Képkockaszám, frissítési frekvencia

Frissítve: 2023. május 14.

Sok olvasónk számára biztosan tökéletesen világos a két fogalom közötti különbség. Mégis úgy gondoltuk, hogy nem árt néhány bekezdést szentelnünk a képkockaszám és a képfrissítési frekvencia közötti különbségtételnek. A téma aktualitását az adja, hogy folyamatosan emelkedik a PC monitorok, különösképpen a gamer monitorok frissítési frekvenciája, ráadásul széles körben elterjedt az adaptív szinkron használata. Ma már több olyan monitor elérhető, amelynek maximális frissítési frekvenciája eléri az 500 Hz-et.

A képkockaszám (frame rate)

Köztudomású, hogy a mozgókép – legyen annak forrása film, videó, televíziós adás vagy számítógépes/konzolos játék – állóképek (képkockák) sorozatából áll, a látórendszerünk ezekből „rakja össze” a mozgás illúzióját – feltéve, hogy a képkockák elég gyorsan követik egymást.* A kamerával felvett (és elektronikusan feldolgozott, rögzített, továbbított, lejátszott), vagy számítógéppel generált képek másodpercenkénti számát szokás képkockaszámnak vagy képfrekvenciának, angolul frame rate-nek nevezni. Mértékegysége a kép/s, ennek angol megfelelője az fps (frame per second).

*Mindemellett alapvető különbség a fizikai filmkocka és az elektronikus „képkocka” között, hogy az előbbi rögzítése és megjelenítése a teljes képfelületen egyidejűleg, míg az elektronikus „képalkotás” mind a felvétel, mind a lejátszás (kijelzés) oldalán a kép bal felső sarkából indulva, pontonként, illetve soronként, ismétlődő vízszintes pásztázással, szekvenciálisan történik.  

A másodpercenként felvett/generált képkockák száma a legtöbb képforrás esetében adottság (bár esetleg az adott érték választható), azaz állandó vagy fix frame rate-ről beszélhetünk. Ez tipikusan nem így van a számítógépes játékok esetében, ahol általános esetben a grafikus kártya pillanatról pillanatra változó hosszúságú képkockákat generál (renderel), aminek következtében maga a frame rate is változó. De akár állandó, akár változó a képkockaszám, a frame rate fogalma az eltérő információtartalmú képek sorozatát, illetve ezek másodpercenkénti számát jelenti.

A magyar képkocka, és az angol frame elnevezés is a filmtechnikából jött, ahol fizikailag is valódi „képkockák” (téglalap alakú állóképek) készültek a felvétel során. Mint köztudott, a film frame rate-je hagyományosan a mai napig 24 kép/s. 2013-ban ugyan elkészült az első 48 kép/s frame rate-tel rögzített digitális film (Unexpected Journey), 2016-ban pedig megjelent az első 120 kép/s-os játékfilm (Billy Lynn’s Long Halftime Walk), de a mozifilmek elsöprő többsége – ma már persze digitális „filmkamerával”, nem pedig filmszalagos kamerával – most is 24 kép/s frame rate-tel készül.

A 24 kép/s-os kép (film, digitális film) mozikban történő megjelenítéséről most annyit érdemes elmondani, hogy a filmes vetítőgépek, ahol még egyáltalán vannak, minden egyes filmkockát másodpercenként kétszer vagy háromszor világítanak át. Ha ezt nem tennék, a vetített képen zavaró villogást érzékelnénk. Ugyanazon filmkockák ismétlésének következménye, hogy a „megjelenítési gyakoriság”, azaz a „frissítési frekvencia” (lásd a következő bekezdést) a filmes vetítőgépek esetében 48 Hz vagy 72 Hz, miközben az egymástól különböző képkockák másodpercenkénti száma továbbra is 24 kép/s (fps, frame/sec). Ez talán máris szemléletesebbé teszi a frame rate és a refresh rate közötti különbséget.

A digitális mozifilmek, a fent említett kivételektől eltekintve, szintén 24 kép/s frame rate-tel készülnek, a digitális projektoroknak pedig – a filmprojektoroktól gyökeresen eltérő működésük miatt – elegendő 24 kép/s-mal (=24 Hz „frissítéssel”) vetíteniük, noha a 2K felbontású gépek esetében a 48 kép/s (48 Hz) frissítési frekvencia is lehetséges és ajánlott. A 4K felbontású mozifilmek esetében a 24 Hz frissítés a szabványos. A 2K 3D filmek esetében kell a 48 Hz frissítés, mivel a bal szemnek és a jobb szemnek is minimum 24 Hz-re van szüksége.

A frissítési frekvencia (refresh rate) 

Ha röviden akarunk fogalmazni, akkor ez a szám (a monitoroknál általában Hz egységekben megadva) azt mondja meg nekünk, hogy egy adott kijelző eszköz – legyen az monitor, projektor, televízió vagy másfajta kijelző/megjelenítő – másodpercenként hányszor tud képet kirajzolni a képernyőn, függetlenül attól, hogy milyen a bemeneti jel frame rate-je, azaz képfrekvenciája. Ha a bemeneti frame rate nagyobb a beállítható legnagyobb frissítési frekvenciánál, akkor a kijelző vagy egyszerűen nem tudja megjeleníteni a képet, vagy pedig a fölös kockákat „eldobja”, illetve a PC játékok esetében képtörés (tearing) következik be, ha a a PC és a monitor közötti függőleges szinkron nincs bekapcsolva. Mivel a számítógéppel renderelt képet, vagy a legújabb játékkonzolokat kivéve, a kijelző bemenetén a frame rate nem haladja meg a 60 fps-t, az előbb említett képhibák csak kivételesen fordulnak elő a 60 Hz frissítésű LCD monitoroknál.

A frissítési frekvenciánál kisebb frame rate esetében a kijelző ugyanazt a képkockát kétszer vagy többször is megjelenítheti, ez esetben az ismételt képkockák ugyanazt a képinformációt tartalmazzák. A mozgásvisszaadás azonban csorbát szenvedhet, ha a frissítési frekvencia nem egész számú többszöröse a frame rate-nek (pl. 24 kép/s-os jel megjelenítése 60 Hz-es frissítéssel).

A mozgásproblémára az előbbi esetben lehet egy – igaz, nem mindenki által kedvelt – megoldás, hogy az elsődleges képjel forrása és a kijelző közötti elektronika két szomszédos képkocka közé beiktat egy vagy több plusz képkockát, amelyek információtartama köztes jellegű: egy algoritmus több-kevesebb sikerrel kiszámolja, hogy milyen lett volna a plusz képkockák tartalma, ha tényleg elkészültek volna a felvétel során. Ezt nevezik képinterpolációnak, amit a televíziókba szokás (kikapcsolható módon) beépíteni, de némelyik monitorban is előfordul (esetleg PC-vel is elvégeztethető). Az eredmény a folyamatosabb mozgás „élménye”, amit azonban sokan utálnak, van, aki szereti, és van, aki észre sem veszi a hatását (szappanopera effektus). Kifejezetten gyors mozgásokat tartalmazó speciális mozgóképen (pl. sportközvetítések) a képinterpoláció sokat javíthat a mozgásreprodukción.

Meg kell jegyeznünk, hogy a képinterpoláció nyomán a kijelzőre már megváltozott képfrekvenciájú jel kerül, hiszen az interpolált képkockák új (bár mesterséges, utólag előállított) információtartalmat hordoznak, így a frame rate már nem ugyanaz lesz, mint az eredeti forrásé.

Az átlagos PC monitorok szokásos frissítési frekvenciája manapság 60 Hz (kivéve a játékra szánt monitorokét), ami az LCD monitoroknál tökéletesen elegendő a villogásmentes megjelenítéshez – feltéve, hogy a monitor nem használ drasztikus mértékű háttérvilágítási-időcsökkentő és mozgáselmosódás-javító technikát (általános nevén ULMB = ultra low motion blur), ami a CRT-hez hasonló villogást okoz, mert ilyenkor a 60 Hz kevés lehet. Az LCD “sample and hold” működése miatti mozgáselmosódás egyébként pusztán a frissítési frekvencia emelésével is arányosan csökken.

Mint jeleztük, jó ideje egyre több 120-240, sőt újabban 360 és 500 Hz frissítési frekvenciájú monitor jelenik meg az egyre fejlettebb és gyorsabb játékokat játszó hardcore játékosok számára. 500 Hz-nél valószínűleg nem érdemes feljebb menni (sőt sokan már ezt is túlzásnak gondolják), bár a blurbusters.com szerint valószínűleg 1000 Hz lenne az ideális. A fentebb megadott frekvenciaértékek gyakran azt jelentik, hogy a monitor natív maximális frissítését fel lehet „húzni” nagyobb értékre (overclock). A nagy frissítési frekvenciáknak valójában akkor van értelme, ha a bemeneten a monitor fogadni és feldolgozni tudja a hasonló képfrekvenciájú tartalmat. Ez természetesen csak számítógépből kiadott jel lehet, hiszen semmilyen egyéb forrásból jelenleg nem kapunk még 120 kép/s-os képet sem (kivéve a nagysebességű videokamerákat, de ez nem ide tartozik). Értelemszerűen a PC grafikus kártyájának is különleges teljesítményt kell ilyenkor produkálnia.

A PC-játékok frame rate-je és a monitor frissítése

A PC-monitorok frissítési frekvenciája viszonylag sokáig fix érték volt, bár ezt a fix értéket gyakran át lehetett állítani egy másik fix értékre (pl. 60 Hz-ről 75 Hz-re). A fix frissítési frekvencia ma is általános mind a szokásos irodai munkára szánt, mind a professzionális célokra szolgáló (pl. grafikai munka, nyomdai előkészítés, videoszerkesztés stb.), nem beszélve a filmszerkesztésről vagy a fényképek feldolgozásáról.

Hosszú ideig a PC-játékok (játékosok) is megelégedtek a fix, bár 60 Hz-nél lehetőleg nagyobb frissítési frekvenciával. Említettük, hogy a játékok folyton változó frame rate-tel futnak, amelynek maximuma persze függ a PC erejétől (CPU, alaplap, GPU, grafikus memória), plusz a játékok bizonyos kiinduló beállításaitól, és persze attól, hogy hogyan programozták a konkrét játékot. A fix frissítési frekvencia és a változó frame rate értelemszerűen megjelenítési anomáliákhoz vezet, amelyek feloldására a grafikus kártyák rivális fejlesztői, az Nvidia és az AMD is komoly erőfeszítéseket tettek, és a 2010-es évek első felében mindkét vállalat kihozta a saját megoldását (lásd alább).

De maradjunk még egy percre a fix frissítési frekvenciánál. Kézenfekvő azt mondani, hogy a függőleges szinkront bekapcsolva (V-Sync ON) próbáljuk meg szinkronban tartani a frame rate-et a frissítéssel. A játék azonban hol lelassul, hol felgyorsul. Amikor a frame rate meghaladja a frissítési frekvenciát, a GPU-nak a szinkron miatt vissza kell tartania képkockákat, mielőtt a monitorra küldi, ami a késleltetést (lag) növeli.

Ha azonban a frame rate éppen csökken, a GPU még nem tudja küldeni az éppen renderelt kockát, amikor az előző kocka kirajzolását a monitor már befejezte. A GPU-nak valamit küldenie kell, ezért az előző kockát küldi még egyszer (esetleg többször) – a monitor tehát kétszer (vagy többször) rajzolja ugyanazt a képkockát. Ez a kép akadozásához, a mozgás egyenetlenségéhez vezet (stuttering).

Ha a kötött szinkron miatt zavaró a kép akadása vagy a késleltetés, akkor marad a függőleges szinkron kikapcsolása (V-Sync OFF), ahogy azt sok játékos megteszi, azonban ennek is van ára. Miután így a szinkron megszűnik, a GPU az egymás utáni képkockákat az elkészülés változó ütemében küldi ki a monitornak. Ha pl. egy adott kocka kirajzolása a monitoron még nem fejeződött be, de a következő kocka renderelése már megtörtént, a monitor ezt az információt azonnal megkapja, és a kép kirajzolása ennek megfelelően – egy másik kocka tartalma alapján – folytatódik. A következmény az ún. képtörés (tearing), amit a játékosok jól ismernek.

tearing1

A képtörés szemléltetése a függőleges szinkron (V-Sync) kikapcsolása esetén

Összefoglalva: fix monitorfrissítés mellett a függőleges szinkront bekapcsolva vagy kikapcsolva is felléphetnek zavaró mozgáshibák.

Erre a problémára azonban van „igazi” megoldás, éspedig az ún. adaptív szinkron, a monitor frissítési frekvenciájának dinamikus változtatása a változó frame rate pillanatnyi értékével összhangban. Pontosabban, az egymást követő képkockák renderelési idejének megfelelően változik az aktuális frissítési frekvencia. Az adaptív szinkron lehetőségét a kijelzőkre vonatkozó érintett szabványok kidolgozásával a VESA teremtette meg, és ezzel lehetővé tette mind a járulékos késleltetés és az akadozás, mind a képtörés megszüntetését a játék során. Az elgondolás szellemes, ugyanakkor kézenfekvő, így inkább azon kell csodálkoznunk, hogy nem korábban születtek meg a konkrét megoldások. De az is lehet, hogy előbb az egyéb feltételeknek (a PC-k és a grafikus kártyák, továbbá a monitorok fejlettsége) is teljesülniük kellett a megvalósításhoz.

A fenti elvet alkalmazza az Nvidia 2014-ben kihozott G-Sync technikája, és az AMD nem egészen egy évvel később bejelentett FreeSync megoldása is, mely utóbbi anélkül vette át a VESA jogdíjmentes Adaptive-Sync szabványát, hogy bármilyen plusz hardvert be kellett volna építeni a monitorokba. Ez olcsóbb megoldás, mint a G-Sync, amelynek használatához az Nvidia speciális hardverének integrálása szükséges a monitorokba, és ezért licenszdíjat is kell fizetni. Az AMD FreeSync azonban a szabályozott frame rate tartomány megválasztását a monitorgyártók kezébe adja, így az adaptív szinkron kevésbé kontrollált lehet, mint a G-Sync esetében.

Mindkét megoldásnak vannak tehát előnyei és hátrányai, de megjelenésük óta mindkét cég igyekszik fejleszteni (főleg a HDR játékok kezelését illetően), illetve hozzáférhetőbbé tenni a saját rendszerét. A FreeSync-nek már van FreeSync Premium és FreeSync Premium Pro változata, az Nvidia pedig – a verseny nyomása alatt – néhány éve lehetővé tette a G-Sync használatát olyan monitorokban is, amelyekben nincs beépített Nvidia G-Sync hardver (G-Sync processzor). Természetesen az Nvida grafikus kártya ekkor is szükséges.

NVIDIA_G-Sync

Az Nvidia egyik korábbi G-Sync kártyája

Persze az engedékenységnek is van határa, a G-Sync processzort nem tartalmazó monitoroknak meg kell felelniük bizonyos elvárásoknak (elvileg ezeket az Nvidia-nak validálnia kell). Ha ez teljesül, akkor is csak „G-Sync-kompatibilisek” (G-Sync Compatible) lesznek, ami lényegében a G-Sync alsó osztályát jelenti, szemben a felső G-Sync Ultimate és a középső G-Sync osztályba sorolható monitorokkal, amelyekben megtalálható a G-Sync processzor.

***

Eredeti témánkhoz visszatérve, írásunkból talán világossá vált, hogy miért kell megkülönböztetni a frame rate és a refresh rate fogalmát, habár felületesen nézve mindkettőt lefedi a képfrekvencia általános fogalma. Ám az egyik a képforrás jelére, míg a másik a megjelenítő eszköz reprodukciós képességére vonatkozik.

Silverwolf

 

Legyen Ön az első hozzászóló

Várjuk hozzászólását!

Az Ön email címe nem kerül nyilvánosságra.


*


Ez az oldal az Akismet szolgáltatást használja a spam csökkentésére. Ismerje meg a hozzászólás adatainak feldolgozását .