Что такое частота обновления монитора? (Полное руководство)

Если вы выполните простой поиск по частоте обновления, вы естественно увидите  страницу Википедии, которая гласит:

Буфер в приведенном выше определении является аппаратным компонентом. Проще говоря, просто поймите, что буфер здесь представляет собой внутреннее оборудование, но все равно это слишком абстрактно. Поэтому давайте немного разобьем его. Однако, прежде чем мы попытаемся понять, что такое частота обновления монитора в целом, давайте посмотрим, что такое частота.

Позвольте мне предупредить вас, вещи ниже БУДУТ сбивать вас с толку в начале, однако, уверяю вас, в конце все это сложится в вашем мозгу, как головоломка. Также обратите внимание, что частота обновления монитора и телевизора - ОДИНАКОВАЯ ВЕЩЬ.

Что Такое Частота?

Если вы когда-либо посещали базовый курс физики, вы наверняка слышали о термине "частота", которая представлена единицей измерения  Гц (Герц) .

Частота (в электрических устройствах) в основном означает, сколько раз ЧТО-ТО завершает свой ЦИКЛ за СЕКУНДУ. Как правило, это представляется в виде формы волны.

В случае с мониторами и телевизорами - частота это насколько быстро внутреннее оборудование обновляет изображение на экране. Разные частоты имеют разные названия. У нас есть радиочастоты, микроволновые частоты, механические частоты и т. д. Частота монитора или телевизора известна как ЧАСТОТА ОБНОВЛЕНИЯ (REFRESH RATE). ЦИКЛ здесь - это количество времени, в течение которого внутреннее оборудование обновляет себя и перерисовывает другую картинку на дисплее. Взгляните на три различные формы волны ниже.

• 👉 Первая форма волны завершает только 4 ЦИКЛА в секунду. Следовательно, он имеет частоту 4 Гц.
• 👉 Вторая форма волны завершает 12 циклов в секунду. Следовательно, он имеет частоту 12 Гц.
• 👉 Третья форма волны завершает 24 цикла в секунду. Таким образом, он имеет частоту 24 Гц.

Надеюсь, теперь вы понимаете, что такое частота. Давайте применим это к мониторам и телевизорам. Монитор или телевизор с частотой обновления 4 Гц будут переключать свое оборудование только 4 раза в секунду. Поэтому рисует всего 4 картинки (кадра) в секунду.  Можете ли вы представить, насколько шатким было бы ваше видео, если бы в секунду видео было всего 4 кадра? Монитор или телевизор с частотой обновления 12 Гц будут переключать свое оборудование 12 раз в секунду. Он будет рисовать 12 последовательных кадров в секунду. Это по-прежнему будет невыносимо медленным. Если вы будете смотреть его слишком долго, у вас наверняка разболится голова. Посмотрите пример с мячом.

Приведенная выше анимация длится одну секунду, однако обратите внимание, как разные частоты обновления меняют ГЛАДКОСТЬ видео. Чем выше частота обновления, тем ниже будет РАЗМЫТИЕ В ДВИЖЕНИИ. Обычные мониторы и телевизоры имеют частоту обновления 60 Гц. Значение аппаратного обеспечения ОБНОВЛЯЕТ изображения на экране 60 раз в секунду.

Чем выше частота обновления, тем больше картинок (кадров) телевизор или монитор ПОТЕНЦИАЛЬНО может отобразить на дисплее за секунду. Я говорю ПОТЕНЦИАЛЬНО, потому что есть другая половина уравнения, то есть частота кадров, которую нужно принимать во внимание. Другими словами, только потому, что монитор имеет ВОЗМОЖНОСТЬ отображать 60 кадров в секунду, не означает, что так оно и будет. Это зависит от частоты кадров видео. В фильмах частота кадров составляет 24 кадра в секунду, а НЕ 60 кадров в секунду. Так как же все это работает?

Как работает частота обновления?

В наши дни телевизор или монитор могут иметь различные частоты обновления. Чаще всего используется частота обновления 60 Гц. Поэтому, чтобы понять, как работает частота обновления, возьмем в качестве примера именно эти же 60 Гц. Выше мы уже установили, что частота обновления 60 Гц означает, что монитор/телевизор может показывать 60 кадров в секунду. Давайте представим их в виде прямоугольников ниже

Как решить эту проблему? Что ж, этот вопрос решается по принципу ДУБЛИРОВАНИЯ. Однако, прежде чем мы двинемся дальше, давайте закрепим концепцию частоты обновления и частоты кадров. Как Связаны Частота Обновления И Частота Кадров?

Кадр - это, по сути, картинка на экране, нарисованная монитором/телевизором. Частота кадров - это количество картинок, нарисованных за СЕКУНДУ. Есть два типа:

• ⚙️ Визуализированная частота кадров
• ⚙️ Частота кадров в реальном времени

Фильмы и видео ВОСПРОИЗВОДЯТСЯ в основном с частотой кадров 24. Это означает, что они показывают 24 изображения в секунду. Поскольку они предварительно обработаны, вы ничего не можете сделать, чтобы увеличить эту частоту кадров (Если не произведете рендеринг исходного источника в большее количество кадров). Вы можете добавить самое мощное компьютерное оборудование, но частота кадров останется такой же, как 24 кадра в секунду. Ни у кого на самом деле нет слишком большой проблемы с частотой кадров 24, когда дело доходит до фильмов. Однако это не относится к играм.

Частота кадров в реальном времени / Что означает рендеринг

Рендеринг — это процесс создания двухмерного или трехмерного изображения из модели с помощью прикладных программ. Рендеринг в основном используется в архитектурных проектах, видеоиграх и анимационных фильмах, симуляторах, телевизионных спецэффектах и ​​визуализации дизайна. Используемые методы и функции варьируются в зависимости от проекта. Рендеринг помогает повысить эффективность и снизить стоимость проектирования.

Существует две категории рендеринга: предварительный рендеринг и рендеринг в реальном времени. Разительное различие между ними заключается в скорости, с которой происходит вычисление и окончательная обработка изображений.

1. Рендеринг в реальном времени: известный метод рендеринга, используемый в интерактивной графике и играх, где изображения должны создаваться в быстром темпе. Поскольку в таких средах высок уровень взаимодействия с пользователем, требуется создание изображений в реальном времени. Выделенное графическое оборудование и предварительная компиляция доступной информации повысили производительность рендеринга в реальном времени.
2. Предварительный рендеринг: этот метод рендеринга используется в средах, где скорость не имеет значения, а вычисления изображения выполняются с использованием многоядерных центральных процессоров, а не специального графического оборудования. Этот метод рендеринга в основном используется в анимации и визуальных эффектах, где фотореализм должен быть на самом высоком уровне.

Рендеринг в РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ происходит, когда графическая карта ПК активно рендерит каждый кадр в реальном времени. Игры - яркий тому пример. Все активно рендерится видеокартой и графическим движком прямо здесь и сейчас. Более слабая видеокарта не смогла бы прокачать высокую частоту кадров. Принимая во внимание, что у высокопроизводительной видеокарты с этим проблем не будет. Чем выше настройки графики, которые вы выберете, тем больше потребуется видеокарте для рендеринга всего в режиме реального времени.

Для геймеров игра со скоростью 24 кадра в секунду буквально вызовет головную боль. Не говоря уже о том, что 24 кадра — это далеко не то, что вы бы использовали для соревновательных играх. Тем не менее, для фильмов 24 кадра в секунду - это то, что нужно.

Что делать, если хотите больше кадров.

Сколько кадров в секунду ПОТЕНЦИАЛЬНО поддерживает ваш монитор? Монитор с частотой 60 Гц может поддерживать только 60 кадров в секунду, ДАЖЕ если ваша видеокарта способна отображать больше кадров, чем это. Если вы хотите видеть более 60 кадров в секунду, вы должны выбрать монитор с более высокой частотой обновления, например 120 Гц. Конечно, вам понадобится видеокарта, способная выдавать 120 кадров в секунду, чтобы полностью использовать ее.

Если вы получаете монитор с частотой 120 Гц, но ваша видеокарта может поддерживать частоту кадров только 40-45, то вы зря потратили свои деньги. Короче говоря (для рендеринга в реальном времени) определимся,

• ✅Частота обновления = функция монитора
• ✅Частота кадров = функция видеокарты

Как все это работает?

Теперь, когда вы поняли разницу между частотой кадров и частотой обновления и их взаимосвязью, давайте продолжим разбираться, как все это работает. Как упоминалось ранее, типичный монитор/телевизор имеет частоту обновления 60 Гц. Поэтому он может показывать до 60 кадров в секунду. С другой стороны, фильмы работают только с частотой 24 кадра в секунду. Это создает очевидную проблему, о которой мы говорили ранее, 60 не делится на 24 без остатка, т.е. обновлений больше, чем кадров фильма.

‼️ ДУБЛИРОВАНИЕ

Эта первая проблема решается с помощью процесса дублирования. По сути, каждый кадр растягивается, чтобы соответствовать нескольким обновлениям.

Поскольку 24 кадра не помещаются в 60 кадров, они в основном дублируются на экране телевизором/монитором. Давайте увеличим первые три кадра фильма и посмотрим, как они дублируются.

Здесь вы можете увидеть, как применяется принцип дублирования. Первый кадр ролика занимает 3 обновления. Второй кадр занимает два обновления. Третий кадр занимает 3 обновления и так далее. Поля голубого цвета представляют собой обновления, при которых происходит обновление кадра. Еще один способ, которым фильм занимает все обновления, - это принцип интерполяции движения. Мы подробно обсудим это ниже.

🛑 Проблема Десинхронизации

Дрожание происходит, когда кадры фильма не полностью занимают обновления. Из-за этого видео выглядит нервным и дрожащим. Поскольку фильмы показываются со скоростью 24 кадра в секунду, а типичный монитор/ЖК-дисплей имеет частоту обновления 60 Гц, фильм не полностью занимает все обновления.

Вот как это выглядит.

На этом рисунке показаны только 2 кадра фильма для иллюстрации. Обратите внимание на задержку, когда 2-й кадр фильма ДОЛЖЕН отображаться, а когда кадр фильма ДЕЙСТВИТЕЛЬНО показывает. Отставание составляет половину частоты обновления (LAG). Это все из-за того, что 24 кадра не идеально синхронизируются на 60Гц телевизоре.

Таким образом, даже после того, как происходит дублирование для заполнения частоты кадров мониторов/телевизоров, частота кадров видео не синхронизируется с частотой обновления монитора. Первые два обновления монитора покажут первый кадр видео. Проблема возникает при третьем обновлении. По фильму 2-й кадр должен обновляться на экране. Однако из-за рассинхронизации возникает задержка, и монитор продолжает отображать 1 кадр в течение дополнительной половины обновления. Существует множество методов, используемых для устранения рассинхронизации между частотой обновления и частотой кадров.

Почему именно 24 кадра в секунду?

Конечно, при выборе 24 кадров в секунду в качестве стандарта учитывались денежные соображения. Создатели фильмов хотели найти идеальный баланс между плавной частотой кадров видео и доступностью. 24 кадра в секунду были задуманы в то время, когда видео еще снималось на физические пленки. Не было ни цифрового программного обеспечения, ни компьютеров. Более высокая частота кадров будет означать, что вам потребуется больше пленки. Например, для перехода с 12 кадров в секунду на 24 кадра в секунду потребуется удвоить количество пленки.

Кроме того, большее количество кадров означало больше ручного труда при редактировании фильма. 24 кадра в секунду были выбраны золотым стандартом . Это было гладко и экономически выгодно.

Когда имеет смысл более высокая частота кадров?

Я надеюсь, что вы уже поняли, что большая частота кадров = больше реализма. Тот факт, что мы выбрали 24 кадра в секунду в качестве кинематографического стандарта, не имеет ничего общего с реализмом, а имеет прямое отношение к "Магии кино". Итак, когда более высокая частота кадров действительно имеет смысл?

Игры — это святой Грааль более высокой частоты кадров. Чем выше частота кадров, тем плавнее изображение. На самом деле, геймеров и стримеров, безусловно, можно считать пионерами распространения и продвижения более высокой частоты кадров.

✳️ Решение проблемы рассинхронизации

Поскольку большинство людей согласны со стандартом Cinematic Experience 24 FPS, они не хотят его менять. Однако текущая тенденция, особенно среди геймеров, заключается в том, что они хотят, чтобы все изменилось. Среди геймеров хорошо известна поговорка о том, что 60 кадров в секунду могут вылечить рак. Существует множество способов увеличить частоту кадров и полностью использовать частоту обновления экрана.

1️⃣ Съемка с более высокой частотой кадров

Если вы хотите большего реализма, просто снимайте с более высокой частотой кадров. Но это не так просто. Вам нужно оборудование для этого. Качественная камера, которая снимает 60 кадров в секунду, однозначно будет дороже. Не говоря уже о том, что вам потребуется огромное пространство на жестком диске для сохранения видеофайла, снятого с частотой 60 кадров в секунду.

Здесь следует отметить, что пока стандартом для фильмов является 24 кадра в секунду, 30 кадров в секунду были стандартом для телевидения. Если у вас когда-либо возникало другое чувство при просмотре фильмов по сравнению с телевидением, теперь вы знаете, почему. В принципе, телешоу более плавные, чем фильмы. Сейчас 30 FPS - это отличный показатель. Он отлично делит 60 Гц. Поэтому при 30 кадрах в секунду у вас есть один видеокадр на два обновления экрана . Это, в свою очередь, означает более плавное видео.

2️⃣ Частота Обновления 120 Гц

Хотя мониторы и телевизоры с частотой 60 Гц по-прежнему наиболее распространены, дисплей с частотой 120 Гц наверняка станет новым стандартом. Одна из лучших особенностей телевизоров/мониторов с частотой 120 Гц заключается в том, что все распространенные стандарты частоты кадров для фильмов и видео идеально подходят для частоты 120 Гц.

• ✅ 24 кадров в секунду x5 = 120 кадров в секунду
• ✅ 30 кадров в секунду x4 = 120 кадров в секунду
• ✅ 60 кадров в секунду x2 = 120 кадров в секунду

По сути, если вы воспроизводите фильм с частотой 24 кадра в секунду на мониторе/телевизоре с частотой 120 Гц, каждый кадр фильма будет занимать 5 обновлений экрана. Самое приятное здесь то, что не будет наложений, как мы видели выше с 24 кадрами в секунду на частоте 60 Гц.

НО, если вы хотите ЕЩЕ БОЛЬШЕ плавности в своих фильмах и видео, вы должны приобрести телевизор с ИНТЕРПОЛЯЦИЕЙ ДВИЖЕНИЯ.

3️⃣ Интерполяция Движения (ЭФФЕКТ МЫЛЬНОЙ ОПЕРЫ)

Именно здесь становятся актуальными процессоры, алгоритмы, программное обеспечение и весь этот причудливый жаргон. Интерполяция движения - это передовая технология, используемая во многих телевизорах, которая позволяет УГАДЫВАТЬ и СОЗДАВАТЬ кадр между двумя видеокадрами . Вот как это работает:

Мы видим, что алгоритм интерполяции движения угадал и сгенерировал новый промежуточный кадр. Поскольку все кадры теперь ближе друг к другу, это приведет к уменьшению РАЗМЫТИЯ В ДВИЖЕНИИ. Это делает видео более плавным.

С другой стороны, это устраняет кинематографическую сущность скачкообразного фильма с частотой 24 кадра в секунду. Полученный вид видео обычно называют ЭФФЕКТОМ МЫЛЬНОЙ ОПЕРЫ. Как упоминалось ранее, телешоу традиционно идут с более высокой частотой кадров по сравнению с фильмами (30 кадров в секунду против 24 кадров в секунду соответственно). Поэтому ощущения между ними, естественно, разные. Интерполяция движения по существу устраняет характерное ощущение фильма с частотой 24 кадра в секунду и делает его похожим на качество телешоу.

Интерполяция управляется сложным программным обеспечением и иногда может допускать ОШИБКИ. Выполнение интерполяции для программного обеспечения просто на медленных и линейно движущихся сценах, таких как медленный автомобиль, движущийся по прямой линии; однако он начинает генерировать артефакты, когда на экране слишком много всего происходит. Во время сцен взрыва или очень быстрых сцен высока вероятность того, что механизм интерполяции на вашем телевизоре создаст визуальные аномалии.

4️⃣ Адаптивная Частота Обновления (Геймеры Радуются)

АДАПТИВНАЯ ЧАСТОТА ОБНОВЛЕНИЯ - это новейшая технология, целью которой является синхронизация частоты кадров с частотой обновления монитора. За этим стоят две новаторские технологии: FreeSync от AMD и G-Sync от NVIDIA . Большинство игровых мониторов в наши дни предлагают одну из двух технологий. Если вы не читали остальную часть статьи, просто запомните следующие ключевые понятия.

• ✅ Частота обновления - это функция монитора
• ✅ Частота кадров - это функция игрового оборудования, т. е. видеокарты.
• ✅ Элемент списка

Как это работает?

Монитор и телевизор традиционно имеют статическую частоту обновления, то есть она не меняется. Чаще всего это 60 Гц. Адаптивная частота обновления, также известная как технология динамической частоты обновления, позволяет мониторам РЕГУЛИРОВАТЬ свою частоту обновления в зависимости от частоты кадров в игре. По сути, монитор и видеокарта ОБЩАЮТСЯ друг с другом. Мы знаем, что частота кадров прыгает. Иногда вы получали 75 кадров в секунду, а иногда оно падает до 40 кадров в секунду. С технологией адаптивной синхронизации, если частота кадров падает, то и частота обновления падает. Если частота кадров становится выше, чем поддерживаемая частота обновления, то монитор сообщает видеокарте немного снизить скорость.

Обратите внимание, как 2-я ЧАСТЬ кадра повторяется в 3-м обновлении, тогда как 3-е обновление должно быть зарезервировано только для кадра 3

А вот Adaptive FreeSync от AMD в действии, поскольку он изменяет частоту обновления

Когда происходит рассинхронизация между частотой обновления и кадром, это вызывает две проблемы:

• ❌Заикание экрана
• ❌Разрыв экрана

Разрыв Экрана

Разрыв экрана происходит, когда у вас очень мощное оборудование, которое может прокачивать больше кадров, чем может поддерживать монитор. Например, если у вас есть монитор с частотой обновления 60 Гц, но ваша видеокарта загружает на него игру с частотой 75 кадров в секунду. Здесь явно есть проблема. Монитор тут выступает узким местом.

Когда это происходит, ваш монитор практически получает БОЛЬШЕ, чем один кадр за обновление монитора. Традиционно этот вопрос решался включением V-Sync. Однако у V-Sync есть свои проблемы. Это заставляет графическую карту предоставлять ТОЛЬКО столько кадров, сколько может поддерживать монитор. К сожалению, когда игра становится слишком интенсивной со взрывами тут и там и тоннами частиц, частота кадров внезапно падает. Это приводит ко второй проблеме, т.е. ЗАМЕДЛЕНИЮ ЭКРАНА.

Заикание/Отставание Экрана

Заикание экрана, обычно известное как задержка, возникает в двух случаях.

1. У вас недельная видеокарта
2. Вы включили V-Sync, но внезапная интенсивная сцена в игре снизила частоту кадров намного ниже частоты обновления монитора.

В первом случае, если ваш монитор имеет частоту обновления 60 Гц, но ваше игровое оборудование выдает только 40 кадров в секунду. Тогда высока вероятность того, что вы столкнетесь с заиканием или отставанием экрана. Чтобы решить эту проблему, функция адаптивной синхронизации заставляет монитор снижать частоту обновления, чтобы она соответствовала частоте кадров в игре.

Во втором случае ваше довольно мощное оборудование просто попало в беду только потому, что вы включили V-Sync. Что ж, с технологией адаптивной синхронизации вам вообще не нужно оставлять включенной V-Sync.

Часто задаваемые вопросы

Почему телевизоры и мониторы имеют частоту обновления 60 Гц?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется посетить историю и начало электрической сети. Когда переменный ток выиграл битву с постоянным током, он стал нормой в США и Европе (впоследствии во всем мире). В отличие от постоянного тока, переменный ток подается со СТАНДАРТНОЙ ЧАСТОТОЙ. В США приняли 60 Гц в качестве стандартной частоты питания. (Европа и Россия приняли частоту 50 Гц в качестве стандарта).

Эта частота была выбрана по нескольким причинам. По сути, это был компромисс между уменьшением видимого мерцания и более высокими потерями при передаче. Более высокая частота электропитания уменьшает видимое мерцание света, потому что ток проходит плавно. С другой стороны, более высокие частоты означают более высокие потери тока при прохождении по линиям передачи. Мерцание заметно на медленных частотах сети переменного тока.

Более высокая частота также означает, что оборудование будет при работе больше нагреваться и потребует охлаждения. Переменный ток выглядит как синусоида. Это означает, что лампочка включается и выключается, когда синусоида достигает пика и дна соответственно. Частота питания 60 Гц гарантирует, что лампа будет включаться и выключаться 60 раз в секунду. Это так быстро, что это почти незаметно для глаз. Теперь представьте, если бы частота питания была 1 Гц. Это означало бы, что лампочка будет включаться на полсекунды и выключаться на полсекунды.

Это было бы очень раздражающим, поскольку постоянное затемнение и осветление, безусловно, вызвало бы у вас головную боль. Учитывая все это, была принята стандартная частота. Стандартная частота питания 60 Гц была выбрана задолго до появления электроники, не говоря уже об LCD и ЖК-телевизорах. Отныне почти все электронные устройства, а не только устройства отображения, работали на стандартной частоте.

Когда были изобретены LCD-телевизоры (ЭЛТ), они тоже были рассчитаны на работу с частотой 60 Гц. Поскольку электронно-лучевые трубки были очень чувствительными компонентами, частота обновления, отличная от частоты электропитания, приводила к таким проблемам, как помехи, гулы, мигающие экраны и т.д . Поэтому и частота обновления экрана, и частота сети переменного тока были ГАРМОНИЗИРОВАНЫ. Когда были представлены ЖК-мониторы, они не страдали от тех же проблем, что и ЭЛТ-мониторы. Их компоненты были не слишком чувствительны к проблемам, с которыми сталкивалась CRT мониторы.

Однако 60 Гц уже давно стали нормой в видеоиндустрии. Таким образом, они просто придерживались того же стандарта. Однако в наши дни мы можем видеть, что ЖК-мониторы предлагают разную степень частоты обновления. Нередко можно найти монитор с частотой обновления 100, 120, 144, 165, 240 Гц. Они прекрасно функционируют без каких-либо «гулов» и «помех» от частоты сети переменного тока, несмотря на то, что они НЕ согласованы.