Сколько FPS нужно здоровому человеку. Часть 2

В прошлой части статьи мы узнали, почему физическая частота обновления экрана в 60Гц не ограничивает вашу реакцию в играх, и чем на самом деле хороши более высокочастотные мониторы. Сегодня продолжаем тему, так как у многих читателей возникли дополнительные вопросы. 

Почему на 60Гц мониторе быстрое прицеливание труднее, чем на 144Гц и других высокочастотных мониторах

Быстрое прицеливание на 60 Гц мониторе действительно может быть труднее, чем на 144Гц и прочих высокочастотных моделях. Но дело тут вовсе не в частоте обновления экрана, который у 60Гц монитора обновляется каждые 16,7мс. Корень проблемы - во времени отклика матрицы монитора.

Дело в том, что яркость и цвет буквально каждого пикселя монитора меняются не моментально. Для изменения требуется определенное время, которое определяет задержку реакции матрицы, она же - время отклика монитора.

Примечание: любое изменение цвета (и изображения в целом) в мониторах достигается изменением яркости субпикселей базовых цветов.

Работа всех современных ЖК мониторов базируется на общем принципе – пропускании поляризованного света через слой жидких кристаллов. Жидкие кристаллы внутри ЖК-матрицы механически поворачиваются, представляя собой своеобразный «кран», перекрывающий/пропускающий поляризованный свет в зависимости от угла поворота жидких кристаллов. Жидкие кристаллы поворачиваются в электрическом поле под действием разности потенциалов – то есть, под действием приложенного напряжения. И именно тут возникает проблема: чем меньше нужно изменить яркость/цвет пикселя на экране, тем меньше требуется изменить управляющее напряжение на жидкокристаллическом слое, и тем медленнее и неохотнее будут поворачиваться жидкие кристаллы. Как следствие, время отклика кристаллов на слабое воздействие возрастает многократно, заметно превышая те самые 16,7 мс частоты кадровой развертки экрана. 

При реальной работе любого монитора, в том числе в динамичных сценах, изображение на экране крайне редко сильно изменяется по яркости/цвету за «доли секунды». Поэтому проблемы задержек из-за инерционности (способности сохранять устойчивость по отношению к воздействиям) жидких кристаллов предстают во всей красе. 

То, что на вашем 60Гц мониторе написано время отклика grey-to-grey 5мс или там 8 мс – это не более актуальная информация, чем «средняя температура по больнице». На самом деле все обстоит куда печальнее. Во многих случаях при изменении изображения из-за задержки матрицы реальное время отклика у 60Гц монитора будет составлять 30, 40, 50, а то и все 60мс.    

Реальное время отклика 60Гц монитора (напоминаю, что время смены кадра на экране  – 16,7мс)

Таким образом, если вы рассчитывали, что монитор сразу выводит изображение, сформированное видеокартой, придется вас разочаровать. Из-за инерционности жидких кристаллов матрицы, на экране мы будем видеть некую смесь из нового кадра и кадров «из прошлого». И если для статичных изображений это никакой проблемы не представляет, то в случае с динамичными сценами – это большая проблема. Играть в динамические игры будет уже затруднительно, поскольку увидеть и распознать противника немедленно или с задержкой в 30-60мс (с опозданием на 2-4 кадра) – это «две большие разницы». Плюс сама по себе описанная здесь проблема приводит к «размытию», расплывчатости и нечеткости движущегося изображения на экране, что дополнительно повышает вероятность «прозевать» противника.

                                        240 Гц                                                                                 60 Гц 

Представьте, что противник «выглядывает» между буквами I и N. Когда его легче заметить?

У высокочастотных мониторов ситуация тоже не идеальна, но все же гораздо лучше. Вот пример реального времени отклика для 165Гц монитора с заявленным временем отклика 1 мс:

Реальное время отклика 165 Гц монитора (напоминаю, что время смены кадра на экране – 6мс)

Как видим, у высокочастотных мониторов мы тоже получаем время отклика матрицы выше, чем время обновления кадра. Но все же здесь используются более современные матрицы, и ситуация с задержками куда лучше. Вполне можно рассчитывать на реальное время отклика 8 -10 - 20 - 25 мс. Это вдвое-вчетверо лучшее время отклика, чем у 60Гц мониторов. А значит, на экране высокочастотного монитора у вас есть реальный шанс увидеть противника раньше, и быстрее среагировать на него. И это – залог победы. Да и маскирующих противника «шлейфов» на быстром высокочастотном мониторе вы будете наблюдать меньше.

Неидеальное решение проблемы отклика

Нельзя сказать, что производители не замечали вышеописанной проблемы и «забили» на время отклика матрицы. Для борьбы с задержкой широко используется технология разгона матрицы – так называемый overdrive. 

Вкратце суть overdrive такова: чтобы ускорить поворот медлительных жидких кристаллов, в начале каждого нового кадра на пиксель подается «разгонный» импульс высокого напряжения. Это своеобразный «пинок» для жидких кристаллов, который придает им дополнительное ускорение и позволяет быстрее перейти в новое положение. 

Естественно, overdrive снижает задержку отклика матрицы. Но этот метод не без недостатков, сильное повышение напряжения не проходит незаметно для сидящего перед монитором пользователя. При чрезмерно интенсивном overdrive на экране становятся хорошо заметны артефакты изображения в виде светло-ярких ореолов у любых движущихся (изменяющих яркость/цвет) объектов. Дело в том, что слишком «разогнанные» жидкие кристаллы уже не могут вовремя остановиться (опять, же из-за инерционности), и пропускают слишком много света через матрицу. Поэтому с overdrive нужно знать меру, и проблему это решает лишь частично.

Кадровая чехарда

Еще одна проблема невысокого качества выводимого монитором изображения (и вызывающая трудности своевременного восприятия «цели») возникает потому, что частота обновления экрана на типичном 60Гц мониторе фиксированная, а вот видеокарта создает каждый выводимый кадр за совершенно разное время, которое зависит от уймы параметров: начиная со сложности игровой сцены и заканчивая фоновой загрузкой ПК разными процессами. Потому количество кадров в секунду в игре постоянно меняется, и практически никогда не соответствует герцовке экрана монитора. И тут возможны два варианта.

Первый вариант – монитор работает с выключенной  синхронизацией кадров. В этом случае, как только графический процессор подготовил новый кадр, он немедленно начинает выводиться из кадрового буфера на экран монитора, даже тогда, когда вывод предыдущего кадра еще полностью не завершился. В итоге кадр на экране монитора будет представлять собой «нарезку» из 2-х и более игровых fps и выглядеть как та или иная вариация вот такого «микса»:

При отсутствии синхронизации кадры выводятся максимально быстро, но «перемешиваются»

Удобно ли выцеливать противников в таком варианте? Конечно же нет. Да и визуальной привлекательности четко различимая граница между изображением соседних fps в игру не добавляет. Неудобно и некрасиво – два в одном. Единственное преимущество метода – минимальная задержка вывода изображения. Будь у вас 60Гц монитор, или 240Гц – видеокарта в данном случае  выводит на экран все игровые fps примерно за одно и то же время.    

Примечание: в типичном случае кадр на экране несинхронизированного монитора представляет собой «нарезку» из нескольких игровых fps если частота fps существенно превышает частоту обновления экрана, и «склейку» из двух fps, когда частота fps примерно соответствует герцовке монитора. Если частота fps в игре ниже частоты обновления экрана, то будет наблюдаться «смесь» из одиночных фреймов и «нарезанных» склеек.

Отсутствие синхронизации чревато «разрывами» кадров, когда один кадр на мониторе соответствует 2-м и более игровым fps

Чтобы побороть вышеописанный недостаток, можно пойти по второму пути - включить вертикальную синхронизацию. То есть принудительно выводить на монитор ровно столько игровых fps, сколько раз в секунду экран физически обновляет изображение. В этом случае мы получим приятную глазу картинку без «разрывов» кадров. Но принудительная синхронизация – это палка о двух концах. Включение синхронизации может существенно удлинить пресловутый input lag, точнее увеличить задержку вывода изображения. 

При наличии синхронизации, если игровой кадр был создан видеокартой до начала отрисовки следующего кадра на экране монитора, то проблемы нет— игровой кадр просто ждет в буфере наступления обновления экрана и отображается в положенное время. 

Но когда видеокарта не успевает создать кадр вовремя (для этого ей отводится до 16,7 мс на 60Гц мониторе, 8 мс на 120Гц мониторе, 7 мс на 144Гц мониторе, 6 мс на 165 Гц мониторе и 4 мс на 240 Гц мониторе), то приходится ждать следующего цикла физического обновления экрана монитора, а на экран выводится изображение уже готового «старого» кадра. Это и приводит к задержкам - статорам и лагам.

В случае 60Гц монитора, если видеокарта не успела создать кадр за 16,7 мс, то изображение на экране обновится уже как минимум через 33,4 мс, а если карточка не уложилась и в такое время (что особенно вероятно для слабых систем) – то изображение обновится аж через 50 мс и более! 

Формирование задержки (лага) при принудительной кадровой синхронизации на 60Гц мониторе

В то же время, как свидетельствуют цифры, приведенные чуть выше, при принудительной синхронизации задержка вывода запоздало сформировано кадра у высокочастотных мониторов в разы (!) ниже, чем у 60Гц моделей. Так, «недорисованный» вовремя кадр у 120 Гц монитора выведется уже как минимум через 16 мс (сравните с 33,4 мс у 60Гц), а у 240 Гц монитора вообще через 8 мс, что вчетверо быстрее 60Гц-вого «медляка». Именно благодаря этому заметно ощутимое сокращение «лага» на экране высокочастотного монитора при использовании кадровой синхронизации. 

Более того, современные высокочастотные мониторы, как правило, вообще способны работать без задержки синхронизации! Это огромное преимущество у них появилось благодаря поддержке технологий AMD FreeSync и Nvidia G-Sync. 

Если вкратце – обе эти технологии умеют точно синхронизировать частоту обновления экрана монитора (которая у совместимых дисплеев уже не постоянная, а переменная, в определенном диапазоне частот - см. первую часть статьи) с количеством игровых fps, выводимых видеокартой. Таким образом, монитор сам идеально подстраиваться под возможности видеокарты и выводит игровые кадры не только максимально быстро, но и предельно четко, без визуальных искажений и «разрывов», обеспечивая превосходный визуальный комфорт и отличную плавность игрового процесса. Вы получаете максимально удобный вариант для игр.  

Итог

Как видим, утверждение о том, что современные высокочастотные мониторы более комфортны для игр, имеет под собой веские основания. Это не значит, что вам нужно сейчас же избавляться от вашего старого 60Гц дисплея и немедля мчаться за обновкой. Однако если перед вами стоит вопрос приобретения нового монитора, то предпочтение стоит отдавать все же более современным высокочастотным моделям. Играть, да и не только играть, на них будет куда приятнее. Что бы вам там не рассказывали «старинные друзья», утверждающие, что «24 кадра/с хватит всем». 

Р.S. Пожалуй, на сегодня информации уже достаточно, поэтому оставшиеся вопросы: 

- откуда берется и как нарастает input lаg и почему он в разы может отличаться на одном и том же ПК и/или мониторе; 

- почему раньше всем хватало 24 кадра в секунду, а теперь этого мало;

мы обсудим в третьей, завершающей части цикла. Подозреваю, приведенная там информация многих очень удивит. 

Ну и по традиции, приглашаю всех в комментарии, ведь нам всегда есть что сказать друг другу: