نگاهی به مفاهیم نرخ فریم، نرخ نوسازی تصویر و ارتباط میان آن‌ها

نرخ فریم (Frame Rate) در یک بازی یا یک فیلم چیست و چه ارتباطی با نرخ نوسازی تصویر (Refresh Rate) در یک مانیتور دارد؟ برای هماهنگ کردن نرخ فریم و نرخ نوسازی مانیتور چه باید کرد؟ کدام مانیتور با یک پردازنده‌ی گرافیکی خاص هماهنگی بیشتری دارد؟ این سوالاتی است که می‌خواهیم در این مقاله به آن پاسخ دهیم.

برای مقایسه‌ی سیستم‌های مختلف گیمینگ، نرخ فریم خروجی سیستم در حین اجرای یک بازی در رزولوشن و سطح تنظیمات یکسان، کاربردی‌ترین روش است. نرخ فریم با واحد fps یا فریم بر ثانیه سنجیده می‌شود. بیشتر افراد می‌دانند که نرخ فریم بالاتر به معنی عملکرد بهتر است؛ اما در این مقاله قصد داریم نگاهی عمیق‌تر به مفاهیم نرخ فریم و نرخ نوسازی (تازه‌سازی/Refresh Rate) تصویر در مانیتور داشته باشیم.

اولین سوالی که پیش می‌آید این است که فریم چیست و چه چیزی نرخ فریم را تعیین ‌می‌کند. یک فریم به معنی یک تصویر واحد ثابت است که با تصاویر واحد ثابت دیگر به صورت یک اسلایدشو سریع ترکیب می‌شود. این تصاویر اندک اختلافی با یکدیگر دارند و تنها موقعی که یکی پس از دیگری با آهنگ معینی به نمایش در‌می‌آیند، یک حرکت طبیعی را شبیه‌سازی می‌کنند. پس نرخ فریم به این معناست که چه تعداد از این تصاویر یا فریم‌ها در یک ثانیه قابل نمایش است.

برای تولید یا رندر هر فریم جدید در بازی‌ها پردازنده و پردازنده‌ی گرافیکی کامپیوتر با یکدیگر همکاری می‌کنند تا تحرکات هوش مصنوعی بازی، فیزیک، موقعیت‌ها، جلوه‌ها و بافت اشیای هر صحنه‌ی بازی را محاسبه و اجرا کرده، صحنه‌ی جدیدی خلق کنند. پس از این مرحله GPU یک خروجی پیکسل‌بندی شده را با رزولوشن مشخص و از قبل تعیین شده تهیه کرده و به خروجی نمایشگر ارسال می‌کند.

هرچه CPU و GPU سیستم قوی‌تر باشد، در نهایت نرخ فریم بهتری ایجاد می‌شود؛ یعنی تعداد تصاویر تهیه شده و ارسالی به خروجی مانیتور در هر ثانیه بیشتر است و هر چه بر تعداد این فریم‌ها افزوده شود، روانی بازی و دقتِ حرکات بیشتر است.

در همین رابطه بخوانید:
Frame Time چیست و چگونه بنچمارک بازی‌ها را درست‌تر تحلیل کنیم؟

نرخ نوسازی تصویر در مقابل یکی از مشخصه‌های مانیتور شماست. این نرخ با واحد هرتز که عبارت است از تعداد دفعات در هر ثانیه، اندازه‌گیری می‌شود. در واقع نرخ نوسازی تعداد دفعات بازسازی تصویر در هر ثانیه است که مانیتور شما قادر به اجرای آن است. نرخ نوسازی ۸۵Hz به این معناست که صفحه نمایش شما می‌تواند در هر ثانیه ۸۵ تصویر مجزا را پشت سر هم به نمایش در آورد. هر چه نرخ نوسازی تصویر یک مانیتور بیشتر باشد، اشکالاتی مانند تار شدن صحنه (Blurring) در خلال حرکات سریع کمتر پیش می‌آید.

تار شدن صحنه در اصل تابعی از پیچیدگی‌های مغزی انسان است. مغز فریم‌هایی را که یکی پس از دیگری بر قاب مانیتور ظاهر می‌شود، با هم ترکیب می‌کند تا یک تصویر متحرک منطقی برایش ایجاد شود. ممکن است به خاطر کافی نبودن اطلاعات ورودی به مانتیور مغز ما در فرایند ترکیب این فریم‌ها دچار کندی شود و برخی جزییات در خلال این فرایند ترکیب و تشخیص مغزی از دست برود.

یک مانیتور ۱۲۰HZ مسلماً بسیار بهتر از یک مانیتور ۶۰Hz در کنترل تار شدن صحنه‌ها عمل خواهد کرد، چرا که اطلاعات ورودی بسیار بیشتری به ما مغز ما ارائه می‌دهد. البته باز هم این به کارکرد مغزی ما بستگی دارد. مغز بعضی‌ از افراد قادر به تشخیص تفاوت محتوا با نرخ تازه‌سازی ۱۲۰Hz و ۶۰Hz است، ولی ممکن است این تشخیص برای افراد دیگر ممکن نباشد.

این که چه مانیتوری باید انتخاب کرد بستگی به نوع کاربری شما دارد. برای گیمرها و افرادی که به صورت جدی بازی می‌کنند هرچه تحرکات سریع در خلال بازی با مات‌شوندگی و کندی کمتری همراه باشد، تجربه‌ی بهتری از بازی خواهند داشت. تغییر زاویه دوربین در یک مانیتور ۱۲۰Hz نرم‌تر و روان‌تر از یک مانیتور ۶۰Hz انجام می‌شود. در مانیتورهایی با نرخ نوسازی بیشتر، اسکرول کردن سریع صفحات وب نیز با نرمی و ایجاد هاله‌ی کمتری همراه خواهد بود. اما برای سایر کاربردها مثل دیدن ویدیوهای آنلاین و پاسخ دادن به ایمیل‌ها، تفاوت بین یک مانیتور ۱۲۰Hz و یک مانیتور 60Hz چندان محسوس نخواهد بود.

سوال بعدی که پیش می‌آید این خواهد بود که آیا نرخ فریم پردازنده‌ی گرافیکی با نرخ نوسازی مانیتور محدود می‌شود؟ این دو پارامتر کاملاً متمایز و مستقل از هم عمل می‌کنند. نرخ فریم عبارت است از خروجی کارت گرافیک و نرخ نوسازی تعداد دفعات بازسازی تصویر بر روی مانیتور است. این‌ دو مستقیماً ارتباطی با هم ندارند و لذا نرخ نوسازی بر نرخ فریم اثر نمی‌گذارد. با وجود این، اگر نرخ فریم خروجی کارت گرافیک شما بالاتر از نرخ نوسازی تصویر در مانیتورتان باشد، صفحه‌نمایش امکان پخش به موقع تمام فریم‌های تولید شده را نخواهد داشت و این پایین‌تر بودن نرخ نوسازی تاثیر خود را بر گیمینگ نشان خواهد داد.

کارت گرافیک شما ممکن است ۹۰ فریم در ثانیه تولید کند، اما از این میان تنها امکان نمایش ۶۰ فریم بر قاب صفحه‌نمایشی با نرخ تازه‌سازی ۶۰Hz وجود دارد. حتی اگر کامپیوتر گیمینگ شما قادر به تولید ۹۰ فریم در هر ثانیه در یک عنوان گیم باشد و مانیتور نیز از نرخ تازه‌سازی ۹۰Hz یا ۱۲۰Hz یا بیشتر پشتیبانی کند، باز هم ممکن است محدودیت‌های دیگری مثل پهنای باندِ ناکافی درگاه‌های کارت گرافیک و صفحه‌نمایش، بر سر راه پخش هر ۹۰ فریم در خروجی مانیتور شما قرار گیرد.

برای مثال برخی از مانیتورهای گیمینگ ممکن است از نرخ نوسازی تصویر ۱۲۰Hz پشتیبانی کنند؛ اما مجهز به درگاه‌هایی مثل HDMI 1.4 یا DisplayPort 1.4 باشند. این یعنی اینکه اگر از درگاه HDMI استفاده می‌کنید، امکان انتقال و تبادل این حجم از داده در هر ثانیه وجود ندارد و به همان نرخ ۶۰Hz محدود می‌شوید و تنها در صورتی از مزایای نرخ تازه‌سازی ۱۲۰Hz بهره‌مند خواهید شد که از درگاه DisplayPort با پهنای باند بالاتر استفاده کنید. البته درگاه‌های HDMI در نسخه‌های جدیدتر مثل Hdmi 2.0 پهنای باند بالاتری را فراهم می‌کنند.

نرخ فریم عموماً در بنچمار‌‌‌ک‌ها به عنوان معیاری برای سنجش کارایی سخت‌افزار، درایورها، عناوین گیم و APIهایی مثل ولکان و دایرکت‌ایکس مورد استفاده قرار می‌گیرد. هرچه نرخ فریم بالاتر باشد، بازی روان‌تر و بهتری را تجربه خواهید کرد.

اگر نرخ فریم خروجی سیستم شما با نرخ نوسازی تصویر مانیتورتان همگام نباشد (مثلاً بیشتر یا کمتر از آن باشد)، ممکن است با اشکال «شکستگی یا بریدگی تصویر» مواجه شوید. در این حالت اطلاعات دو یا چند فریم به طور همزمان به نمایش در‌می‌آید. یعنی مانیتور شما در حالی‌که هنوز زمان کافی برای تکمیل فریم قبلی را پیدا نکرده، فریم بعدی را از خروجی کارت گرافیک تحویل می‌گیرد و در قسمتی از قاب تصویر شروع به پخش نصفه و نیمه‌ی آن می‌کند. بریدگی تصویر ضرری به مانیتور یا کارت گرافیک شما نمی‌زند، اما تجربه‌ی شما را از بازی تحت‌الشعاع قرار خواهد داد.

در برخی بازی‌ها و یا رابط نرم‌افزاری درایورهای کارت گرافیک از ویژگی به نام Vsync یا همگام‌سازی عمودی برای جبران اثر بریدگی تصویر استفاده می‌شود. Vsync پردازنده‌ی گرافیکی را وادار به به تولید خروجی فریمی متناسب و همگام با نرخ‌ نوسازی تصویر در مانیتور می‌کند. یعنی پردازنده‌ی گرافیکی مجبور می‌شود با زمانبندی متناسب با نرخ نوسازی، فریم‌های جدید را رندر کرده، نگه داشته و در زمان مناسبی که مانیتور آماده‌ی بازسازی یک تصویر جدید است، به خروجی مانیتور ارسال نماید.

به عبارت دیگر قدرت پردازنده‌ی گرافیکی شما با نرخ نوسازی تصویر مانیتور محدود می‌شود. برای مثال اگر نرخ نوسازی مانیتوری ۶۰Hz باشد، Vsync نرخ فریم خروجی کارت گرافیک را بر روی عدد ۶۰ تنظیم کرده و اجازه نمی‌دهد تعداد فریمی بیشتر از آن توسط پردازنده‌ی گرافیکی ساخته شود.

در این حالت اگر پردازنده‌ی گرافیکی شما آنقدر قوی است که می‌تواند نرخ‌ فریم بالاتری را نسبت به آنچه Vsync تنظیم کرده، تولید نماید، می‌توان از این میزان قدرت اضافی برای افزایش رزولوشن، بُعد ترسیم صحنه‌ها و یا سایر تنظیمات افزاینده‌ی جلوه‌های بصری یک بازی استفاده کرد. اما در نقطه‌ی مقابل اگر کارت شما تعداد فریمی کمتر از ظرفیت تازه‌سازی تصویر مانیتور تولید می‌کند، فعال کردن قابلیت Vsync کمک چندانی به بهبود تجربه‌ی تصویری در یک بازی نخواهد کرد.

در این‌گونه موارد بهتر است نرخ فریم GPU خود را از طریق تنظیمات داخلی بازی بر روی عدد مشخصی مثل ۳۰ قفل کنید تا خروجی فریم به خوبی با وضعیت مانیتور شما منطبق شود. مانیتورهای معمولی از نرخ نوسازی ۳۰، ۶۰ و ۱۲۰Hz برخوردارند. پس در چنین حالتی با اشکال بریدگی تصویر مواجه نخواهیم شد. اما ممکن است اشکال دیگری به نام استاترینگ پدید بیاید؛ هر فریم برای مدت چند سیکل نوسازی تصویر، بر روی صفحه‌نمایش باقی خواهد ماند. مثلاً در حالتی که نرخ تازه‌سازی مانیتور شما ۱۲۰Hz بوده و بازی بر روی ۳۰ فریم بر ثانیه قفل شده باشد، هر فریم به مدت چند سیکل تازه‌سازی بر روی مانیتور به نمایش در‌می‌آید و فریم جدیدی جایگزین نشده و این باعث کند شدن پخش محتوای گرافیکی خواهد شد.

در اینجا برخی از شرکت‌های سازنده‌ی کارت گرافیک با ارائه‌ی تکنیک‌ها و فناوری‌هایی اختصاصی سعی بر غلبه بر این مشکلات و همگام‌سازی نرخ فریم کارت گرافیک و نرخ تازه‌سازی تصویر مانیتور می‌کنند. انویدیا با استفاده از فناوری G-sync که یک فناوری غیر رایگان است و نیاز به تعبیه‌ی یک تراشه‌ی ساخت این شرکت در سخت‌افزار مانیتور دارد، راهکار اختصاصی خودش را در پیش گرفته است. این تراشه‌ی خاص در واقع پل ارتباطی میان مانیتور و کارت گرافیک است. این بار G-sync مانیتور را ملزم به ارائه‌ی نرخ تازه‌سازی تصویری همگام و هماهنگ با خروجی فریم پردازنده‌ی گرافیکی می‌کند. به عبارتی مانیتور در هر لحظه نرخ‌ نوسازی جدیدی را منطبق بر خروجی فریم کارت گرافیک اختیار می‌کند.

این یعنی فریم‌ها به محض تولید در کارت گرافیک، بر روی مانیتور به نمایش در می‌‌آیند و اشکالاتی مانند بریدگی یا استاترینگ به خاطر عدم انطباق نرخ فریم و نرخ تازه‌سازی دیگر پدیدار نمی‌‌شود. این بهترین حالت برای اجرای اکثر بازی‌هایی است که نرخ فریم متغیر دارند.

کمپانی AMD هم در مقابل بیکار ننشسته و فناوری نرم‌افزاری انحصاری خود را بدون نیاز به سخت افزار خاص برای غلبه بر این مشکل ارائه کرده است. این راه‌حلِ نسبتاً مشابه با راه‌حل انویدیا، Freesync خوانده می‌شود که خب، همانطور که از نامش پیداست یک فناوری رایگان است. Freesync به جای حساب باز کردن روی قابلیت‌های یک تراشه‌ی سخت‌افزاری مجزا، بر ویژگی Adaptive-sync درگاه Displayport که یک ویژگی با حق بهره‌برداری رایگان است، تکیه دارد.

تفاوت این دو فناوری در نحوه‌ی ارتباط میان نمایشگر و کارت گرافیک است. G-sync از تراشه‌ی سخت‌افزاری اختصاصی خود و Freesync از رابط نرم‌افزاری درایور AMD Radeon و Firmware برای ایجاد چنین ارتباطی استفاده می‌کند. AMD تصریح کرده است که امکان استفاده از Freesync بر روی درگاه HDMI نیز وجود دارد، اما عملی شدن آن نیاز به ارائه‌ی درایورهای سفارشی از سوی AMD و سازندگان مانیتور دارد. در حال حاضر G-sync فقط با درگاه Displayport سازگاری دارد، ولی شاید پشتیبانی از درگاه‌های HDMI در آینده به آن اضافه شود.

به طور کلی مانیتورهای Freesync ارزان‌تر از نمونه‌های G-sync هستند. با این وجود گیمرها عمدتاً ترجیح می‌دهند از مانیتورهای Freesync صرف نظر کرده و سراغ مانیتورهای G-sync بروند؛ چرا که در مانیتورهای Freesync اشکال ایجاد هاله‌ی تصویر ‌(Ghosting) دیده می‌‌شود و علت آن باقی ماندن فریم‌های قدیمی در زیر آخرین فریم تولید‌ شده است. با این وجود با پیشرفت این فناوری‌‌ها و ارائه نسخه‌های جدیدتر Freesync ممکن است این اشکالات رفع شود.

رابطه نرخ نوسازی با زمان پاسخگویی
نرخ نوسازی یک مانیتور بر روی زمان پاسخگویی یا لگ ورودی آن تاثیر دارد. زمان پاسخگویی مدت زمانی است که از ایجاد یک ورودی دیجیتال (مثلاً فشردن یک کلید گیم‌پد یا کیبورد) تا مشاهده تاثیر آن روی مانیتور طی می‌شود. در یک مانیتور ۶۰Hz هیچگاه زمان پاسخگویی کمتر از ۱۶.۶۷ میلی ثانیه نخواهد بود؛ چرا که این حداقل زمان گذر از یک فریم و نمایش فریم بعدی روی قاب آن مانیتور است. به همین ترتیب یک مانیتور ۱۲۰Hz زمان پاسخگویی کمتر از ۸.۳۳ میلی ثانیه و یک مانیتور ۲۴۰Hz زمان پاسخگویی کمتر از ۴.۱۶ میلی ثانیه دارد.

کاهش تاخیر در نمایش فریم بعدی به کمتر از ۱۰ میلی ثانیه ممکن است چندان مهم به نظر نرسد و بسیاری از افراد، حتی گیمرها آن را مسئله‌ی مهمی ندانند. با این وجود کاهش زمان پاسخگویی مانیتور در جریان رقابت‌های سنگین گیمینگ و همچنین برای آنهایی که می‌خواهند اجرای گیم تا حد امکان نرم و روانی داشته باشند، تاثیر مثبتی به دنبال خواهد داشت. این مسئله‌ای است که باز هم برای برخی از افراد، نمود بیشتری نسبت به دیگران دارد.

چه مانیتوری بخریم؟
به طور خلاصه اگر شما یک گیمر هستید، می‌توان این‌طور استدلال کرد که خرید یک مانیتور با نرخ نوسازی بهتر مزایای بیشتری برای‌تان دارد تا مانیتوری با رزولوشن بالا (البته اگر هر دوی این‌ها را همزمان بخواهید، هم گران درمی‌‌آید و هم منابع سخت‌افزاری بهتری می‌طلبد). نمایشگرهای ۱۲۰Hz یا ۱۴۴Hz موجود در بازار تجربه‌ی گیمینگ روان‌تر و بدون تاخیری را برایتان ایجاد خواهد کرد و تار شدگی کمتری در صحنه توجه شما را به خود جلب خواهد کرد.

از طرفی چنانچه مانیتور شما به G-sync یا Freesync هم مجهز باشد، بریدگی و استاترینگ از خروجی کار حذف خواهد شد. اگر از آنهایی هستید که به سرعت متوجه تاری تصویر در صحنه‌های پرتحرک بر روی تلویزیون‌تان می‌شوید، حتما به سراغ مانیتوری با نرخ‌ تازه‌سازی بالا بروید. اگر هم با این قضیه مشکلی ندارید، ممکن است با خرید یک مانیتور سطح بالا هم متوجه تفاوت آن‌چنانی در خروجی نشوید.

اگر گیمر نیستید و برای کارهای معمولی از مانیتور استفاده می‌کنید، رفتن به سراغ مانیتوری با نرخ نوسازی قابل‌توجه اهمیت چندانی ندارد؛ چرا که تشخیص اختلافات در کاربردهای معمولی دشوار است. افزایش نرخ تازه‌سازی حذف هاله‌ی تصویر (Ghosting) را که محصول مشترک مانیتور‌های LCD است، تضمین نمی‌کند. در Ghosting رد اشیای متحرک فریم‌های قبلی در پس‌زمینه‌ی فریم جدید دیده می‌شود.

برخی از تلویزیون‌هایی که پنل‌های ۱۲۰Hz یا بهتر دارند، مجهز به پردازنده‌های تصویری هستند که قادر به افزایش نرخ فریم محتوای ویدیویی ورودی هستند. آنها با محاسبه و افزودن فریم‌هایی به دو فریم پشت‌سر‌هم در یک فیلم، می‌توانند فیلمی با نرخ فریم ۳۰ را با سرعت ۱۲۰ فریم در ثانیه به اجرا درآورد. اما مانیتورها عموماً فاقد چنین پردازنده‌هایی هستند و محتوای ورودی را به همان شکل که تحویل گرفته‌اند، به نمایش در می‌‌‌آورند. این موضوع از مزیت این پنل‌ها برای نمایش محتوای ویدیویی خواهد کاست. البته پلیرهای ویدیویی برای کامپیوترها مهیا شده‌اند که این امکان را به صورت نرم‌افزاری فراهم می‌کنند.

در نهایت برای آنهایی که اهل بازی کردن با کامپیوتر نیستند، پیشنهاد ما این است که به جای هزینه کردن برای خرید مانیتوری با نرخ نوسازی بالا، به سراغ مانیتوری با کیفیت تصویر عالی بروید. پنل‌های IPS مرغوب زیادی در بازار وجود دارد که نرخ تازه‌سازی ۶۰Hz دارند، اما ممکن است کیفیت تصویر بسیار مناسب‌تری نسبت به مانیتورهای ۱۲۰Hz ارائه کنند.