Från mus till ljus – en teknikstund om input lag och latens

Input lag – latens – är fördröjningen hos en spelskärm och en viktig och ständigt diskuterad fråga. Som handlar om mer än skärmen.

I denna teknikstund går SweClockers skärmtestare Thomas Ytterberg igenom de brister och problem som finns med tester av input lag hos skärmar. Låg latens, det vill säga låg fördröjning från bildsignal till att ljus skapas på skärmen, är extremt viktigt för spel. Samtidigt är latensen hos en spelskärm idag så liten att det är svårt att mäta tillförlitligt ens med precisionsutrustning.

das_graaaaf_beskuren_trans.png

På samma gång fokuserar diskussionen runt input lag nästan enbart på skärmen. Diskussioner där skillnader på enstaka millisekunder lyfts fram som avgörande för spelkvalitet, när det är hela kedjan från mus och tangentbord genom dator, spelmotor och grafikkort som står för merparten av latens. Där spelskärmar idag håller en latens långt under tio millisekunder kan övriga delar i denna kedja stå för mångfaldigt större fördröjning.

Men vi vet inte säkert hur hög den totala latensen i inmatningsdon, dator och spelmotor är. Det är svårt att mäta och väldigt få försöker mäta. Input lag hos en skärm är enormt viktigt, men samtidigt ändå inte, eftersom latensen idag på spelskärmar är så liten.

Denna teknikstund är ett komplement till Bildskärmsguiden och avsnitt om latens och input lag

Källor till artikeln

► Veritasium förklarar ”specious present” och hur hjärnan väver ihop händelser
Rtings test av LG 27GL850
TFT Centrals test av LG27GL850
► Digital Foundry och Eurogamer testar total input lag för PS4 Pro

Latens och responstid

Latens är fördröjningen från att bildsignalen når skärmen till att skärmens panel börjar prestera ljus. Den här fördröjningen sker i skärmens elektronik och signalbehandling men kan också orsakas av sådant som att skala om bilden. Idealet är ingen latens alls. Noll fördröjning. Detta sker per konstruktion i bildrörsskärmar, CRT, där den analoga signalen direkt styr elektronstrålen.

latenser.jpg

Hög latens, generellt högre än 100 millisekunder (1/10-dels sekund), upplevs ofta som att du har en fördröjning i spelet där exempelvis skottet kommer en kort stund efter att du tryckt av det. Därför är låg latens kritiskt för snabba och rappa spel vilka kräver hög nivå av koordination. Vad som sker inom dessa 100 ms är däremot föremål för hur hjärnan tolka och väver samman händelser. Vi saknar förmågan att särskilja kortare intervall än så.

Latens blandas ofta ihop med responstid som är panelens tröghet i hur den reglerar rätt mängd ljus. Hög responstid leder till tydligare eftersläp. Latens och responstid är dock en del av samma problem då vissa skärmar kan ha hög responstid och låg latens. Typexemplet är spelskärmar med VA-paneler där fördröjningen är liten medan panelen tar lång tid på sig för att vrida kristallerna till rätt position. Väger man samman latens och responstid brukar det kallas för display lag.

Från mus till ljus

Input lag är det begrepp som används för att beskriva hela skeendet från avtryckare på mus, spelkontroller, tangentbord etc. till att skärmen ändrar sitt ljus. Men begreppet ”Input lag” används om egentligen allt som upplevs negativt kring en spelupplevelse. Argument som ”V-sync ökar input lag” och skillnader om ett par millisekunder anses avgörande för spelets upplevelse.

Pröva själv

www.testufo.com har flera testsekvenser som kan användas för relativa jämförelse med egen kamera. Rekommenderade mönster är Frame skipping och Scan out då dessa i högre grad sammanträffar med resultaten fån andra metoder

Idag omfattar latensen hos en modern spelskärm endast ett fåtal millisekunder, medan kedjan som helhet kan ta tiofaldigt högre latens innan det ens blivit en bildsignal. Latensen hos möss och tangentbord samt USB-kretsar är i regel mycket högre än latensen hos skärmen. Uppemot 50 ms är inte orimliga nivåer. Detta är dock sällan testat – eftersom det är svårare att testa och därmed mer sällan diskuterat.

Latensen är olika över ytan

Såväl CRT- som LCD-skärmar uppdateras uppifrån och ned i sekvens. Exempel på detta finns i videon. Detta gör att latensen är högre i botten av skärmen och lägre i toppen av skärmen. Latensen är där omvänt proportionell till skärmens uppdateringsfrekvens. Högre uppdateringsfrekvens ger kortare latens.

Frekvens

Tid att rita upp hela skärmen

60 Hz

≈16,7 ms

75 Hz

≈13,3 ms

100 Hz

≈10 ms

120 Hz

≈8,3 ms

144 Hz

≈7 ms

165 Hz

≈6 ms

200 Hz

≈5 ms

240 Hz

≈4,2 ms

360 hz

≈2,8 ms

Om våra hjärnor besuttit förmågan att urskilja förlopp om enstaka millisekunder hade vi rimligtvis märkt av hur skärmar, särskilt 60 Hz-skärmar, uppdateras uppifrån och ned – vilket vi naturligtvis inte gör.

Mätning av latens

Kamerametoder är tillgängliga för alla. Enkelt förklarat speglar man skärmen till en bildrörsskärm, CRT, med förmodad noll latens. Genom höghastighetskamera eller långa sekvenser av stillbilder kan man försöka avgöra hur långt efter en modern spelskärm är. Denna metod ger en stor variation eftersom det är så många faktorer inblandade här. Videon visar flera exempel på detta.

  • Testmönstrens (spelens) beteende

  • Grafikkortets beteende

  • Windows beteende

  • Latensen från omvandling digital till analog bildsignal för CRT-skärmen

  • Skalning av bilden på LCD:er

  • Skärmar kan respondera olika på olika signaler. Till exempel att 60 Hz och 144 Hz inte responderar likadant

  • Det är sällan du kan köra samma signal till en CRT och en modern spelskärm, likt 1440p, 240 Hz, 4K-signal och så vidare

Kamerametoden är en metod som ger relativa svar. Vi ser skillnaden i latens mellan bildröret och den moderna skärmen. Men vi ser inte den absoluta nivå hos båda skärmarna. Just detta och alla faktorer som påverkar gör att jag inte ger mig själv högre precision än ”inom tio millisekunder” från CRT-skärmen.

scan_out.jpg

Här ligger CRT:n (till vänster) efter LCD:n vilket troligtvis beror på omvandlingen från digital till analog bildsignal. Dessa metoder ger svar om relativa skillnader men resultaten kan också variera stort

SMTT_kamerametod.jpg

Systemkamera och specialprogram som SMTT med räknare ökar tillförlitligheten. Metoden är också tidskrävande eftersom det kräver ett genomsnitt från många individuellt granskade bilder

Ljussensor och oscilliskop

Andra metoder och annan utrustning kan vara mer konsekvent genom att de kliver förbi grafikkortens inverkan och inte blandar in relativa skillnader. Det kan vara mätverktyg som Leo Bodnar Input Lag tester och separata oscilloskop som utgår från att mätverktyget har kontroll över både signal och ljussensor.

Men inte heller dessa metoder är helt felfria och kan ge stora skillnader. Till exempel tester från rtings.com och tftcentral.co.uk som kommer fram till 4,3 respektive 2,7 (0,3) millisekunders latens för skärmen LG 27GL850. Med kamerametoden kom jag fram till att samma skärm var ungefär i nivå med bildröret men avrundade resultatet till ”inom tio millisekunder”.

leo_bodnar_topp.jpg

Verktyg som Leo Bodnar Input lag tester kliver förbi datorns inverkan på testresultatet och ger svar baserat på signal och ljus. Här en LG OLED B9 ställd i spelläget

leo_bodnar_mitt.jpg

Just detta verktyg kör 1080p/60 via HDMI och ger därför inga direkta svar för andra frekvenser och signaler. Men det ger ett form av absolut svar om latens eftersom signal och ljussensor hör ihop

leo_bodnar_botten.jpg

Det skiljer sig ca 8 ms från topp till botten eftersom OLED också uppdaterar bilden uppifrån och ned. Signalen är 60 Hz men panelen arbetar i 120 Hz och upprepar därför varje bildruta en extra gång

Inga av dessa resultat är fel. Mätning av latens är ett komplicerat ämne. Trots avancerad utrustning är resultaten fortfarande föremål för tolkningar och godtycke. Poängen är att det är en låg siffra i alla tre fallen och erfarenheten är den att moderna spelskärmar sällan kliver över en latens av 10 ms. Ofta är det en nivå om ett par eller några millisekunder av latens hos just moderna spelskärmar.

Slutsats

Detta ska då jämföras med den totala latensen från mus, tangentbord, spelkontroller, USB-kretsar, dator, spelmotor, grafikkort med mera. Där pekar det mesta på att den totala latensen är 100±50 millisekunder. Dock är det väldigt få som testar total input lag. Detta eftersom det blir är ännu mer komplext att mäta hela kedjan från knapptryckning till ljus. Att endast pröva skärmens latens och vad som händer efter att bildsignalen alstras är förhållandevis enkelt.

Kanske tydligast av allt är att diskussionen runt input lag är fast i att enbart diskutera skärmens roll. Där skillnader på enstaka millisekunder ges en oproportionerligt stor betydelse, ofta baserat på tankeexperiment och en miniräknare.

Vill man minska skärmens inverkan i denna kedja är det de snabbaste skärmarna som gäller, vilka idag är 240 Hz-skärmar. Vill man faktiskt påverka hela kedjan finns det fler millisekunder att hämta tillbaka genom att välja andra möss och tangentbord. Men man rår inte på den kanske största latensen i form av spelmotorn som är vad den är.