Zanim jednak przystąpimy do opisu FreeSync 2, wyjaśnimy sposób, w jaki wyświetlany jest obraz na monitorze, oraz kilka typowych nieporozumień związanych z liczbą klatek na sekundę i częstotliwością odświeżania.
Jak wyświetlany jest obraz na monitorze
Po pierwsze, czym jest ramka i co decyduje o liczbie klatek na sekundę? Ramka to pojedynczy obraz, który jest nieruchomy. Liczba klatek na sekundę (ang. fps) określa liczbę takich obrazów generowanych w ciągu sekundy. Pierwsza wartość związana jest ściśle z możliwościami technicznymi monitora, a druga – z wydajnością karty graficznej.
W bardzo dużym uproszczeniu, pomijając wiele technicznych szczegółów, można powiedzieć, że typowe współczesne monitory działają ze sztywno określoną częstotliwością odświeżania. Odświeżają cały ekran na przykład 60 razy na sekundę, z tym że takie odświeżenie nie następuje na całej płaszczyźnie ekranu na raz, lecz liniami od góry do dołu. Wynika to z dosyć oczywistego faktu, że przewód łączący monitor z kartą graficzną nie ma wewnątrz milionów przewodów, a co za tym idzie – odpowiedniej przepustowości, żeby za jednym zamachem przekazać cały obraz. Robi to porcjami.
Najpierw odświeża się górny wiersz, później następny itd., aż odświeży się cały ekran. I tak w koło, 60 razy na sekundę. Pytanie, co się dzieje, kiedy karta graficzna nie generuje sygnału o takiej samej częstotliwości, z jaką działa monitor. Powiedzmy, że GPU osiąga wydajność 40 kl./s. W tym samym przedziale czasu monitor zdąży już odświeżyć 1/3 wysokości ekranu (40 + 40 = 80, 80 – 60 = 20, 20 / 60 = 1/3), po czym dostaje zmieniony obraz. Jest to wyraźnie widoczne jako tzw. rozrywanie obrazu (ang. screen tearing), czyli jednoczesne wyświetlanie np. dwóch nieznacznie przesuniętych względem siebie obrazów.
Żeby zapobiec zrywaniu ekranu, można włączyć funkcję o nazwie synchronizacja pionowa (V-Sync). Dzięki niej GPU będzie synchronizował swoje działania z wyświetlaczem, co zmusza układ do wyrenderowania i wysłania nowej klatki, kiedy monitor jest gotowy do przerysowania ekranu. To ogranicza szybkość generowania klatek dokładnie do częstotliwości odświeżania. Na przykład, jeśli częstotliwość odświeżania wynosi 60 Hz, V-Sync ograniczy liczbę klatek na sekundę do 60. Jeśli GPU jest w stanie wyrenderować większą liczbę klatek, niż wynosi limit V-Sync, można spożytkować jego niewykorzystaną wydajność, żeby zwiększyć rozdzielczość lub inne ustawienia jakości grafiki. Jeśli karta graficzna nie może przekroczyć częstotliwości odświeżania wyświetlacza, włączenie V-Sync nie pomoże.
G-Sync i FreeSync zamiast Vsync
Techniki takie, jak FreeSync i G-Sync, niwelują ten problem dzięki temu, że monitor dostosowuje dynamicznie częstotliwość odświeżania do otrzymywanego obrazu. Główną różnicą pomiędzy tymi rozwiązaniami jest to, że G-Sync wymaga zastosowania dodatkowego układu w monitorze, a FreeSync działa głównie po stronie karty graficznej. Okazuje się także, że różne monitory mają różne zakresy takiej „płynnej adaptacji”. Bywa, że producenci ekranów chwalą się np. kompatybilnością z techniką FreeSync, lecz w praktyce działa ona jedynie w bardzo ograniczonym zakresie, np. 55–65 Hz. Oczywiście, ten problem dotyczy głównie częstotliwości niższych od standardowej częstotliwości odświeżania monitora, ponieważ wyższe są na ogół ucinane, za pomocą tzw. fps locka. Zatem jeśli liczba klatek generowanych przez kartę w ciągu sekundy jest wyższa od częstotliwości odświeżania, to tak naprawdę rozwiązanie nie działa. Opisany problem nie występuje również, jeśli mamy do czynienia z dokładną wielokrotnością częstotliwości bazowej (przykład: monitor – 60 Hz, GPU – 30 kl./s). Nie doświadczymy wtedy rozrywania ekranu, ale może wystąpić efekt tzw. jąkania, ponieważ każda klatka będzie obecna na ekranie przez kilka cykli odświeżania.
Opóźnienia mierzy się, oczywiście, po stronie monitora. (W każdym opublikowanym na łamach PCLab.pl teście monitora można znaleźć informację o opóźnieniu, tzw. input lagu). Karta graficzna, nieco upraszczając, generuje sygnał z częstotliwością równą liczbie klatek na sekundę. Jednak liczba klatek oraz częstotliwość odświeżania monitora to nie wszystko. W grę wchodzą tu również ograniczenia związane z budową matrycy (np. szybkość, z jaką jest ona w stanie przejść z jednego koloru w drugi, ta zaś może być różna nawet w zależności od kombinacji kolorów, otoczenia danego piksela itd.). Należy zatem każdy wyświetlacz analizować z osobna bez względu na to, którą technikę obsługuje i czy w ogóle którąś obsługuje), gdyż rozwiązania AMD czy Nvidii, choć są przydatne, nie określają wszystkich aspektów działania sprzętu.
Co to właściwie jest FreeSync?
FreeSync to nazwa marki odnosząca się do implementacji techniki adaptacyjnej synchronizacji AMD. Zasadniczo umożliwia ona zmianę częstotliwości odświeżania ekranu po to, by dopasować jego działanie do szybkości renderowania procesora graficznego; na przykład gra działająca z szybkością 74 kl./s jest wyświetlana z częstotliwością 74 Hz, a kiedy tempo animacji wzrasta do 123 kl./s, ekran także przyspiesza odświeżanie na 123 Hz. Minimalizuje to „zająknięcia” i zrywanie obrazu, które występują przy stałej częstotliwości odświeżania, np. gdy monitor operuje na 120 Hz, a wyświetlana gra jest renderowana z niedostateczną szybkością, np. 74 kl./s.
FreeSync wymaga kilku modyfikacji wewnętrznych kontrolerów ekranu, a także kompatybilnego procesora graficznego. W konkurencyjnej technice Nvidii, G-Sync, która zapewnia zbliżone wyniki, również używa się wyspecjalizowanego kontrolera, objętego, niestety, ochroną patentową. FreeSync jest standardem otwartym i został przyjęty jako oficjalny standard VESA Adaptive Sync, więc każdy producent kontrolera ekranu może go wdrożyć.
Podstawową cechą FreeSync jest adaptacyjna synchronizacja. Producenci wyświetlaczy mogą integrować FreeSync w swoich urządzeniach za pomocą dowolnych środków – pod warunkiem że przejdą one proces adaptacyjnej weryfikacji synchronizacji.
Jeżeli monitor jest certyfikowany jako zgodny z FreeSync, oznacza to, że obsługuje adaptacyjną synchronizację. Nie sprawdza się nic więcej, np. jakości ekranu czy innych funkcji, więc to, że sprzęt ma logo FreeSync na pudełku, nie musi oznaczać produktu wysokiej jakości.
Czym jest zatem FreeSync 2?
I tu właśnie pojawia się FreeSync 2. Nie jest to zamiennik oryginalnej techniki FreeSync, nie jest to też jej bezpośredni następca, więc nazwa może być trochę myląca (dlatego została już zmieniona, ale o tym za chwilę). Zapewnia jednak dodatkowe funkcje. Co więcej, każdy monitor FreeSync 2 jest sprawdzany pod kątem tych dodatkowych funkcji, zatem klient może go nabyć z uwzględnieniem identyfikatora FreeSync 2, wiedząc, że sprzęt jest wyższej jakości niż standardowe monitory FreeSync.
Zarówno FreeSync, jak i FreeSync 2 będą współistnieć na rynku, chociaż schemat nazewnictwa tego nie sugeruje. FreeSync 2 jest marką AMD stosowaną do monitorów „premium”, sprawdzonych według wyższego standardu, podczas gdy FreeSync jest standardem bardziej ogólnym.
Nie jest tak, że nabywca monitora FreeSync inwestuje w starą technikę. W rzeczywistości bowiem funkcja adaptacyjnej synchronizacji działa identycznie. Monitory FreeSync po prostu nie udostępniają bardziej zaawansowanych funkcji, które zapewnia FreeSync 2. Jakie są te nowe funkcje? Cóż, dzieli się je na trzy główne obszary: wysoki zakres dynamiki (HDR), kompensacja małej liczby klatek na sekundę i mniejsze opóźnienia w wyświetlaniu grafiki.
FreeSync 2 – technika HDR (High Dynamic Range)
Zajmijmy się najpierw obsługą HDR. Kiedy AMD zapowiedziało FreeSync 2, szczegółowo przedstawiło sposób, w jaki jego implementacja FreeSync 2 różni się od samego standardu HDR. Funkcja mapowania tonów HDR w FreeSync 2 miała wykorzystywać dane kalibracyjne i specyfikacyjne wysyłane z monitora do komputera, żeby uprościć proces mapowania.
Pomysł polegał na tym, żeby gry miały bezpośredni wpływ na to, co wyświetlacz jest w stanie zaprezentować, a funkcja FreeSync 2 przekazywała dane bezpośrednio do ekranu bez potrzeby dalszego przetwarzania ich w samym monitorze – w przeciwieństwie do standardowych metod odwzorowywania tonów HDR, które widzą mapę tonów gier w formacie pośrednim przed ekranem, a następnie „wyobrażają” sobie, jak tonować mapę do swoich możliwości (i z użyciem własnego procesora). Przetwarzanie w grach większości prac związanych z mapowaniem tonów HDR ma zmniejszyć opóźnienie, co jest problemem w produkcjach korzystających z HDR.
Pierwotnie AMD szczegółowo przedstawiło implementację HDR w FreeSync 2 podczas CES 2017. Choć w teorii brzmiało to dobrze, jedną z kluczowych kwestii podniesionych w tamtym czasie było to, że gry musiały mapować dane specjalnie na wyświetlacze FreeSync 2. Oznaczało to, że wymagałyby integracji z API FreeSync 2. Trudno jednak przekonać programistę do integracji niszowej techniki.
Na razie oryginalna implementacja HDR wykonana przez AMD nie jest jeszcze gotowa. Strona AMD o FreeSync 2 po prostu wymienia technikę FreeSync 2 jako zawierającą „obsługę wyświetlania treści HDR”, a nigdzie nie ma wzmianki o obsługiwanych grach. Co więcej, kiedy faktycznie używamy monitora FreeSync 2, obsługa HDR opiera się całkowicie na implementacji HDR dla Windows 10, która co prawda powoli się poprawia, ale nie jest na tym samym poziomie.
Powodem tego jest wprowadzenie obsługi FreeSync 2 dopiero w AMD GPU Services 5.1.1, we wrześniu 2017 roku, więc twórcy gier mają narzędzia do implementacji mapowania tonalnego po stronie GPU FreeSync 2 dopiero od dwunastu miesięcy. Wykorzystanie tego rodzaju technik w grach może zająć dużo czasu, a jak dotąd nie mówi się o tym, czy obecnie dostępne lub tworzone gry wykorzystują AGS 5.1.1 w procesie programowania. Technika FreeSync2 jak na razie działa w Far Cry 5 oraz Strange Brigade. Mamy również nieoficjalne informacje o kolejnym tytule - Star Control: Origins. Sprawdziliśmy jak gra FarCry 5 działa w trybie FreeSync 2, a szczegóły możecie przeczytać w artykule dotyczącym testu monitora Samsung C32HG70 i naszych zmagań z FreeSync 2.
Jedną z cech, o których AMD wspomniało jako o części swojej implementacji HDR, jest funkcja automatycznego przełączania pomiędzy trybami HDR i SDR, dzięki czemu można grać z pełnym HDR na ekranie, a zarazem powracać do wygodnego SDR w programach użytkowych. Niestety, obecnie takie rozwiązanie również nie wydaje się funkcjonalne. Zamiast tego FreeSync 2 po raz kolejny wykorzystuje standardową implementację HDR systemu Windows, która nie obsługuje zbyt dobrze przejścia z HDR do SDR.
Jednak mimo że implementacja FreeSync 2 może nie być na razie czymś wyjątkowym, technika ta gwarantuje kilka rzeczy związanych z HDR. Wszystkie monitory FreeSync 2 obsługują HDR, więc mamy pewność, że dostajemy monitor z obsługą HDR, jeśli tylko ma on etykietę FreeSync 2. FreeSync 2 umożliwia jednoczesne uruchomienie zarówno adaptacyjnej synchronizacji, jak i HDR, co zapewnia optymalną jakość gry. Na koniec AMD stwierdza, że wszystkie monitory FreeSync 2 wymagają „dwukrotnej percepcyjnej przestrzeni kolorów sRGB dla lepszej jasności i kontrastu”.
Nie jest jasne, co dokładnie oznacza „dwukrotne postrzeganie przestrzeni kolorów”, ale pomysł jest taki, że monitor FreeSync 2 będzie obsługiwał przestrzeń większą niż sRGB i większą jasność niż podstawowy monitor do gier.
Wygląda na to, że proces walidacji AMD FreeSync 2 poszukuje czegoś więcej niż tylko podstawowej implementacji HDR. Do tej pory każdy monitor FreeSync 2, który jest dostępny lub został zapowiedziany, spełnia co najmniej wymagania specyfikacji DisplayHDR 400. Jest to dość słaba specyfikacja HDR, ale widzieliśmy, że niektóre monitory inne niż te z obsługą FreeSync 2, a rzekomo z obsługą HDR nie spełniają nawet specyfikacji DisplayHDR 400, więc przynajmniej te z FreeSync 2 otrzymują wyświetlacz, który spełnia wymagania nowego, minimalnego standardu branżowego dla monitorów HDR.
Oczywiście, niektóre urządzenia spełnią wymagania DisplayHDR 400 z nawiązką, podobnie jak oryginalny zestaw monitorów Samsung FreeSync 2, takich jak HG70 i HG90 (przeczytaj test modelu C32HG70; sprawdź, ile obecnie kosztuje). Oba te wyświetlacze są zgodne ze specyfikacją DisplayHDR 600. Sam chciałbym, żeby FreeSync 2 przewidywał minimum DisplayHDR 600, choć minimalna jasność w DisplayHDR 400, 400 nt, powinna być wystarczająca dla podstawowego monitora z HDR.
FreeSync 2 – małe opóźnienie wejścia
Drugą główną funkcją FreeSync 2 jest zredukowanie opóźnień wejścia, o którym już krótko wspomnieliśmy. Szereg procesów przetwarzających obraz HDR dotychczas wprowadzał dużo opóźnień wejściowych, szczególnie po stronie wyświetlacza, jednak FreeSync 2 przewiduje przetwarzanie z małym opóźnieniem zarówno treści SDR, jak i HDR. AMD nie opublikowało konkretnych danych dotyczących opóźnień wejściowych, ale w naszych testach zmierzone opóźnienie w przypadku modelu C32HG70 wynosi 17,5 ms, co jest dobrym wynikiem, zważywszy na to, że tak samo zmierzone opóźnienie w telewizorach z HDR może wahać się nawet w granicach 50–100 ms, co byłoby nie do przyjęcia w monitorze do gier.
Względem pierwotnej propozycji implementacji FreeSync 2 z początku 2017 roku mamy dziś więcej informacji o tym, jak udało się osiągnąć mniejsze opóźnienia.
Jak wspomnieliśmy w trakcie omawiania implementacji HDR w FreeSync 2, pierwotnym pomysłem było przeniesienie mapowania tonów do silnika gry w celu ograniczenia mapowania tonów po stronie ekranu, co pozwala na redukcję opóźnienia wejścia. Dzięki temu powolny procesor ekranu nie musiałby nadmiernie angażować się w ten proces. Ponieważ gry jeszcze nie obsługują FreeSync 2, dziś wydaje się, że ta redukcja opóźnień wynika wyłącznie z użycia w wyświetlaczu lepszego sprzętu do przetwarzania obrazu; na przykład obecne monitory Samsung FreeSync 2 mają tryb małego opóźnienia, który jest automatycznie uruchamiany, gdy włączona jest technika FreeSync 2.
FreeSync 2 – mała liczba klatek na sekundę
Ostatnią kluczową funkcją jest kompensacja małej liczby klatek na sekundę (fps). To rozwiązanie, które idzie w parze z adaptacyjną synchronizacją, zapewniając adaptacyjne funkcje synchronizacji w każdej z klatek – od 0 kl./s do maksymalnej częstotliwości odświeżania obsługiwanej przez wyświetlacz.
Jest jeden prosty powód, dla którego potrzebujemy takiej kompensacji liczby klatek. Wyświetlacze mogą zmieniać tylko częstotliwość odświeżania w określonym oknie, na przykład od 48 Hz do 144 Hz. Jeśli chcielibyśmy uruchomić grę z częstotliwością odświeżania poniżej minimalnej obsługiwanej, powiedzmy w 40 kl./s, podczas gdy minimalna wynosi 48 Hz, normalnie mielibyśmy standardowy problem zrywania lub jąkania, jak w przypadku monitora o stałym odświeżaniu. Dzieje się tak, ponieważ szybkość renderowania GPU nie jest zsynchronizowana z częstotliwością odświeżania ekranu.
Kompensacja małej liczby klatek na sekundę lub LFC rozszerza okno, w którym można zsynchronizować klatki obrazu z częstotliwością odświeżania za pomocą adaptacyjnej synchronizacji. Kiedy liczba klatek na sekundę spada poniżej minimalnej częstotliwości odświeżania monitora, ramki są wyświetlane po prostu wiele razy, a wyświetlacz działa z wielokrotnością wymaganej częstotliwości odświeżania.
W poprzednim przykładzie, żeby można było wyświetlić 40 kl./s przy użyciu LFC, każda klatka zostaje podwojona, a następnie dane wyjściowe są synchronizowane z wyświetlaczem działającym z częstotliwością 80 Hz. Można nawet uruchamiać gry w 13 kl./s i synchronizować je z częstotliwością odświeżania; w takim przypadku monitor działałby z częstotliwością 52 Hz (żeby przekroczyć minimum 48 Hz), a każda klatka byłaby wyświetlana cztery razy.
Rezultatem jest LFC, które skutecznie usuwa minimalną częstotliwość odświeżania wyświetlaczy obsługujących funkcję synchronizacji adaptacyjnej. Jednak żeby LFC było obsługiwane, monitor musi mieć maksymalną częstotliwość odświeżania sięgającą co najmniej dwukrotności minimalnej częstotliwości. Dlatego nie wszystkie monitory FreeSync obsługują LFC; niektóre modele o częstotliwości odświeżania od 48 Hz do 75 Hz nie spełniają kryteriów LFC. Jednak w przypadku FreeSync 2 każdy monitor zatwierdzony zgodnie z tą specyfikacją będzie obsługiwał LFC, więc nie trzeba się martwić minimalną częstotliwością odświeżania ekranu.
Strange Brigade
Kilka monitorów obsługujących FreeSync 2
To spojrzenie na FreeSync 2 nie byłoby kompletne bez wskazania, jakie monitory FreeSync 2 są obecnie dostępne i jakie monitory nadchodzą.
Obecnie można kupić trzy monitory z FreeSync 2 z linii Quantum dot Samsunga: C27HG70 i C32HG70 (sprawdź, ile kosztuje ten model), modele 27- i 32-calowy, o rozdzielczości 2500 × 1440 pikseli i częstotliwości odświeżania do 144 Hz, oraz dziwnie szeroki C49HG90, o rozdzielczości 3840 × 1080. Wszystkie trzy mają Certyfikat DisplayHDR 600.
W sklepach dostępny jest też BenQ EX3203R (sprawdź cenę tego monitora), 32-calowy zakrzywiony panel VA o rozdzielczości 2560 × 1440 i częstotliwości odświeżania 144 Hz, certyfikowany do DisplayHDR 400, oraz AOC Agon AG322QC4 (zobacz, ile obecnie kosztuje), który ma takie same oficjalne parametry i zdaje się wyposażony w ten sam panel.
Ostatnią rzeczą, o której tutaj wspomnimy, jest obsługa GPU. FreeSync 2 wymaga względnie nowej karty graficznej AMD: obsługiwana jest cała seria AMD RX 200 i nowsze, z wyjątkiem kilku modeli. Jest też grupa APU ze zintegrowanym GPU, które również zadziałają.
W konfiguracji z procesorem graficznym Nvidii monitory FreeSync 2 będą działać i zapewnią większość funkcji, w tym obsługę HDR. Zabraknie natomiast obsługi adaptacyjnej synchronizacji. Ci, którym na niej zależy, muszą znaleźć monitor z techniką Nvidia G-Sync HDR.
W każdej chwili możecie sprawdzić listę monitorów kompatybilnych z FreeSync, jest ona udostępniona na stronie AMD. Zaimplementowano w niej przydatne filtry, można wiec sprawdzić, które wyświetlacze obsługują HDR, które FreeSync 2, itd.
FreeSync 2 i HDR w praktyce
Pomimo informacji na stronie internetowej Samsunga model C48HG70 nie zapewnia obsługi FreeSync 2 prosto po wyjęciu z pudełka – wymaga pobrania i zainstalowania aktualizacji oprogramowania układowego. Jest to jednak pierwsza generacja produktów faktycznie obsługujących tę technikę.
Sterownik graficzny AMD i panel sterowania AMD zaostrzają ten problem. Chociaż panel karty graficznej Radeon wskazuje, kiedy GPU jest podłączony do wyświetlacza FreeSync, nie rozróżnia FreeSync i FreeSync 2. Jedyną możliwością sprawdzenia, czy FreeSync 2 działa, jest wgląd w menu OSD monitora.
Obecnie korzystanie z HDR jest mocno utrudnione, a jego implementacja – niedopracowana w systemach Windows. O swoich zmaganiach z HDR w grach i w samym systemie operacyjnym pisaliśmy już przy okazji testu monitora Samsung C32HG70, więc zainteresowanych zachęcamy, by jeszcze raz zajrzeli do tamtej publikacji.