Что такое вертикальная синхронизация и чем она помогает в играх?

Для начала небольшой ликбез о модной нынче герцовке и частоте обновления. Информация, которую дисплей получает от видеокарты, находится в постоянной динамике, а пиксели обновляются с определенной частотой. Количество таких обновлений в секунду называется частотой развертки и измеряется в Герцах. Классические IPS и VA матрицы, которые в последнее десятилетие повсеместно использовали при производстве мониторов, телевизоров и смартфонов, обладали фиксированной частотой обновления в 60 Гц. Но за последние пару лет лед тронулся: в продажу посыпались смартфоны с 90-герцовым экраном, для игровых мониторов нормой стала развертка в 144 Гц, а современные телевизоры ускорились до 120 Гц, чтобы соответствовать требованиям игровых консолей нового поколения.

И если у дисплея эта частота постоянная, то мир видеокарты устроен чуточку сложнее. Представьте, как Ведьмак Геральт из игры заходит в темную пещеру. На стенах висит пара факелов, воняет чем-то скисшим и ничего не видно. Видеокарта отдыхает, ей толком нечего отрисовывать. Счетчик кадров поднимается чуть ли не вдвое. Через пять минут Ведьмак выполняет заказ на убийство вампира и находит выход из пещеры. В глаза бьет солнце, а видеокарте приходится тут же отрисовывать всю прелесть ландшафтов Туссента. И что мы видим? Счетчик FPS тут же проседает. И так происходит постоянно, ведь в отличие от монитора, у видеокарты переменная частота кадров. Вот и выходит, что за один цикл обновления монитора видеокарта может подготовить хоть полкадра, хоть полтора. Из-за этого страдает плавность картинки и появляются артефакты в виде вертикальных разрывов изображения и лесенок.

Vsync ― одноногий отец

Первой внятной попыткой побороть рассинхрон между монитором и видеокартой стала знакомая каждому геймеру штука под названием «вертикальная синхронизация». Эта очень грубая техническая опция, которая физически занижала FPS видеокарты, чтоб соответствовать частоте обновления 60. Проще говоря, если ваш монитор выдает только 60 Гц, а видеокарта в данной игре способна выдать до 100 FPS, козлом отпущения будет именно она и именно ее уравняют до исходных 60 FPS. И это обидно, но жить можно. Настоящие проблемы начинаются тогда, когда видеокарте наоборот не хватает мощности. Vsync работает только с кратными значениями, поэтому опустит планку с 60 FPS до 30. В общем, лучше уж лесенки, чем такое.

Другая проблема связана с высоким инпут-лагом из-за которого игровой процесс ощущается так, словно герои игры увязли в киселе, а удары и стрельба происходят с крохотной, но очень раздражающей задержкой. А все потому, что при процессе передачи сигнала от мышки к дисплею участвует еще и центральный процессор, которого такие вещи вообще не должны касаться. В итоге процессор не берется за подготовку нового кадра, пока не закончит с предыдущим. А на синхронизацию видеокарты и дисплея мы тратим лишние полсекунды, для быстрых игр вроде шутеров и гонок это подобно смерти.

В общем, это уже не один слон в комнате, а целая семья слонов с которыми нужно что-то делать. И вот производители видеокарт и мониторов отправились искать новое решение.

G-Sync: красиво, но дорого

Первой успешной попыткой решить проблемы вертикальной синхронизации стал программно-аппаратный комплекс G-Sync, созданный главным на сегодняшний день производителем видеокарт, компанией NVIDIA. В отличие от устаревшей VSync, G-Sync пошла другим путем и научила монитор менять свою частоту под видеокарту, а не наоборот. Учитывая, что технология умеет работать с частотами от 30 до 360 Гц, этот факт развязывает руки при подборе оптимального фреймрейта. Ну а если фреймрейт падает ниже 60 Гц, то G-Sync попросту дублирует пропущенные кадры. В динамике это совершенно незаметно.

И тут самое время задаться вопросом, почему мы вообще обсуждаем эту вопрос, если NVIDIA решила его еще в 2013 году? Ну как сказать. Во-первых, эта технология закрытая, соответственно долгое время она работала лишь с видеокартами от NVIDIA. Во-вторых, для корректной работы G-Sync монитор должен быть оснащен соответствующим модулем для вертикальной синхронизации. Естественно, эти модули стоят денег, а купить их можно лишь у самой NVIDIA. Как итог ― наценка в $200 за монитор и статус нишевого продукта для состоятельных поклонников продукции NVIDIA.

Мониторы с поддержкой NVIDIA G-Sync

Версии G-Sync

До 2019 года Nvidia шла своим путем и ограничивала собственные графические карты в поддержке G-Sync. Дело в том, что к этому времени на рынке появилась популярная бесплатная альтернатива в лице технологий Adaptive-Sync от VESA и FreeSync от AMD. В 2019 году NVIDIA пошла навстречу поклонникам и запустила программу G-Sync Compatible. Фактически они вшили в драйвера своих видеокарт и чипов G-Sync поддержку VESA Adaptive Sync (речь о ней пойдет ниже). Благодаря этому обладатели мониторов с G-Sync и видеокарт Radeon наконец-то смогли задействовать нормальную синхронизацию кадров. Правда в NVIDIA сразу предупредили, что мониторы «G-Sync Compatible» не проходят дополнительные тесты оценки качества и совместимости, поэтому общее качество картинки у них может быть несколько ниже, а сама NVIDIA не дает никаких гарантий, что монитор с G-Sync будет работать идеально работать с видеокартами Radeon.

Вслед за G-Sync Compatible представители NVIDIA в том же году сообщили еще о нескольких важных нововведениях. Так синхронизацию от NVIDIA теперь поддерживают ноутбуки с мобильными видеокартами. А сам стандарт научился работать с HDR-контентом и расширил цветовой охват треугольника DCI P3. Чтобы не запутывать людей, новый протокол назвали G-Sync Ultimate.

Мониторы с поддержкой NVIDIA G-Sync Ultimate

VESA Adaptive Sync и внедрение нормальной вертикальной синхронизации

В 2014, Ассоциация стандартизации Video Electronics Standards Association или VESA представила открытую технологию Adaptive Sync, которая умеет, в принципе, всё то же самое, что и G-Sync (но без дорогостоящих чипов и работает на частотах от 9 до 240 Гц). Но для внедрения технологии нужно, чтобы её поддержку внедрили в драйвер монитора, драйвер видеокарты, операционной системы и в игры! А также необходимо наличие DisplayPort версии не ниже 1.2a, так как технология стала частью именно Display Port. Понимая, что для внедрения нового стандарта нужны усилия множества людей по всему миру в VESA поделились своими наработками с партнерами. Наибольшего успеха среди них добились производители видеокарт ― компании NVIDIA и AMD.

FreeSync: народная синхронизация

Спустя полтора года с момента выхода G-Sync последовал ответ от AMD в лице FreeSync. Как и G-Sync детище AMD не привязано к устаревшим стандартам герцовки и работают более точечно. Если упростить, то FreeSync автоматически определяет частоту развертки монитора и компенсирует количество недостающих кадров, генерируя дополнительные кадры. И если в кино и сериалах такая дорисовка создает неприятный эффект «мыльной оперы», в играх искусственно вставленные кадры не заметны глазу и не создают дискомфорта.

В отличие от G-Sync, для которой требовалась видеокарта NVIDIA и монитор с физическим модулем G-Sync, FreeSync работает исключительно на программном уровне и распространяется бесплатно. Дело в том, что все мониторы имеют в своем составе специальную схему под названием «скейлер», которая управляет соединением между графическим процессором и ЖК-панелью. Эта схема является обязательным элементом монитора, который обеспечивает передачу аудио и видеосигнала. NVIDIA решила разработать и продавать производителям мониторов собственный «скейлер», AMD пошла другим путем и договорилась с ведущими производителями скейлеров вроде MStar и Realtek о том, чтобы поддержку FreeSync добавили в уже существующие и новые модули на программном уровне. Получилось настолько просто и дешево, что эта фича стала отраслевым стандартом и сейчас сложнее найти игровой монитор без FreeSync, чем с ней.

Мониторы с поддержкой AMD FreeSync

FreeSync: особенности и версии

Изначально AMD использовала наработки стандарта синхронизации VESA Adaptive Sync, но останавливаться на этом они не стали. Спустя год после выхода FreeSync научился работать с HDMI (прим: раньше все работало только по DP), а в 2017 году на рынок вышла вторая версия FreeSync 2 с поддержкой HDR-контента и системой компенсации низкой частоты кадров, как в G-SYNC. Чуть позже в AMD решили, что цифры в названии запутывают и разделили FreeSync 2 на два типа ― FreeSync Premium и FreeSync Premium Pro.

В итоге получилось три разных версии FreeSync. Базовая была заточена под старые мониторы с частотой обновления 60 Гц. В отличие от него Premium-версии FreeSync поддерживают герцовку до 120 Гц при Full HD разрешении. Разница в том, что FreeSync Premium Pro до кучи поддерживает и HDR-контент с расширенной цветовой гаммой. Если вы хотите играть с HDR, FreeSync Premium Pro — это несомненно лучший выбор.

Мониторы с поддержкой AMD FreeSync Premium

HDMI VRR

Глядя на успехи AMD и G-Sync производители телевизоров и игровых консолей решили, что такое добро пригодится и им. В результате в спецификациях HDMI 2.1 появилась штука под названием VRR (пер: переменная частота обновления), которая по схожему с FreeSync и G-Sync принципу, позволяя игровому источнику — игровой приставке или компьютеру, самостоятельно доставлять видеокадры с максимально возможной скоростью. VRR ожидает пока следующий кадр будет готов для его передачи, демонстрируя пользователю текущий кадр, что обеспечивает более плавную картинку в игре, без раздражающих рывков и дрожаний.

В основе VRR лежит упоминавшейся выше же технология VESA Adaptive Sync, которая стала ещё и частью стандарта HDMI 2.1. Именно таким образом адаптивная синхронизация реализована в консолях нового поколения. А также, вы удивитесь, в Xbox One S и One X. Да, в коробки текущего поколения от Microsoft VRR завезли даже раньше, чем HDMI 2.1.

Мониторы с поддержкой AMD FreeSync 2 HDR

Так что же все-таки круче?

И FreeSync, и G-Sync, и VRR умеют подгонять частоту обновления монитора под FPS видеокарты/консоли, а не наоборот. А если фреймрейт падает ниже минимальных 60 Гц, то обе системы дорисовывают пропущенные кадры, дублируя уже имеющиеся. Как показали тесты FreeSync и родственная ей VRR вообще не влияют на частоту кадров, в то время как G-Sync обеспечивает малозаметную потерю FPS в районе 1.2%. Впрочем, эта разница совершенно незаметна глазу и записывать ее в преимущества FreeSync не совсем правильно.

А если обе технологии мало в чем отличаются, то зачем платить больше? Хочешь не хочешь, а аппаратный модуль G-Sync стоит денег, поэтому ставят его исключительно в игровые мониторы уровнем выше среднего. Базовый FreeSync же имеется в каждом «утюге и чайнике», тогда как FreeSync Premium чаще встречается в мониторах среднего уровня. Ну а AMD FreeSync Premium Pro пока что используют в игровых мониторах высшего порядка. Что касается VRR, для ее реализации понадобится телевизор и источник сигнала с поддержкой HDMI 2.1.