預計於 2021 年第四季會正式發布。

參考文獻

• VESA Adaptive-Sync Display Certification Test Specification https://vesa.org/

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作者
GRL 台灣技術經理 宋超宇 Jerry Sung

GRL 全球 DisplayPort 技術發展負責人，熟悉 DisplayPort、HDMI、Thunderbolt、Power Delivery、SD 等多種應用介面，擔任 GRL 技術文章作者及講師，且擁有 8 年測試經驗。

本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                         

發佈日期 2021/09/22 AN-210922-TW