Автор: Максим Курмаз

В очередном выпуске нашего блога мы обратим внимание на такой неоднозначный параметр ЖК-экрана, как частота обновления.

Cегодня он взят на вооружение маркетологами и преподносится чуть ли не как главный показатель технического совершенства ЖК-монитора. Но если разобраться, “быстрые” мониторы с частотой развертки 144 Гц и выше интересны только тем, кто по-настоящему увлекаются трехмерными играми жанра “шутер”, а для остальных сценариев использования компьютера никаких реальных преимуществ они не дают.

Почему так происходит, и каким образом новые технологии ЖК-экранов улучшают впечатления от трехмерных игр, пойдет речь в нашей статье.

О частотах изображения

Изображение, которое мы видим на экране, по техническим причинам не может изменяться непрерывно – оно состоит из отдельных кадров, сменяющих друг друга с определенной скоростью (частотой). Сначала кадры создаются видеокартой в выделенной для этой цели области памяти – видеобуфере. Далее каждый кадр разбивается на отдельные пиксели и передаются при помощи специализированного видеоинтерфейса в контроллер монитора – скейлер. Восстановив кадр в своей памяти, скейлер обновляет (“освежает”) содержимое экрана.

Скорость, с которой видеокарта заменяет старый кадр новым, называется частотой формирования кадров (Frame Rate, или Frames per second). Тут есть несколько интересных особенностей:
1. Построение простого двухмерного изображения, например, окна браузера, для видеокарты является достаточно простой задачей, выполнимой на любой скорости, например, на скорости работы скейлера монитора.
2. Когда на экран выводится видео, частота формирования кадров постоянна и совпадает с частотой кадров, записанных в видео. Тем самым гарантируется, что зритель видит картинку такой, как она была записана видеокамерой. Для той же цели и частота работы интерфейса между монитором и видеокартой, и частота обновления экрана монитора выбраны кратными стандартным частотам записи и передачи видео.
3. В трехмерных приложениях, например, 3D-играх, задействуется специализированный процессор видеокарты – 3D-ускоритель. Он обрабатывает миллионы геометрических фигур: проецирует, закрашивает текстурами, освещает, сглаживает, накладывает различные спецэффекты и т.д. На полное построение каждого кадра уходит различное время, поэтому частота формирования кадров все время “плавает”.

Скорость, с которой контроллер монитора заменяет один кадр на другой, называется частотой обновления экрана (Refresh rate). Эта частота должна быть, с одной стороны, достаточно высокой для плавности картинки, а с другой, совпадать или быть кратной частоте формирования кадров видеокартой, иначе неизбежны дефекты изображения. Добиться синхронности довольно просто при постоянной скорости формирования кадров (вариант 1 и 2 из описанных выше). А вот для 3D-приложений с их постоянно изменяющейся скоростью построения кадров задача уже нетривиальна. Мы кратко упомянем ее в конце статьи, а пока зададимся вопросом – какая же частота обновления оптимальна для обычных сценариев работы за компьютером?

Эра электронно-лучевых трубок

Давайте обратимся к истории вопроса. Первоначально, еще в эру первых бытовых телевизоров в качестве стандарта была выбрана частота 60 Гц. На этой частоте работали телекамеры и транслировался телевизионный сигнал NTSC в странах Америки и Азии. Ввиду технических ограничений по полосе пропускания вместо полных кадров передавались сначала только чётные одного кадра, потом нечётные строки следующего кадра: создавалась иллюзия 60 кадров при скорости передачи, соответствующей всего 30 кадрам в секунду.

Первые компьютерные мониторы тоже обновляли изображение на частоте 60 кадров в секунду. И это порождало определенные проблемы, непосредственно связанные с особенностями работы применяемых в то время электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). 

Посмотрите на схематичное изображение такой трубки:

Изображение на экране рисуется при помощи сканирования внутренней люминофорной поверхности пучком электронов.

Если кратко, то работает это так: 
1. Электронно-лучевая пушка испускает поток электронов в сторону экрана.
2. Фокусирующая система собирает поток в луч и направляет его в определенную точку.
3. Луч по очереди пробегает по каждому пикселю строки экрана, непрерывно отклоняясь по горизонтали; модулятор регулирует интенсивность потока в зависимости от требуемой яркости пикселя.
4. Дойдя до конца строки, луч отключается, а фокусирующая система нацеливается на начало следующей строки – это называется горизонтальная (строчная) развертка.
5. На последней строке луч поднимается на исходную позицию в первую строку, завершая вывод целого кадра – это вертикальная (кадровая) развертка.

У данного метода формирования изображения было много недостатков, среди которых нам будет интересен эффект мерцания. Все дело в том, что свечение зерна люминофора, в которое попал электронный луч, не постоянное – оно быстро затухает. Фактически по экрану ЭЛТ пробегает быстро гаснущая светящаяся полоса. Но глаз человека обладает определенной инертностью, благодаря которой возникает кратковременная иллюзия полностью освещенного экрана.

На частоте 60 Гц, доставшейся мониторам от телевизоров, колебания яркости экрана, возникающее из-за затухания люминофора, не просто ощущается подсознательно, но даже заметно визуально. Несколько часов, проведенных за мерцающим экраном, усугубляют и без того неприятные ощущения от ЭЛТ экрана и часто вызывают повышенную утомляемость и головные боли.
Решать эту проблему за счет увеличения времени послесвечения люминофора нельзя: изображение становится мутным из-за того, что предыдущий кадр не успевает полностью погаснуть к моменту прихода следующего. Поэтому производители компьютерной техники пошли по пути увеличения частоты кадровой развертки. Очевидно, если электронный луч пробегает экран быстрее, то период, в течение которого экран теряет яркость из-за затухания, становится настолько коротким, что человеческий глаз его уже не улавливает.

Таким образом, комфортной частотой обновления ЭЛТ-монитора считается 75 Гц, а при 100 Гц эффект мерцания уже становится минимальным. Но эти цифры справедливы только для этого древнего типа мониторов (!)

Жидкокристаллические экраны

Жидкокристаллические экраны тоже выводят изображение покадрово, но не используют электронные лучи и люминофор. Жидкокристаллическая панель с активной матрицей, а другие сегодня в компьютерной технике не используются, представляет собой управляемый фильтр, ячейки которого меняют свои состояния только при смене кадров, а все остальное время сохраняют постоянную прозрачность.

Другими словами, в промежутке между кадрами яркость пикселей не меняется. Какова бы ни была частота обновления, мерцание изображения, подобное возникающему в ЭЛТ-мониторах, принципиально невозможно. Поэтому в большинстве ЖК-мониторов частота обновления зафиксирована на значении 60 Гц. Увеличивать частоту, а значит, усложнять скейлер и интерфейс подключения, в большинстве сценариев не имеет смысла. Ведь видео по-прежнему записывается с частотой 30 или 60 кадров в секунду, для кино применяется формат 24 кадра, а для типичных офисных приложений динамика изображения вообще не нужна.

Впрочем, мерцание ЖК-экрана все-таки бывает, но по иной причине. Из-за применения широтно-импульсной модуляции питания в некоторых мониторах может мерцать лампа подсветки экрана, и чем ниже выставленная в настройках яркость, тем этот эффект более заметен. Однако, к частоте обновления экрана мерцание подсветки никакого отношения не имеет (!)

Таким образом, для ЖК-мониторов в большинстве сценариев применения оптимальной частотой будет 60 Гц, за исключением особого случая, когда нарушается синхронность видеокарты и монитора.

Мониторы для геймеров

Теперь обратимся к проблеме плавного изображения в режиме 3D-графики. При отсутствии совпадения частоты создания кадров видеокартой и частоты отображения их монитором возникает неприятный визуальный эффект – разрывы (tearing). Если видеокарта начнет записывать в буфер новый кадр в тот момент, когда монитор читает содержимое этого буфера, то получится разорванный кадр: нижняя половина изображения – из предыдущего кадра, а верхняя – из следующего, который только начал записываться в буфер. Чаще всего это заметно, когда игрок быстро перемещается по горизонтали. В тяжелых случаях можно увидеть вот такую картину:

Первым решением проблемы разрывов было добавление искусственной вертикальной синхронизации (V-sync). В этом режиме видеокарта добавляет новые кадры на той же частоте, на которой обновляется монитор, то есть сохраняет их в буфер перед передачей по интерфейсу. Но это решение геймерам не понравилось, и они стали отключать V-sync из-за потенциального снижения производительности.
И действительно, когда видеокарта подстраивается под монитор, она вынуждена ожидать подходящего времени их передачи в монитор; в худшем случае эта задержка может достигать длительности одного кадра, что для 60 Гц равно 16.7 мс. Добавьте сюда задержку отрисовки изображения (input lag), возникающую из-за медлительности скейлера, и получается, что данные на экране отстают от реальности на десятки миллисекунд. Заядлые игроки утверждают, что замедленная реакция экрана на их действия приводит к снижению реакции и в результате – к проигрышу.

Сочувствуя проблемам игроков, производители мониторов начали совершенствовать скейлеры и интерфейсы подключения мониторов. В игровых моделях частота обновления экрана выше стандартной более чем в 2 раза, а в 2020 году ожидается появление мониторов с частотой 360 Гц. Более высокая частота уменьшает задержку синхронизации и повышает плавность быстрых движений, что (гипотетически) позволяет точнее целиться и быстрее замечать изменения игровой обстановки.

Более радикальным способом добиться синхронности монитора и видеокарты является технология адаптивной синхронизации. В ее случае уже монитор подстраивается под видеокарту, обновляя кадр ровно тогда, когда видеокарта присылает очередной готовый кадр. Работает этот метод не всегда, а только когда скорость видеокарты близка к скорости работы скейлера монитора, зато он обеспечивает – теоретически – нулевую задержку, о чем мечтают заядлые геймеры.

Какая частота оптимальна

Резюмируя вышесказанное, хочется попросить осознанно подходить к оценке характеристик компьютерной техники, и не поддаваться искушению купить что-то более новое и современное просто так, без необходимости. Особенно учитывая тот факт, что производители мониторов традиционно испытывают недостаток по-настоящему новых технологий и не могут совершенствовать технику так же быстро, как производители других компонентов компьютера. Вот они и хватаются за любую возможность, чтобы продвигать новые модели, в данном случае – за частоту обновления.

А на самом деле “быстрые” мониторы с частотой обновления выше 60 Гц созданы исключительно для любителей игр. Причем для по-настоящему увлеченных, верящих, что успех в бою зависит от того, кто на сотую долю секунды опережает соперника.

Если же вы не играете в шутеры (или играете, но компьютер не оснащен мощной видеокартой, выдающей больше сотни кадров в секунду) то использование геймерского монитора даст, пожалуй, только более плавное движение курсора мыши. Никакого улучшения комфорта, например, уменьшения мерцания экрана, вы не получите, так как у ЖК-экрана могут мерцать лампы подсветки, никак не связанные с обновлением изображения на матрице.