Введение

Частота, с которой аппаратное обеспечение дисплея отображает новое изображение. Частота обновления, также известная как частота вертикального обновления или частота вертикального сканирования, в связи с терминологией, возникшей при использовании электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), – это количество раз в секунду, когда растровое устройство отображения формирует новое изображение. Она отличается от частоты кадров, которая описывает, сколько изображений сохраняется или генерируется в секунду устройством, управляющим дисплеем. На ЭЛТ-дисплеях более высокая частота обновления уменьшает мерцание, снижая тем самым нагрузку на глаза. В других технологиях, таких как жидкокристаллические дисплеи, частота обновления влияет только на то, как часто изображение может быть потенциально обновлено. Нерастровые дисплеи могут не иметь характерной частоты обновления. Например, векторные дисплеи не сканируют весь экран, а только фактические линии, составляющие отображаемое изображение, поэтому скорость обновления может варьироваться в зависимости от размера и сложности данных изображения. В компьютерных программах или телеметрии этот термин иногда используется для обозначения частоты обновления данных новым внешним значением из другого источника (например, общего доступа к электронной таблице или потока данных с оборудования).

Физические факторы

Хотя все растровые дисплеи характеризуются определенной частотой обновления, физическая реализация различается в зависимости от используемой технологии.

Катодовые трубки

Растровые ЭЛТ по своей природе нуждаются в постоянном обновлении экрана, так как их люминофор со временем гаснет, и изображение быстро исчезнет без регулярного обновления. В ЭЛТ частота вертикального сканирования – это количество раз в секунду, когда электронный луч возвращается в верхний левый угол экрана для начала отрисовки нового кадра. Она контролируется сигналом вертикального гашения, генерируемым видеоконтроллером, и частично ограничена максимальной частотой горизонтального сканирования монитора. Частоту обновления можно вычислить на основе частоты горизонтального сканирования, разделив частоту сканирования на количество горизонтальных линий, плюс некоторое время, необходимое для возврата луча в верхнюю часть экрана. Обычно используется множитель 1,05. Например, монитор с частотой горизонтального сканирования 96 кГц и разрешением 1280 × 1024 обеспечивает частоту обновления 96 000 ÷ (1024 × 1,05) ≈ 89 Гц (округлено в меньшую сторону). Частота обновления ЭЛТ исторически была важным фактором в программировании видеоигр. В ранних игровых системах вычислительное время было доступно только во время интервала вертикального гашения, когда луч возвращался в верхний правый угол экрана и изображение не отрисовывалось. Однако даже в современных играх важно избегать изменения видеобуфера компьютера, кроме периода обратного хода луча, чтобы предотвратить мерцание графики или разрывы изображения.

Дисплеи с жидкими кристаллами

В отличие от ЭЛТ-мониторов, где изображение исчезает без обновления, пиксели жидкокристаллических дисплеев сохраняют свое состояние до тех пор, пока подается питание, и, следовательно, не имеют внутреннего мерцания независимо от частоты обновления. Однако частота обновления по-прежнему определяет максимальную частоту кадров, которую можно отобразить, и, несмотря на отсутствие фактического затемнения экрана, интервал вертикального возврата остается периодом в каждом цикле обновления, когда экран не обновляется, в течение которого данные изображения в буфере кадров хост-системы могут быть обновлены. Параметры Vsync могут устранить разрывы изображения, синхронизируя отрисовку всего кадра.

Компьютерные дисплеи

На более мелких ЭЛТ-мониторах (до примерно ), мало кто замечает какого-либо дискомфорта при частоте обновления 60–72 Гц. На больших ЭЛТ-мониторах ( или больше) большинство людей испытывают лёгкий дискомфорт, если частота обновления не установлена на 72 Гц или выше. Частота 100 Гц комфортна практически для любого размера. Однако это не относится к ЖК-мониторам. Ближайшим эквивалентом частоты обновления на ЖК-мониторе является частота кадров, которая часто ограничена 60 кадрами в секунду. Но это редко вызывает проблемы, поскольку единственная часть ЖК-монитора, способная создавать мерцание, подобное ЭЛТ, – его подсветка – обычно работает на частоте не ниже 200 Гц. Разные операционные системы устанавливают частоту обновления по умолчанию по-разному. Microsoft Windows 95 и Windows 98 (Первое и Второе издания) устанавливают частоту обновления на максимально возможную, по их мнению, поддерживаемую дисплеем. Операционные системы на базе Windows NT, такие как Windows 2000 и её последователи Windows XP, Windows Vista и Windows 7, устанавливают частоту обновления по умолчанию на умеренное значение, обычно 60 Гц. Некоторые полноэкранные приложения, включая многие игры, теперь позволяют пользователю изменить частоту обновления перед переходом в полноэкранный режим, но большинство используют по умолчанию умеренное разрешение и частоту обновления, предоставляя возможность увеличить эти параметры в настройках. Старые мониторы могли быть повреждены, если пользователь устанавливал на видеокарте частоту обновления выше максимально поддерживаемой монитором. Некоторые модели мониторов выводят сообщение о том, что видеосигнал использует неподдерживаемую частоту обновления.

Динамическая частота обновления

Некоторые ЖК-дисплеи поддерживают адаптацию частоты обновления к текущей частоте кадров, выдаваемой графической картой. Две технологии, обеспечивающие эту возможность, – FreeSync и G-Sync.

Стереодисплеи

Когда используются LCD-очки для стереоскопических 3D-дисплеев, эффективная частота обновления уменьшается вдвое, так как для каждого глаза требуется отдельное изображение. По этой причине обычно рекомендуется использовать дисплей с частотой не менее 120 Гц, поскольку при делении этого значения на два получается снова 60 Гц. Более высокие частоты обновления обеспечивают большую стабильность изображения: например, 72 Гц (без стерео) соответствует 144 Гц (стерео), а 90 Гц (без стерео) – 180 Гц (стерео). Большинство видеокарт и мониторов начального уровня не способны поддерживать такие высокие частоты обновления, особенно при более высоких разрешениях. В ЖК-мониторах изменение яркости пикселей происходит значительно медленнее, чем в ЭЛТ- или плазменных дисплеях. Обычно скорость изменения яркости пикселя ЖК-дисплея выше при подаче напряжения, чем при его снятии, что приводит к асимметричному времени отклика пикселя. При использовании 3D-очков это может вызывать размытость изображения и ухудшение восприятия глубины, поскольку предыдущий кадр не успевает полностью погаснуть до отрисовки следующего.

Телевизоры

Развитие телевизоров в 1930-х годах было обусловлено рядом технических ограничений. Частота сети переменного тока использовалась для вертикальной частоты обновления по двум причинам. Первая заключалась в том, что вакуумная лампа телевизора была восприимчива к помехам от блока питания, включая остаточную пульсацию. Это могло вызывать появление дрейфующих горизонтальных полос (гул). Использование той же частоты уменьшало это влияние и делало помехи статичными на экране, а значит, менее заметными. Вторая причина заключалась в том, что на телевизионных студиях использовались лампы переменного тока, и съемка на другой частоте приводила бы к стробоскопическому эффекту. Таким образом, у производителей не было выбора, кроме как использовать оборудование с частотой 60 Гц в Америке и 50 Гц в Европе. Эти частоты стали основой для современных телевизоров: 60 Гц Система M (почти всегда используется с цветовой кодировкой NTSC) и 50 Гц Система B/G (почти всегда используется с цветовой кодировкой PAL или SECAM). Это случайное совпадение обеспечило европейским телевизорам более высокое разрешение в обмен на более низкую частоту кадров. Сравните Систему M (704 × 480 при 30i) и Систему B/G (704 × 576 при 25i). Однако более низкая частота обновления 50 Гц приводит к большему мерцанию, поэтому телевизоры, использующие цифровую технологию для удвоения частоты обновления до 100 Гц, сейчас очень популярны. (см. Системы телевещания)

Другое различие между стандартами 50 Гц и 60 Гц заключается в способе передачи или представления кинофильмов (кинопленки в отличие от видеокамер). 35-мм пленка обычно снимается со скоростью 24 кадра в секунду (fps). Для PAL 50 Гц это позволяет легко переносить кинопленку, ускоряя ее на 4%. Полученное изображение, таким образом, плавное, однако, происходит небольшое изменение высоты тона звука. Телевизоры NTSC отображают как 24 fps, так и 25 fps материал без изменения скорости, используя технику под названием 3:2 pulldown, но за счет появления неравномерного воспроизведения в виде телекино-рывка. Аналогично некоторым компьютерным мониторам и DVD-дискам, аналоговые телевизионные системы используют развертку строк (interlace), которая уменьшает видимое мерцание, сначала отображая нечетные строки, а затем четные (они называются полями). Это удваивает частоту обновления по сравнению с прогрессивным сканированием при той же частоте кадров. Это идеально подходит для видеокамер, где каждое поле является результатом отдельной экспозиции. Эффективная частота кадров удваивается, теперь получается 50 вместо 25 экспозиций в секунду. Динамика ЭЛТ идеально подходит для этого подхода: быстрые сцены выигрывают от частоты обновления 50 Гц, предыдущее поле успевает практически исчезнуть к моменту записи нового, а статические изображения выигрывают от улучшенного разрешения, поскольку оба поля интегрируются глазом. Современные телевизоры на ЭЛТ могут быть сделаны без мерцания с помощью технологии 100 Гц. Многие высококлассные ЖК-телевизоры теперь имеют частоту обновления 120 или 240 Гц (в текущих и бывших странах NTSC) или 100 или 200 Гц (в странах PAL/SECAM). Частота 120 Гц была выбрана как наименьшее общее кратное 24 fps (кино) и 30 fps (NTSC TV), что позволяет уменьшить искажения при просмотре фильмов за счет устранения телекино-преобразования (3:2 pulldown). Для PAL при 25 fps используется 100 или 200 Гц как дробный компромисс наименьшего общего кратного 600 (24 × 25). Эти более высокие частоты обновления наиболее эффективны при выводе видео 24p (например, с Blu-ray Disc) и/или при отображении сцен с быстрым движением.

Показывание видео на телевизоре

Поскольку фильмы обычно снимаются с частотой 24 кадра в секунду, а телевизоры работают с разной частотой, требуется определенное преобразование. Существуют различные методы, позволяющие обеспечить зрителю оптимальное восприятие. Комбинация производства контента, устройства воспроизведения и обработки изображением на дисплее также может приводить к появлению ненужных артефактов. Дисплейное устройство с фиксированной частотой 60 кадров в секунду не может отображать фильм с частотой 24 кадра в секунду плавно и без рывков. Обычно используется преобразование 3:2, которое приводит к небольшому неравномерному движению. В то время как обычные мультисинхронные ЭЛТ-мониторы с начала 1990-х годов могли работать на кратных частотах 24 Гц, современные ЖК-дисплеи с частотой "120 Гц" создаются для обеспечения более плавного и естественного движения, в зависимости от исходного материала и последующей обработки сигнала. В случае видеоматериала улучшение плавности за счет увеличения частоты обновления может быть едва заметным. Однако для отснятого на пленку материала, поскольку 120 является кратным 24, можно отобразить последовательность 24 кадра в секунду без рывков на хорошо спроектированном 120-герцевом дисплее (то есть, с использованием так называемого 5:5 pulldown). Если частота 120 Гц получается путем удвоения кадров 60-кадрового сигнала с преобразованием 3:2, неравномерное движение все равно может быть заметно (то есть, так называемое 6:4 pulldown). Кроме того, материал может отображаться с искусственно созданной плавностью благодаря функциям интерполяции движения, реализованным в дисплее, что оказывает еще большее влияние на отснятый на пленку материал. Телевизоры с частотой "50 Гц" (при воспроизведении контента с частотой "50 Гц") обычно показывают фильм немного быстрее, чем обычно, избегая проблем с неравномерным преобразованием.