Динамическое обновление частоты экрана [перевод]

Главной особенностью новых 10.5-дюймовых и 12.9-дюймовых планшетов iPad Pro стало динамическое обновление частоты экрана от 24 Гц до 120 Гц.

Что это за технология, зачем она нужна и как реализована в разных устройствах — рассказывает Даниэль Матте.


Примечание редакции

Прежде, чем переходить к статье Даниэля, стоит понять разницу между частотой обновления экрана и количеством смены кадров в секунду.

Допустим, вы работаете с устройством, которое отрисовывает интерфейс с частотой 60 кадров в секунду, и частота обновления его экрана равна 60 Гц. Это значит, что устройство опрашивает видеоускоритель каждую 1/60 секунды. Итого 60 раз в секунду. Это частота смены кадров (frames per second; fps).

Но у экрана тоже есть частота обновления. В зависимости от этого показателя, экран обновляет (или повторяет) каждый кадр N раз в секунду. Получается, если у нас есть 120 Гц экран, который отображает контент с частотой 30 к/с, то он отображает каждый кадр 4 раза в 1/30 секунды. Если это 120-герцовый экран, который отображает контент с частотой 60 к/с, то он обновляет каждый кадр с частотой 2 раза в 1/60 секунды.

Если экран не адаптируется к скорости обновления кадров, то возникают графические артефакты. Их называют 3:2 pulldown. Поэтому динамическая адаптация экрана под тип отображаемого контента в новых iPad Pro критически важна — иначе бы изображение «разрывалось» на части. Геймеры наверняка встречали этот эффект; это горизонтальная или вертикальная полоса (полосы), которая «режет» изображение на несколько рассинхронизированных частей.

Чтобы избежать такого эффекта, разрабочики игр внедрили вертикальную синхронизацию, но у неё есть недостаток: она фиксирует частоту смены кадров на 60 в секунду. Это недостаточное количество для нашего глаза. Поэтому производители мониторов, экранов и видеокарт разработали технологии типа Nvidia G-Sync, Radeon FreeSync, VESA Adaptive-Sync и Apple ProMotion.


Это адаптированный перевод статьи из личного блога Даниэля Матте TechSpecs.blog. Много технической информации, мало картинок.

Курсивом выделены пометки редакции.


Что такое динамическое обновление экрана

Одно из самых важных нововведений в дисплеях за последние несколько лет — адаптивное обновление изображения. Первой была компания Nvidia, которая разработала в 2013 году технологию G-Sync для компьютерных мониторов. Игровые мониторы, которые существовали на рынке, уже имели высокую частоту обновления экрана — однако Nvidia удалось существенно улучшить плавность отрисовки изображения. Исчезли застывания и пропали «разрывы» изображения, которые появляются при падении частоты кадров. Также это уменьшило запаздывание видеосигнала.

Посмотрите видеоролик, в котором видна разница при использовании данной технологии.

Вскоре на G-Sync отреагировала AMD и представила свою альтернативу — FreeSync. Затем отраслевая организация VESA добавила в спецификации стандарта DisplayPort 1.2a аналогичную технологию Adaptive-Sync. Изначально она была разработана в 2009 году для дисплеев с внутренней передачей видеосигнала — её используют мобильные устройства с интегрированными дисплеями в спецификациях стандарта eDP (Embedded DisplayPort).

Qualcomm тоже разработала свой вариант переменного обновления Q-Sync для контроллера дисплея в чипсете Snapdragon 835. Информации о новинке мало — похоже, компания запатентовала технологию, ведь для её внедрения требуется поддержка со стороны драйверов устройств и производителей «железа».

С выпуском экранов с переменным обновлением, (они могут самостоятельно обновлять и перерисовывать кадр по частям) появилась надежда на реализацию Adaptive-Sync для мобильных устройств.

Однако для внедрения технологии не было никаких причин, ведь отрисовка интерфейса мобильных ОС рассчитана на 60 кадров в секунду. Причина простая: преодоление планки в 60 Гц значительно увеличивает энергопотребление экрана, так как ускорение смены частоты кадров требует больше вычислительной мощи. Вдобавок, существует технологическая разница между IGZO-дисплеями (сделаны на основе оксида индия, галлия и цинка) и LTPS-матрицами (низкотемпературная поликремниевая технология) — первые в основном используются для крупных устройств, а вторые доминируют на рынке смартфонов и планшетов. Однако у транзисторов IGZO-дисплеев есть существенное преимущество: они быстрее переключаются. Поэтому такие экраны легче достигают высокой частоты обновления, нежели LTPS-матрицы.

Несмотря на то, что большая частота кадров потребляет больше энергии, переменное обновление экрана значительно снижает повышение расхода энергии. Apple заявляет, что MacBook Pro 2016 года поддерживают переменную частоту обновления экрана. Это не та же технология, которая используется в мониторах для ПК: устройства компании понижают частоту смены кадров до 30 в секунду, когда экран показывает неподвижное изображение, что значительно продлевает время работы.

Разница между ускорением смены кадров и адаптивной частотой обновления экрана

Последние несколько лет производители повышали яркость и расширяли цветовой охват мобильных дисплеев. Что делать дальше? Повышать частоту обновления экрана.

Частота обновления экрана в 90 Гц или 120 Гц требует повышения производительности всей системы. Android и iOS изначально «заточены» под 60 кадров в секунду — но ни одна из ОС не работает постоянно на этом уровне. Исключение составляют разве что приложения, которые требуют от устройства максимальной производительности.

Раньше все системные приложения iOS действительно работали с частотой 60 кадров в секунду, однако в iOS 7 появилось всеобъемлющее быстрое размытие по Гауссу, усложнилась структура интерфейса и возникли прочие факторы, которые привели к стабильному ухудшению производительности интерфейса. iPhone 5 был последним мобильным устройством, интерфейс которого действительно работал при постоянных 60 кадрах в секунду.

В случае, если Apple поставит цель выпустить устройство, которое будет работать при 120 кадрах в секунду, то практически нет шансов, что сторонние приложения смогут отрисовывать изображение со скоростью 8.3 миллисекунды (1/120 секунды). Поэтому компания пошла другим путем — через реализацию адаптивной частоты обновления экрана. Для достижения этой цели данную технологию и большую частоту обновления должен поддерживать контроллер экрана (будучи частью чипсета), драйвер дисплея и непосредственно сам экран.

Использование Adaptive-Sync для избежания падения частоты смены кадров — не настолько же хорошее решение, чем изначальное достижение высокой частоты смены кадров. К примеру, вывод картинки с частотой 55 кадров в секунду по-прежнему уступает 90 кадрам в секунду. Просто потому что пользователь видит меньшее количество кадров ежесекундно. Однако, Adaptive-Sync предоставляет те же преимущества, которые получили пользователи ПК — исчезают подтормаживания и уменьшается задержка вывода информации (а «разрыва» изображения в мобильных устройства нет).

Думаю, в теории Google может отказаться от тройной буферизации в Android, если технология Adaptive-Sync станет повсеместной на рынке мобильных устройств. Это снизит частоту кадров, но будет настоящей победой. Впрочем, сейчас нет оснований утверждать, что это когда-либо произойдет.

Подытоживая, есть надежда на появление планшетов и других устройств с поддержкой Adaptive-Sync. Это выдающаяся технология, которая сильно повлияет на отзывчивость ввода информации и на качество изображения в движении.

1
Автор: Даниэль Матте, TechSpecs.org
Перевод: Дмитрий Крайник