Näyttötekniikka ja näytöt ovat kehittyneet huimasti sen jälkeen, kun kuvaputket saivat väistyä erilaisten paneelien tieltä. Yksi perusasia ei kuitenkaan ole muuttunut.

Kaikkien tavanomaisten näyttöjen kuva päivitetään kiinteällä rytmillä.

Nykyisissä nestekidenäytöissä päivitystahti on useimmiten 60 Hz, eli kuva piirretään paneelille kuusikymmentä kertaa sekunnissa. Tämä tehdään täysin riippumatta siitä, onko kuvan sisältö muuttunut vai ei. Erityisesti pelikäyttöön tarkoitetuissa näytöissä päivitystahti eli näytön virkistystaajuus on korkeampi, esimerkiksi 120 tai 144 hertsiä.

Kiinteä kuvan päivitysnopeus ei normaalioloissa aiheuta ongelmia, ellei sellaiseksi halua lukea staattisen kuvan ”turhista” päivityksistä aiheutuvaa pientä ylimääräistä sähkönkulutusta.

Tietyissä tilanteissa kiinteään arvoon sidottu kuvanpäivitys voi kuitenkin aiheuttaa virheitä. Esimerkiksi monimutkaista grafiikkaa sisältävissä peleissä virheet helposti ärsyttävät ja voivat pahimmillaan pilata koko pelin.

Mitä näyttävämpää grafiikkaa peli sisältää, sitä enemmän se kuormittaa näytönohjainta. Kuvaruutujen laskenta saattaa viedä ohjaimelta niin paljon aikaa, ettei ohjain kykene piirtämään niitä samassa tahdissa näytön virkistystaajuuden kanssa.

Toisaalta kevyempien näkymien kohdalla ohjain saattaa suoltaa uusia kuvaruutuja näytölle nopeammin kuin näyttö pystyy virkistystaajuutensa puitteissa päivittämään kokonaisina paneelille.

Kummassakin tapauksessa on todennäköistä, että näytönohjaimen kuvanpiirto osuu johonkin kohtaan kesken olevaa näytön päivitystä. Koska näyttö alkaa välittömästi siirtää paneelille uutta, kuvapuskuriinsa ilmestynyttä ruutua, näytöllä näkyy ohikiitävän hetken ajan kuva, jossa osa on peräisin vanhasta ruudusta ja osa uudesta.

Ilmiöstä käytetään nimitystä kuvan repeäminen.

Jos kuvassa ei ole tapahtunut paljoa liikettä, virhe voi jäädä huomaamatta, mutta reippaammin heilahtaneessa kuvassa esimerkiksi taikurin puoliksi sahaamilta ja pois paikoiltaan menneiltä näyttävät ihmishahmot häiritsevät varmasti.

Nopeatempoisissa peleissä jatkuvasti kuva kuvalta toistuva repeäminen tekee pelaamisen hyvin hankalaksi.

Kuvan repeily ei piinaa pelkästään graafisesti näyttäviä tietokonepelejä. Ilmiö saattaa yllättää myös tavallisia videoita tietokoneella katsellessa, vaikka se ei aivan yhtä yleistä olekaan. Tällöin virheen aiheuttaa näytön virkistystaajuuden ja videon kuvanopeuden epäyhteensopivuus, jos toisto-ohjelma tai näytönohjaimen ajuri ei osaa sovittaa taajuutta ja kuvanopeutta.

Esimerkiksi 24, 25 tai 50 kuvaa sekunnissa kuvatun videon kuvanopeus poikkeaa tyypillisen 60-hertsisen näytön virkistystaajuuden tasajaoista. Sen sijaan 30 tai 60 kuvaa sekunnissa kuvattu video tahdistuu tällaiselle näytölle ongelmitta.

Tahdistusongelmista johtuvaa kuvan repeilyä on perinteisesti yritetty poistaa lukitsemalla näytönohjaimen ruutupuskurin sisällön lähetys näytön virkistystaajuuteen. Tämä on tehty peliohjelmissa olevalla vsync- eli pystytahdistusasetuksella (vertical synchronization). On-asennossa lukitus on päällä ja ohjaimen ruutupuskurin sisältö lähetetään näytölle vain näytön ruudunpiirtojen välisen lyhyen pimennystauon aikana. Oletusarvoisessa off-asennossa ohjain saa piirtää ja lähettää kuvaruutuja omaan vapaaseen tahtiinsa.

Lukitus toimii kohtalaisen hyvin, niin kauan kuin näytönohjaimen kuvanopeus on suurempi kuin näytön virkistystaajuus.

Vsyncin ongelmana on se, että kuvaruutujen piirtymisessä näytölle saattaa tulla ylimääräistä viivettä ohjaimen joutuessa odottamaan vuoroaan näytönpäivitykseltä.

Jos kuvanopeus putoaa virkistystaajuutta alhaisemmaksi, monitori joutuu näyttämään käyttäjälle edellisen, vanhan ruudun uudelleen. Lopputuloksena kuvainformaatio saattaa tulee näytölle viipeellä, ja kuva voi nykiä havaittavasti. Hektisessä pelitilanteessa kumpikin häiriö saattaa olla kohtalokas.

Insinöörit eivät kuitenkaan ole laiskotelleet videopeliensä äärellä.

Markkinoilla on tällä hetkellä kaksi kilpailevaa tekniikkaa, jotka pyrkivät ratkaisemaan näytön ja näytönohjaimen välisestä epätahdistuksesta johtuvat ongelmat. Sekä AMD että Nvidia ovat kehitelleet omia reseptejään. AMD:n FreeSync-keitos muhi jo hieman pidempään ja julkistettiin vuonna 2014.

Nvidia puolestaan ehti markkinoille G-Sync-konseptillaan jo vuonna 2013.

Yhteistä kummallekin ratkaisumallille on se, että näytön kuvanpäivitysrytmi tahdistetaan näytönohjaimen piirtonopeuteen. Sen sijaan, että näytönohjain pakotettaisiin johonkin kiinteästi lukittuun, näytön virkistystaajuudesta riippuvaan rytmiin, näytön kuva päivitetään pääsääntöisesti silloin, kun ohjaimella on valmis kuvaruutu tarjolla.

Molemmilla tekniikoilla siis näytön virkistystaajuus vaihtelee joustavasti näytönohjaimen piirtonopeuden mukaan.

Kun näytön päivitys tapahtuu samassa tahdissa kuvaruutujen piirron kanssa, näytöllä näkyvä kuva ei enää repeile. Sujuvuus tietenkin edellyttää sitä, että näytönohjaimen piirtonopeus pysyttelee niissä virkistystaajuuden rajoissa, joihin näyttö kykenee.

Samalla mukautuvan tahdistuksen tekniikka pienentää myös näyttökuvan syöttöviivettä (input lag), koska kuva ilmestyy kokonaisuudessaan näytölle heti, kun ohjain on piirtänyt sen.

Vsync-tahdistukseen verrattuna tekniikka vähentää myös kuvan häiritsevää nykimistä ja välkkymistä.

Kumpikin tekniikka käyttää täysdigitaalista displayport-liitäntää. AMD:llä on kehitteillä myös hdmi-liitäntää käyttävä FreeSync-versio. Jos G-Sync-näytössä on displayportin lisäksi muita liitäntöjä, ne eivät kuitenkaan toimi G-Syncin kanssa, vaan tavallisina liitäntöinä. AMD:n ja Nvidian tekniikoissa on myös selviä eroja.

Nvidian G-Sync vaatii näyttöön oman piirinsä, kun taas FreeSync hyödyntää suoraan VESA DisplayPort 1.2a -liitäntästandardin laajennokseen sisältyviä Adaptive-Sync-ominaisuuksia. Siinä missä G-Sync on yhden valmistajan suljettu menetelmä, AMD:n FreeSync on rakennettu avoimen standardin päälle.

Näyttöön sijoitettava G-Sync-moduuli on piirikortti, joka sisältää uudelleenohjelmoitavan fpga-piirin ja sisäänrakennetun ruutupuskurin (frame buffer). Käytännössä moduuli korvaa monitorin skaalaimen kaikkine ohjaus-, säätö- ja korjailutoimintoineen.

G-Syncissä näytössä oleva moduuli neuvottelee näytönohjaimen kanssa käytettävästä virkistystaajuudesta ja vaatii tahdistusta varten kättelyjä ja kyselyjä (ohjaimen pollaamista). Tahdistus neuvotellaan kullekin ruudulle erikseen.

Tekniikassa tahdistuksen vaatima ”äly” on pääosin näyttömoduulissa, ja näytönohjaimen puolella tarvittavat piirteet voidaan suureksi osaksi toteuttaa ohjelmallisesti.

AMD:n FreeSyncissä asetelma on käännetty toisin päin. Siinä näytönohjain käskyttää näyttöä suoraan ja kertoo, milloin ruudunpäivityksen saa tehdä. Tekniikka käyttää displayport-liitännän datapaketteja siten, että kuvatiedon sisältävien pakettien mukana lähetetään ”laukaisupaketti”, joka antaa näytölle luvan ruudunpäivitykseen.

Näin tahdistukseen ei tarvita erillistä pollaamista tai ruutukohtaisia kättelyjä.

Vastaavasti ominaisuuden hyödyntäminen vaatii näytönohjaimelta hieman suurempia teknisiä muutoksia. Pelkkä ajuriohjelmiston muutos ei riitä.

Näytön osalta riittää, että se toteuttaa DisplayPort 1.2a -standardin Adaptive-Sync-laajennoksen.

Kumpikin tekniikka osaa tiettyyn rajaan asti, tavalla tai toisella, ottaa huomioon hyvin alhaisten kuvanopeuksien aiheuttamat tahdistusongelmat. Toisin sanoen tilanteen, jossa kuvanopeus on alhaisempi kuin näytön alin virkistystaajuus.

G-Sync siirtyi alun perin käyttämään näytön korkeinta virkistystaajuutta ja kytki vsync-tilan päälle. Nykyään se ottaa käyttöön virkistystaajuuden, joka on suuruudeltaan kaksi kertaa näytönohjaimen kuvanopeus.

Tällöin näyttö näyttää paneelilla jokaisen kuvaruudun kahteen kertaan, jolloin vaikutelma on kuin käytettäisi puolet pienempää virkistystaajuutta. Menetelmä saattaa joillakin näytöillä aiheuttaa kuvan kirkkauden vaihtelusta johtuvaa välkkymistä.

FreeSyncissä näytönohjain ja näyttö sopivat käytettävissä olevan virkistystaajuusalueen koneen käynnistyksen yhteydessä laitteiden tunnistusvaiheessa (plug’n’play-kättely).

Alun perin FreeSyncissä kuvanopeuden alittaessa näytön alimman virkistystaajuuden näyttö asettui alimmalle taajuudelleen ja näytönohjain kytki haluttaessa vsyncin päälle. Tästä seurasi selvää viivettä ja nykimistä. Vaihtoehtona oli vsyncin pitäminen pois päältä, mikä puolestaan aiheutti kuvaan selvää repeilyä.

Huhtikuusta 2015 lähtien FreeSync on lukittanut näytön maksimivirkistystaajuudelleen. Muutos on tehty ajuripäivityksellä.

Kuvanopeuden ylittäessä näytön suurimman virkistystaajuuden G-Sync lyö vsyncin päälle. Tosin Nvidia kuulemma harkitsee valintamahdollisuuden sallimista AMD:n tapaan. FreeSync nimittäin toimii muuten samoin mutta antaa käyttäjän valita otetaanko vsync käyttöön vai ei.

Ostajan kannalta on myös harmillista, että nämä tekniikat ovat epäyhteensopivia keskenään.

Tahdistuvien virkistystaajuuksien osalta G-Sync ja FreeSync lähestyvät tehtävää hieman eri tavalla. FreeSyncin tahdistuva skaala on reilusti laajempi, 9–240 Hz, joka on jaettu neljään näytön kykyjen mukaan valikoituvaan kaistaan: 9–60 Hz, 17–120 Hz, 21–144 Hz tai 36–240 Hz.

G-Syncillä on vain yksi virkistystaajuusalue: 30–144 Hz. Kauppoihin on kuitenkin tulossa loppuvuodesta myös suuremmalla virkistystaajuudella varustettuja G-Sync-näyttöjä.

AMD:n FreeSyncistä ja VESA DisplayPort Adaptive-Syncistä puhutaan usein samassa yhteydessä, mutta ne eivät kuitenkaan ole sama asia.

VESA DisplayPort Adaptive-Sync on DisplayPort 1.2a -standardin valinnainen laajennos. Laajennos on alun perin peräisin sylimikrojen sisäisiä näyttöjä varten tarkoitetusta Embedded DisplayPort v1.0 -standardista. Sen tarkoituksena puolestaan on ollut pienentää tietokoneen virrankulutusta harventamalla näytönpäivityksiä silloin, kun kuvassa oleva informaatio ei ole muuttunut.

FreeSync on rakennettu standardin päälle ja hyödyntää sen protokollia.

G-Sync-moduuli nostaa näytön hintaa tyypillisesti 100–200 €, sillä tekniikan lisäksi näyttövalmistaja joutuu maksamaan myös lisenssimaksun Nvidialle.

Toisin kuin FreeSync, G-Sync rajoittaa näytön liitännät vain displayportiin, ellei valmistaja lisää näyttöön erillistä skaalainpiiriä muita liitäntöjä varten. G-Sync-näytöissä on myös tyypillisesti tarjolla vain perusominaisuudet.

Läppäreissä mukautuva tahdistus on ollut käytössä jo pitkään, sillä VESA Adaptive-Sync on osa Embedded DisplayPort v1.0 -liitäntästandardia.

G-Sync sen sijaan on vasta tulossa kannettaviin. Koneen pitää ensinnäkin olla suunniteltu tukemaan G-Synciä. Siihen vaaditaan vähintään G-Sync-kelpoinen näyttöpaneeli ja GeForce GTX 980M-, 970M- tai 965M-näytönohjain (myös SLI-konfiguraatioina). Käyttöjärjestelmistä tuettuja ovat Windows 7, 8 ja 8.1, joille vaaditaan ajuriversioksi R352.06 tai uudempi.

Nvidian mukaan G-Sync ei vaikuta sylimikron akkukestoon.

Soveltuvia konemalleja on tulossa ainakin Asukselta, Clevolta, Gigabytelta ja MSI:ltä lähinnä 15,6” ja 17,3” pelimalleina.

Varmista yhteensopivuus

Mukautuva tahdistus ei toimi minkä tahansa näytönohjaimen kanssa.

G-Syncin kanssa yhteensopivia ovat Nvidian mukaan useimmat GeForce GTX 600 -sarjan ja sitä tuoreemmat näytönohjainkortit.

FreeSyncin ominaisuus- ja toimintovalikoima riippuu näytönohjaimesta. Videotoistossa ja virransäästössä FreeSync toimii Radeon HD 5000/7000/8000 -mallien sekä R7- ja R9-sarjojen kanssa. Peleissä Freesync toimii useimpien Radeon R7- ja R9-näytönohjainten kanssa. APU-piireistä Kaveri, Kabini, Temash, Beema ja Mullins toteuttavat koko ominaisuuspaletin.

AMD FreeSyncille on olemassa tuetut ajurit ainakin Windowsin versioille 7, 8.1 ja 10 sekä useille Linux-jakeluille. Nvidia G-Syncille on olemassa ajurit toistaiseksi vain Windowsin versioille 7–10.

Yhteenveto

  • Näytönohjaimen ja näytön epätahdistus voi aiheuttaa viiveitä, kuvan nykimistä ja repeilyä.
  • Suuri osa ongelmista voidaan korjata vaihtelemalla näytön virkistystaajuutta näytönohjaimen piirtonopeuden mukaan.
  • Kaksi tämänhetkistä mukautuvan tahdistuksen tekniikkaa, Nvidia G-Sync ja AMD FreeSync, eivät samankaltaisuudestaan huolimatta ole yhteensopivia.