پروتکل نرخ تازه‌سازی متغیر (VRR) چگونه مشکل بریدگی و پرش تصویر را حل می‌کند؟

مانیتوری که به پروتکل نرخ تازه‌سازی متغیر (VRR) مجهز شده باشد، دیگر دیکته نمی‌کند که کامپیوتر با چه سرعتی باید گرافیک را رندر کند. به جای اینکه کورکورانه هر ۱۶.۶ میلی‌ثانیه یک تصویر جدید رسم شود — همان چرخه استاندارد ۶۰ هرتزی که از تلویزیون‌های آنالوگ به ارث رسیده — نمایشگر در یک حالت تعلیق منتظر می‌ماند تا واحد پردازش گرافیکی (GPU) سیگنال دهد که یک فریم کامل آماده است.[1][6]

برای درک مشکل مهندسی‌ای که VRR حل می‌کند، باید به معماری قدیمیِ زمان‌بندیِ نمایشگرها نگاهی بیندازیم. در دهه‌های گذشته از تاریخ پردازش، مانیتورها بر اساس یک زمان‌بندی سخت‌گیرانه و غیرقابل‌انعطاف کار می‌کردند. یک نمایشگر ۶۰ هرتزی دقیقاً ۶۰ بار در ثانیه داده‌ها را از بافر فریمِ کامپیوتر بیرون می‌کشد، فارغ از اینکه کامپیوتر در آن لحظه واقعاً مشغول چه کاری است.[1]

در همین حال، کارت گرافیک فریم‌ها را با بیشترین سرعتی که سیلیکونِ آن اجازه می‌دهد رندر می‌کند. بسته به پیچیدگی بصری یک صحنه، ممکن است رندر یک فریم برای GPU حدود ۱۰ میلی‌ثانیه و فریم بعدی ۲۵ میلی‌ثانیه زمان ببرد. این امر یک ناهماهنگی بنیادین بین یک خط‌لوله رندرینگ پویا و یک چرخه نمایشگر ایستا ایجاد می‌کند.[6]

وقتی GPU یک فریم جدید را در بافر می‌نویسد در حالی که مانیتور در نیمه راهِ خواندن فریم قبلی است، صفحه نمایش یک تصویر شکسته را نشان می‌دهد. سایبرپاورپی‌سی این حالتِ خرابی را دقیقاً این‌گونه تعریف می‌کند: لحظه‌ای است که «نمایشگر اطلاعاتِ چند فریم را در یک رسمِ واحد روی صفحه نشان می‌دهد» [۵]. نتیجه بصریِ این اتفاق، یک برش افقی در سراسر تصویر است که به عنوان بریدگی تصویر شناخته می‌شود.[4]

راه‌حل اولیه صنعت نرم‌افزار، همگام‌سازی عمودی یا همان VSync بود. VSync که در روزهای اولیه شتاب‌دهنده‌های سه‌بعدی معرفی شد، GPU را مجبور می‌کند فریمِ تکمیل‌شده‌اش را نگه دارد تا مانیتور چرخه تازه‌سازی بعدی خود را آغاز کند. این روش با موفقیت بریدگی را از بین می‌برد، اما یک جریمه عملکردیِ شدید به همراه دارد.[3]

از آنجا که GPU باید منتظر مانیتور بماند، VSync یک تاخیر ورودی مصنوعی ایجاد می‌کند که اغلب اقدامات کاربر را بین ۱۵ تا ۳۰ میلی‌ثانیه به تعویق می‌اندازد. بدتر از آن، اگر GPU حتی کسری از میلی‌ثانیه پنجره ۱۶.۶ میلی‌ثانیه‌ای را از دست بدهد، باید منتظر چرخه کامل بعدی بماند. کی‌تی‌سی به پیامد ریاضیِ این موضوع اشاره می‌کند: «اگر GPU شما نتواند نرخ تازه‌سازی مانیتور را حفظ کند، به کسری از آن، مثلاً ۳۰ فریم بر ثانیه، افت می‌کند» [۴]. این نصف شدنِ ناگهانیِ نرخ فریم، خود را به شکل پرش‌های بصریِ آزاردهنده نشان می‌دهد.[3]

پروتکل‌های نرخ تازه‌سازی متغیر این مشکل را با دستکاریِ یک مکث میکروسکوپی در چرخه نمایشگر به نام وقفه محوِ عمودی (VBLANK) حل می‌کنند. در اصل، VBLANK زمان مورد نیاز برای تفنگ الکترونیِ یک لامپ پرتو کاتدی بود تا از پایین سمت راست صفحه به بالا سمت چپ بازگردد و ریست شود.[1][6]

پنل‌های مدرن LCD و OLED تفنگ الکترونی ندارند، اما وقفه VBLANK را برای حفظ سازگاری نگه داشته‌اند. فناوری VRR این مکثِ بازمانده از گذشته را به یک اتاق انتظارِ پویا تبدیل می‌کند. وقتی یک مانیتورِ مجهز به VRR رسم یک فریم را تمام می‌کند، وارد حالت VBLANK می‌شود و به سادگی آن را باز نگه می‌دارد؛ یعنی این وقفه را آن‌قدر کش می‌دهد تا GPU اعلام کند فریم بعدی آماده است.[1]

این مفهوم در سال ۲۰۱۴ توسط انجمن استانداردهای الکترونیک ویدئویی (VESA) تحت عنوان Adaptive-Sync به طور رسمی استانداردسازی شد و از رابط DisplayPort استفاده کرد تا اجازه دهد وقفه محو به صورت پویا کش بیاید [۱]. با این حال، این فناوری از طریق پیاده‌سازی‌های انحصاری و با بازاریابی‌های سنگین به دست مصرف‌کنندگان رسید.[1]

انویدیا در سال ۲۰۱۳ فناوری G-Sync را روانه بازار کرد که تولیدکنندگان نمایشگر را ملزم می‌کرد یک ماژول سخت‌افزاری انحصاریِ ۲۰۰ دلاری را درون مانیتور نصب کنند تا منطق زمان‌بندی را مدیریت کند. ای‌ام‌دی در سال ۲۰۱۵ با FreeSync پاسخ داد؛ یک رویکرد نرم‌افزارمحور که مستقیماً بر پایه استاندارد باز VESA Adaptive-Sync ساخته شده بود و نیازی به سخت‌افزار تخصصی مانیتور نداشت.[1][6]

با وجود جنگ‌های بازاریابی که اواخر دهه ۲۰۱۰ را تعریف کردند، مکانیسم زیربنایی در هر دو اکوسیستم یکسان است: مانیتور برده‌ی زمان‌بندیِ GPU می‌شود. امروزه، بازار تا حد زیادی همگرا شده است. انویدیا اکنون مانیتورهای استاندارد Adaptive-Sync را به عنوان «سازگار با G-Sync» تایید می‌کند و بی‌سروصدا می‌پذیرد که آن ماژول سخت‌افزاری انحصاری و گران‌قیمت دیگر برای گیمینگ استاندارد کاملاً ضروری نیست.[6]

البته این پروتکل محدودیت‌های فیزیکیِ خودش را دارد. هر مانیتور VRR یک پنجره عملیاتی دارد که معمولاً از ۴۸ هرتز تا ۱۴۴ هرتز متغیر است. اگر خروجی GPU به زیر ۴۸ فریم بر ثانیه برسد، مانیتور در معرض خطر از دست دادن همگام‌سازی یا افت کیفیت تصویر قرار می‌گیرد. برای جلوگیری از این امر، پیاده‌سازی‌های پیشرفته از سیستم جبران نرخ فریم پایین (LFC) استفاده می‌کنند.

وی‌کام اینترنشنال توضیح می‌دهد که وقتی نرخ فریم به زیر حداقلِ آستانه می‌رسد، LFC به طور خودکار فریم‌ها را تکثیر می‌کند [۲]. اگر GPU خروجی ۳۰ فریم بر ثانیه داشته باشد، مانیتور نرخ تازه‌سازی خود را به ۶۰ هرتز دوبرابر می‌کند و هر فریم را دو بار نمایش می‌دهد. این کار باعث می‌شود سخت‌افزار نمایشگر به راحتی در پنجره VRR خود کار کند و در عین حال همگام‌سازی کاملی را با GPU که در حال تقلا است، حفظ نماید.

این فناوری اخیراً از مانیتورهای پی‌سی فراتر رفته و به اتاق‌های نشیمن نیز راه یافته است. سونی VRR را از طریق مشخصات HDMI 2.1 در اکوسیستم پلی‌استیشن ۵ ادغام کرد. سونی آمریکا توضیح می‌دهد که این پروتکل «به تلویزیون شما اجازه می‌دهد نرخ تازه‌سازی خود را در زمان واقعی تنظیم کند تا با خروجی نرخ فریم کنسول مطابقت داشته باشد» [۳] و بدین ترتیب رندرینگِ بدون بریدگی را به تلویزیون‌های استاندارد می‌آورد.[2]

این گسترش به اتاق نشیمن نیازمند توان عملیاتیِ عظیمی برای انتقال داده‌هاست. تی‌ای‌اسمارت تاکید می‌کند که HDMI 2.1 پهنای باند ۴۸ گیگابیت بر ثانیه‌ایِ لازم برای مدیریت رزولوشن 4K در ۱۲۰ هرتز را به همراه فعال بودن همزمان VRR فراهم می‌کند [۶]. با استانداردسازی این پروتکل در هر دو رابط DisplayPort و HDMI، صنعت نمایشگر عملاً به دورانِ نرخ تازه‌سازی ثابت پایان داده است.[5]