Haben Sie schon einmal bemerkt, während Sie Counter-Strike: Global Offensive spielen, dass der Bildschirm manchmal für eine halbe Sekunde oder sogar länger einfriert, wenn Sie Ihren Charakter bewegen und sich umdrehen, um zu schießen, was das eigentlich flüssige Spielerlebnis unterbricht?
Oder sind Ihnen beim Spielen des Kampagnenmodus von Call of Duty: Modern Warfare 2 Momente aufgefallen, in denen der Bildschirm während intensiver Kampfszenen in zwei Hälften geteilt wird?
Bildschirmzerreißen tritt auf, wenn Sie Call of Duty: Modern Warfare 2 spielen.
Nachdem Sie Ihr Netzwerk überprüft, Free/G/V-Sync aktiviert, Ihre Grafiktreiber aktualisiert und konfiguriert sowie verschiedene andere Lösungen ausprobiert haben, stellen Sie fest, dass das Problem weiterhin besteht – bis Sie zu einem Monitor mit hoher Bildwiederholrate wechseln.
Aber was ist der Grund dafür?
Es liegt tatsächlich an der Begrenzung der Datenübertragungsbandbreite. Stellen Sie sich die Datenübertragung zwischen Ihrem Computer und dem Monitor als ein Wassersystem vor, bei dem die Daten das Wasser und die Bandbreite die Breite des Rohrs sind.
Wenn Sie einen Behälter (den Monitor) schnell mit Wasser (einer großen Menge an Bilddaten) füllen müssen, fließt das Wasser (die Daten) bei einem breiten Rohr (ausreichende Bandbreite) reibungslos und schnell in den Behälter (den Monitor), und der Behälter wird rechtzeitig gefüllt (der Bildschirm aktualisiert sich normal).
Wenn das Rohr jedoch schmal ist (unzureichende Bandbreite) und Sie versuchen, es schnell mit einer großen Menge Wasser (hohe Auflösung, hohe Anforderungen an die Bildwiederholrate) zu füllen, treten Probleme auf. Das Wasser fließt langsam durch das Rohr (die Datenübertragung ist langsam), und der Behälter kann nicht rechtzeitig gefüllt werden (Verzögerung bei der Bildschirmaktualisierung, Ruckeln). Da der Behälter (Monitor) eine geringe Kapazität hat (niedrige Auflösung, niedrige Bildwiederholrate), kann der Füllprozess Rückfluss oder Spritzen verursachen (Fehler oder Bildschirmzerreißen), was zu einem instabilen, unvollständigen oder fehlerhaften Zustand im Behälter (Monitor) führt, was wiederum zu Anzeigeproblemen wie falsch ausgerichteten Bildern bei Bildschirmzerreißen oder Farbverzerrungen führt. All diese Probleme treten auf, weil die Datenübertragungsbandbreite unzureichend ist und eine stabile und genaue Übertragung der Daten an den Monitor verhindert.
Wie können wir dieses Problem lösen?
Hier kommt die DSC-Technologie (Display Stream Compression) ins Spiel. Lassen Sie uns in einfachen Worten erklären, was DSC ist und wie es unser Erlebnis verbessern kann.
I. Überblick über die DSC-Technologie
(1) Was ist DSC?
DSC, oder Display Stream Compression, ist ein Video-Kompressionsalgorithmus, der von der Video Electronics Standards Association (VESA) entwickelt wurde. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Display-Technologie, einschließlich steigender Auflösungen und Bildwiederholraten, stoßen bestehende physische Schnittstellen oft an Bandbreitenbeschränkungen, wenn sie hochauflösende, hochfrequente Videodaten übertragen. Die Einführung der DSC-Technologie bewältigt diese Herausforderung, indem sie die Übertragung höherer Display-Auflösungen und Bildwiederholraten über aktuelle physische Schnittstellen (wie DP 1.4 und höher, HDMI 2.1 und eingebettetes DP (eDP) 1.4 und höher) ermöglicht.
DSC erreicht beeindruckende Kompressionsraten, indem es Bilder auf 8 Bit pro Pixel (bpp) reduziert. Für gängige 24-bpp-Bilder kann die Kompressionsrate 3x erreichen; für 30-bpp-Bilder ist die Kompressionsrate sogar noch höher, bei 3,75x. Wir werden die Kernfaktoren hinter der hervorragenden Kompressionsleistung von DSC analysieren, während wir seine Prinzipien untersuchen.
(2) Die Entwicklung von DSC
Die Entwicklung von DSC markiert seinen Aufstieg im Bereich der Display-Technologie. Im Jahr 2014 debütierte DSC, und bis 2016 wurde es offiziell in den DisplayPort 1.4-Standard aufgenommen, was den Grundstein für seine weitverbreitete Verwendung in Computerdisplays legte. Im Jahr 2017 übernahm HDMI 2.1 ebenfalls DSC, was seine Anwendung weiter ausdehnte. Seitdem hat sich DSC kontinuierlich weiterentwickelt und spielt eine Schlüsselrolle in nachfolgenden Versionen von DisplayPort, wie 2.0 und 2.1, und wird allmählich zu einem unverzichtbaren Bestandteil der modernen Display-Technologie.
(3) Wie funktioniert DSC?
Wir können den Prozess des Paketversands als Analogie verwenden, um zu erklären, wie DSC funktioniert. Stellen Sie sich vor, Sie müssen viele Gegenstände (Bilddaten) von einem Ort zum anderen (vom Quellgerät zum Monitor) senden. Wenn Sie den Prozess nicht optimieren und einfach alles in eine große Kiste werfen (unkomprimierte Datenübertragung), wird diese Kiste wahrscheinlich sehr groß, schwer und möglicherweise sogar zu groß sein, um zu passen, was den Transport schwierig und zeitaufwendig macht (übermäßige Bandbreitennutzung und langsame Übertragungsgeschwindigkeiten).
DSC verhält sich wie ein superintelligenter Paketpacker. Es untersucht zunächst sorgfältig die Gegenstände (analysiert die Bilddaten) und stellt fest, dass einige Gegenstände sehr ähnlich oder sogar identisch sind (wie benachbarte Pixel oder ähnliche Bereiche im Bild, z.B. Farbe, Helligkeit usw.). Dann verwendet es eine Reihe spezialisierter Packmethoden, um die Größe und das Gewicht der Gegenstände zu reduzieren (komprimiert die Daten), während sichergestellt wird, dass alles sicher und effizient geliefert werden kann (mit minimalem Verlust übertragen).
-
Vorverarbeitungsphase
Während der Vorverarbeitungsphase durchlaufen die Daten verschiedene Konvertierungen, abhängig vom Kodierungstyp und Pixelformat, um sie für die nachfolgende Kompression geeigneter zu machen. Wenn die verwendete Kodierung RGB ist, wird sie zunächst in das reversible YCGCO-Format umgewandelt. Dies liegt daran, dass YCGCO-kodierte Daten in den späteren Phasen des Kompressionsalgorithmus leichter zu manipulieren und zu komprimieren sind.
Für Pixelformate wie "einfach 4:2:2" wird Interpolation verwendet, um fehlende Chroma-Proben zu füllen, indem die Chroma-Werte benachbarter Pixel geschätzt werden, wodurch das Format in 4:4:4 umgewandelt wird. Durch die Analyse der Chroma-Informationen umgebender Pixel kann der Algorithmus beispielsweise die fehlenden Chroma-Werte für das aktuelle Pixel vernünftig erraten und vervollständigen, wodurch die gesamten Pixeldaten strukturierter und für eine effiziente Kompression geeigneter werden.
Dieser Prozess ähnelt den Kategorisierungs- und Organisationsschritten, bevor das Packen beginnt – die Gegenstände werden in eine packfreundlichere Form gebracht. Zum Beispiel hilft das Platzieren von Schaumstoff in den leeren Räumen eines Pakets, den Packprozess zu optimieren.
-
Kodierungs- und Vorhersageschritt
Der zweite Schritt ist die Kodierungsvorhersage, die wie folgt vereinfacht werden kann: Das Gerät verwendet zunächst die Informationen der umgebenden Pixel, um die Zielpixelwerte vorherzusagen. Dann werden die vorhergesagten Pixelwerte mit den ursprünglichen Pixelwerten verglichen, um einen Fehlerwert zu berechnen. Dieser Fehlerwert wird an den Empfänger übertragen, der dieselbe Methode verwendet, um die Zielpixel vorherzusagen und den Fehlerwert hinzuzufügen, um sich den ursprünglichen Pixelwerten anzunähern. Auf diese Weise müssen nur die Fehlerwerte übertragen werden, was das gesamte Datenvolumen reduziert.
DSC verwendet mehrere Techniken für die Kodierungsvorhersage, darunter Median-Matching Adaptive Prediction (MMAP), Block Prediction (BP) und Midpoint Prediction (MP).
Bei der Wahl einer Vorhersagemethode basiert DSC seine Entscheidung auf der Zusammensetzung der Bildpixel. Es ähnelt dem Packen einer Kiste für den Versand – wenn wir die beste Packstrategie entscheiden, berücksichtigen wir die Art, Menge und Verteilung der Gegenstände in der Kiste (die Pixelzusammensetzung des Bildes). Wenn die Kiste hauptsächlich kleine Gegenstände desselben Typs enthält (ein Bereich im Bild mit hoher Pixelähnlichkeit), kann die MMAP-Methode gewählt werden, da sie besser für die Handhabung solcher Gegenstände geeignet ist. Wenn die Kiste Gegenstände enthält, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind (Pixel mit spezifischer Verteilung), kann die BP-Methode angemessener sein. Wenn die Gegenstände zwischen zwei gemeinsamen Zuständen liegen (Pixelwerte, die zwischen zwei Referenzpunkten liegen), könnte die MP-Methode ausgewählt werden. Das Ziel ist immer, den von der gepackten Kiste eingenommenen Raum zu minimieren (Minimierung des Kodierungsfehlers).
-
Bitratensteuerung und Puffermechanismus
Der Bitratensteuerungsalgorithmus in DSC spielt eine entscheidende Rolle, indem er zwei Schlüsselfaktoren verfolgt: Farbgleichmäßigkeit und Pufferfüllstand. Wenn große Bereiche des Bildes gleichmäßige oder flache Farben aufweisen, kann die Bittiefe gesenkt werden, um die Daten weiter zu komprimieren. Wenn der Puffer sich der Kapazität nähert, muss die Quantisierungsbittiefe der Pixelgruppen angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Daten rechtzeitig verarbeitet werden, ohne den Puffer zu überlaufen.
Mit diesem Bitratensteuerungsalgorithmus passt DSC die Quantisierungsbittiefe der Pixelgruppen dynamisch innerhalb des festgelegten Bitratenbereichs an, um Artefakte, die während der Kompression entstehen können, zu minimieren. Dieser Prozess ähnelt dem Packprozess beim Versand: Wir beobachten die Verteilung der Gegenstände in der Kiste (Farbgleichmäßigkeit) und den verbleibenden Platz in der Kiste (Pufferfüllstand). Wenn die Gegenstände in der Kiste ordentlich angeordnet sind und viel Platz übrig ist (Bereiche mit sanften Farbübergängen), können wir die Gegenstände enger packen (niedrigere Quantisierungsbittiefe), da sie weniger wahrscheinlich verformt werden (einfache Farbinformationen, die keine hohe Präzision benötigen). Wenn die Gegenstände jedoch unregelmäßig geformt sind und nur begrenzt Platz übrig ist (Bereiche mit reicher Farbvariation), müssen wir vorsichtiger mit der Packstrategie umgehen (angemessene Anpassung der Quantisierungsbittiefe), um sicherzustellen, dass alles passt (innerhalb der Bandbreitengrenzen) und Schäden durch Kompression minimiert werden (Reduzierung von Artefakten).
Durch die sorgfältige Balance zwischen Datenkompression und visueller Wiedergabetreue stellt dieser Ansatz sicher, dass das Bild seine visuelle Qualität beibehält, während es effektiv komprimiert wird, was die Anforderung der "visuell verlustfreien" Kompression erfüllt. Dies bedeutet, dass Benutzer beim Betrachten des Bildes wahrscheinlich keine wahrnehmbaren Kompressionsartefakte bemerken werden.
-
Indexed Color History (ICH) und Anwendungen der Entropiekodierung
Die Indexed Color History (ICH) ist eine clevere Konstruktion in DSC, die die Kompressionseffizienz verbessert. Die Idee hinter ICH ist, häufig auftretende Pixelinformationen aus dem Bild als Index zu speichern. In bestimmten grafischen Szenen, wie UI-Elementen in Spielen oder Hintergründen mit großen Bereichen gleichmäßiger Farbe, können diese sich wiederholenden Pixel in einem 32-Einträge-Indexed Color History (ICH)-Puffer gespeichert werden. Während der Übertragung müssen die detaillierten Informationen dieser Pixel nicht wiederholt gesendet werden; stattdessen werden nur die Indexdaten übertragen, was die Menge der übertragenen Daten erheblich reduziert und die Gesamtkompressionseffizienz verbessert.
Dies ähnelt dem Packprozess beim Versand, bei dem wir kleine Gruppen von Gegenständen haben, die oft zusammen auftreten (häufig auftretende Pixelinformationen), wie ein Satz Schreibwaren (Bleistifte, Radiergummis, Lineale usw.). Wir können diesen Satz in eine kleine Kiste legen und beschriften (den Index). Beim Packen der größeren Kiste müssen wir nur das Etikett auf der kleinen Kiste finden, um die darin enthaltenen Gegenstände zu identifizieren, anstatt jeden Gegenstand einzeln auszupacken und zu beschriften (Vermeidung der Notwendigkeit, große Mengen an Pixeldaten zu übertragen). Dieser Ansatz spart viel Platz und Beschriftungsarbeit (Reduzierung des Datenvolumens).
-
Bildzerlegung und Tile-Zusammensetzung
Um Daten besser zu komprimieren und die nachfolgende Übertragung zu erleichtern, teilt DSC das gesamte Bild in Scheiben unterschiedlicher Höhe und Breite auf. Es gibt verschiedene gängige Zerschneidungskombinationen, wie die Aufteilung basierend auf der Bildbreite, was zu 100 % oder 25 % der Bildbreite führen kann, und die Zerschneidung basierend auf der Höhe, mit verschiedenen Konfigurationen wie 8 Zeilen, 32 Zeilen oder 108 Zeilen.
Durch die Aufteilung des Bildes in kleinere Abschnitte kann jede Scheibe gleichzeitig kodiert werden. Dieser Zerschneidungsmechanismus ermöglicht es, die Kodierungsressourcen flexibler basierend auf den Merkmalen des Bildinhalts zuzuweisen, wodurch die Kompressionseffizienz optimiert wird.
Die Aufteilung des Bildes in Scheiben ähnelt dem Packen einer großen Anzahl von Gegenständen (Bilddaten) für den Versand. Wenn alles ohne Sortierung zusammengeworfen wird (keine Zerschneidung), kann dies zu einem unorganisierten, schwer zu handhabenden und schlecht geschützten Paket führen (was ineffizient für Kompression und Übertragung ist). Die Zerschneidung des Bildes in Scheiben ist jedoch wie das Kategorisieren und Verpacken der Gegenstände in kleinere Pakete (Scheiben). Jedes kleine Paket ist leichter zu handhaben. Zum Beispiel wird beim Packen einer großen Kiste mit vielen kleinen Gegenständen der Packprozess einfacher, wenn Sie sie in mehrere kleinere Pakete trennen, und das Risiko, dass Gegenstände während des Transports zerquetscht oder beschädigt werden, wird verringert (Verringerung der Wahrscheinlichkeit von Datenverlust oder Fehlern). Bei der Bildübertragung macht die Zerschneidung jeden Teil der Daten leichter zu handhaben und zu optimieren, was die Gesamtkompression und Übertragungseffizienz verbessert.
An diesem Punkt können wir sehen, dass DSC durch eine signifikante Datenkompression in jeder Phase eine hervorragende Kompressionseffizienz erreicht.
II. Anwendungen von DSC
(1) Fragen zu DSC
-
Verursacht DSC Latenz?
Die Prozesse der Kompression, Übertragung und Dekompression nehmen alle etwas Zeit in Anspruch. Obwohl diese Algorithmen optimiert sind, führen sie unweigerlich eine geringe Menge an Latenz ein. Die gesamte Verzögerung, die durch DSC hinzugefügt wird, beträgt nur etwa 0,5 Mikrosekunden, was im Vergleich zu anderen Videoverarbeitungstechnologien extrem niedrig ist.
-
Was bedeutet "visuell verlustfrei"?
Obwohl DSC mathematisch gesehen keine strikte verlustfreie Kompressionsmethode ist, erreicht es ein Maß an visueller Qualität, das mit verlustfreier Kompression vergleichbar ist. "Visuell verlustfrei" bedeutet, dass für einen durchschnittlichen Betrachter das mit DSC komprimierte Bild oder Video in Bezug auf die visuelle Wahrnehmung nahezu identisch mit der ursprünglichen unkomprimierten Version erscheint, mit fast keinen wahrnehmbaren Unterschieden. Dies liegt an den Grenzen des menschlichen Auges, winzige Bilddetails und Veränderungen wahrzunehmen. Unter normalen Betrachtungsbedingungen fällt es dem menschlichen Auge schwer, sehr kleine Farbunterschiede, Helligkeitsänderungen oder subtile Veränderungen in der Bildstruktur zu unterscheiden. Zum Beispiel können extrem feine Farbverläufe zwischen benachbarten Pixeln für das menschliche Auge unmerklich sein. Die DSC-Technologie nutzt diese Eigenschaft, indem sie selektiv Informationen verarbeitet, die für das menschliche Sehen weniger empfindlich sind, wodurch die Datengröße reduziert wird, ohne die Gesamtqualität der visuellen Wiedergabe zu beeinträchtigen.
-
Welche Display-Leistung kann ich mit DSC erreichen?
-
HDMI 2.1: Im nativen Nicht-DSC-Modus unterstützt HDMI 2.1 eine 4K-Auflösung bei 144 Hz Bildwiederholrate und eine 8K-Auflösung bei 30 Hz. Mit DSC-Technologie kann es bis zu 10K-Auflösung bei 120 Hz unterstützen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die DSC-Funktion in HDMI 2.1 nur im FRL (Fixed Rate Link)-Übertragungsmodus verwendet werden kann und keine Standardfunktion ist – sie wird vom Gerätehersteller bestimmt.
-
DisplayPort 1.4: Wenn Sie ein einzelnes DP 1.4-Kabel verwenden, das mit einem Monitor verbunden ist, der DSC-Kompression unterstützt, können Sie die folgenden Display-Leistungen erreichen:
-
4K bei 120 Hz (verlustfrei)
-
4K bei 144 Hz (DSC/4:2:2)
-
4K bei 240 Hz (DSC/4:2:0)
-
8K bei 30 Hz (verlustfrei)
-
8K bei 60 Hz (DSC/4:2:2)
-
8K bei 120 Hz (DSC/4:2:0)
Mit Multi-Stream-Unterstützung kann DisplayPort 1.4 4 unabhängige Displays mit 4K 120 Hz oder, unter Verwendung von DSC, 2 unabhängige Displays mit 4K 240 Hz oder 8K 60 Hz antreiben.
-
DisplayPort 2.0/2.1: Ohne DSC unterstützt DisplayPort 2.0/2.1 bis zu 4K bei 240 Hz, 8K bei 60 Hz und 2K bei 500 Hz (UHBR20) mit 10-Bit-Farbtiefe. Mit DSC kann es bis zu 16K-Auflösung bei 60 Hz unterstützen.
Auflösungsunterstützung unter verschiedenen Schnittstellenversionen.
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die tatsächliche Display-Leistung auch von Faktoren wie den spezifischen Fähigkeiten der Grafikkarte, des Monitors und der Qualität der Übertragungskabel beeinflusst werden kann.
(2) DSC-Unterstützung für verschiedene Geräte
-
Computergrafikkarten und DSC
Um zu überprüfen, ob Ihre Grafikkarte DSC unterstützt, können Sie entweder die offiziellen technischen Spezifikationen konsultieren oder den Kundendienst des Herstellers kontaktieren, um eine Bestätigung zu erhalten. Typischerweise wird die DSC-Funktion automatisch aktiviert, wenn die Grafikkarte erkennt, dass der angeschlossene Monitor DSC unterstützt. Einige NVIDIA-Grafikkarten bieten beispielsweise entsprechende Optionen im Treiberbedienfeld, wo Sie überprüfen können, ob DSC aktiviert ist. Wenn der DSC-Modus aktiv ist, wird dies im Bereich der 3D-Einstellungsverwaltung angezeigt.
Beim Kauf einer neuen Grafikkarte sollten Sie, wenn Sie DSC für die Ausgabe von hochfrequenten Gaming-Displays verwenden möchten, darauf achten, dass die Grafikkarte Schnittstellenstandards unterstützt, die DSC unterstützen, wie DisplayPort 1.4 oder höhere Versionen oder HDMI 2.1. Darüber hinaus sollte die Leistung der Karte ausreichend sein, um die Rendering-Anforderungen für Gaming-Visuals bei der gewünschten Auflösung und Bildwiederholrate zu erfüllen, um Probleme wie Ruckeln oder Leistungsengpässe aufgrund unzureichender GPU-Leistung zu vermeiden.
-
Gaming-Konsolen und DSC
Die Unterstützung für DSC variiert bei den gängigen Gaming-Konsolen. Zum Beispiel hat die PS5 einen HDMI 2.1-Anschluss, der eine begrenzte Bandbreite von 32 Gbps anstelle der vollen 48 Gbps unterstützt, und der Hersteller hat die Unterstützung für DSC nicht explizit angegeben. Dies schränkt die Fähigkeit der PS5 etwas ein, die Übertragung von hochfrequenten, hochauflösenden Videos mit DSC-Technologie zu verbessern.
Die Xbox Series X schneidet in Bezug auf Auflösungsupgrades gut ab. Obwohl sie die DSC-Unterstützung nicht explizit erwähnt, kann sie bis zu 4K bei 120 Hz mit 4:4:4 16-Bit-Farbe ausgeben. Wenn sie an einen Monitor angeschlossen wird, der DSC unterstützt, kann sie möglicherweise die DSC-Funktion des Monitors nutzen, um die visuelle Ausgabe weiter zu optimieren.
Die Nintendo Switch hingegen hat in Bezug auf die Display-Leistung nicht so hochwertige Hardware, und ihre Anwendungsfälle für DSC sind relativ begrenzt.
-
Monitore und DSC
Im Monitor-Sektor verwenden viele Marken und Modelle von hochfrequenten Displays DSC-Technologie, um gleichzeitig hohe Auflösungen und hohe Bildwiederholraten zu erreichen. Die Aktivierung von DSC auf dem Monitor erfordert typischerweise, dass der Monitor selbst diese Technologie unterstützt und dass die angeschlossene Signalquelle (wie eine Computergrafikkarte oder Gaming-Konsole) ebenfalls DSC unterstützt und über die entsprechende Schnittstelle verbunden ist. Nachdem die Geräte Identifikations- und Handshake-Prozesse abgeschlossen haben, wird die DSC-Funktion automatisch aktiviert, was den Spielern praktische visuelle Vorteile wie flüssigeres Gameplay und genauere Farbwiedergabe bietet.
(3) Aktuelle Probleme mit DSC
Bei der Verwendung von NVIDIA's 40er-Serie-Grafikkarten mit DSC-unterstützenden Monitoren tritt ein häufiges Kompatibilitätsproblem auf, nämlich das Auftreten von Schwarzschirmproblemen. Nehmen wir als Beispiel den Samsung Odyssey Neo G9 Monitor: Wenn Benutzer ihn an eine NVIDIA RTX 4090-Grafikkarte anschließen, kann es vorkommen, dass der Bildschirm während Aufgaben wie dem Wechseln von Spielfenstern (z.B. mit der Alt+Tab-Tastenkombination) schwarz wird. Die Dauer des Schwarzschirms kann von einigen Sekunden bis zu über zehn Sekunden reichen, was die Benutzerfreundlichkeit und das Gesamterlebnis erheblich beeinträchtigt. Dieses Problem tritt nicht jedes Mal auf, wenn ein Fenster gewechselt wird, aber seine Häufigkeit kann ziemlich hoch sein, was den Benutzern erhebliche Unannehmlichkeiten bereitet.
