Что такое частота обновления экрана: 60 Гц, 90 Гц или 120 Гц - плюсы и минусы

Дисплеи с высокой частотой обновления вошли в моду. Производители смартфонов и фанаты гаджетов говорят о более быстрых и плавных экранах, работающих на частоте 90, 120 или даже 144 Гц. Большинство производителей устройств не только стремятся к более высокой частоте обновления, но также используют этот параметр в качестве индикатора лучшего качества дисплея. Теперь этот параметр используется и маркетологами, чтобы подчеркнуть удобства, которые получает владелец смартфона с таким экраном.

Производители мониторов для ПК уже несколько лет привлекают пользователей высокой частотой обновления экранов. Когда речь заходит о смартфонах, более высокая, чем обычно, частота обновления является относительно новой функцией, на которую ещё недавно не обращали особого внимания. Так продолжалось до запуска OnePlus 7 Pro в прошлом году, когда частота обновления экрана стала объектом внимания энтузиастов. OnePlus 7 Pro был запущен с дисплеем с частотой 90 Гц, что на 50% превышало стандарт 60 Гц.

С тех пор многие производители смартфонов, включая Google, Samsung, Realme, Xiaomi, OPPO, Vivo и других, последовали их примеру и представили более плавно работающие экраны в своих флагманах и даже устройствах среднего класса.

Хотя OnePlus удалось вызвать у потребителей интерес к более высокой частоте обновления, компания Razer, производитель оборудования для ПК, представила дисплей с частотой 120 Гц на Razer Phone первого поколения ещё за год до OnePlus. Но и Razer, оказывается, не была первой: фактически эту идею впервые использовала японская Sharp, которая представила смартфон с дисплеем 120 Гц в 2015 году.

Но прежде чем мы рассмотрим популярные смартфоны, выпущенные с частотой обновления выше 60 Гц, следует объяснить сам этот параметр.

Что такое частота обновления?

Дело в том, что каждый пиксель на дисплее должен обновляться всякий раз, когда нужно представить что-то новое. За некоторыми исключениями, такими как OnePlus 5, пиксели обновляются сверху вниз, причем целые строки пикселей обновляются одновременно. Когда все ряды пикселей обновились сверху вниз, считается, что дисплей обновился однократно. Таким образом, частота обновления дисплея - это то количество раз, с которым экран обновится за единицу времени.

Стандартная частота обновления для большинства телевизоров, мониторов ПК и дисплеев смартфонов составляет 60 Гц. Частота обновления 60 Гц означает, что дисплей обновляется 60 раз в секунду. Другими словами, изображение на дисплее обновляется полностью каждые 16.67 миллисекунды (мс). Этот промежуток времени, в течение которого на экране находится один кадр, называется его временем обновления. Таким образом, время обновления обратно пропорционально частоте обновления.

Соответственно дисплей с частотой 90 Гц обновляется 90 раз в секунду, а дисплей с частотой 120 Гц обновляется 120 раз в секунду. Следовательно, экраны с частотой 90 Гц и 120 Гц имеют меньшие значения времени обновления – 11.11 мс и 8.33 мс. Значит, смартфон с дисплеем с более высокой частотой обновления должен быть в состоянии справиться с увеличением количества пикселей в секунду.

Но люди не могут зрительно воспринимать эти мгновенные изменения. Тогда что делает переход с 60 Гц на 90 Гц, 120 Гц или 144 Гц плюсом?

90, 120 или 144 Гц: преимущества высокой частоты обновления

Ответ на поставленный выше вопрос заключается в анимации. Да, мы не можем увидеть ни одного отдельного обновлённого кадра, но мы определённо можем увидеть более плавную последовательность кадров на дисплее смартфона. При обновлении дисплея с частотой 90 Гц при воспроизведении той же анимации отображается в 1,5 раза, или на 50%, больше кадров по сравнению с дисплеем с частотой 60 Гц. В результате дополнительных кадров движение во время анимации выглядит более плавным на дисплее с частотой 90 Гц или 120 Гц.

Это не означает, что более высокая частота обновления экрана влияет на скорость анимации. Думайте об этом как о разнице между просмотром видео, записанного с частотой 24 или 30fps, и 60fps на YouTube.

Минусы высокой частоты обновления

Несмотря на все плюсы плавной работы, у дисплея с более высокой частотой обновления есть один существенный недостаток - увеличение энергопотребления. Телефон потребляет больше энергии, когда частота обновления дисплея установлена, например, на 90 Гц по сравнению с 60 Гц из-за дополнительного рендеринга. А режим с частотой обновления 120 Гц потребляет ещё больше энергии, чем режимы 60 Гц или 90 Гц - при условии сравнения на одном и том же дисплее.

Принимая во внимание это дополнительное энергопотребление, многие производители устройств предлагают опцию автоматического режима переключения частоты обновления в разработанном ими UI. Обычно эти режимы изменяют частоту обновления дисплея между заданными значениями - например, между 60 Гц и 90 Гц в зависимости от приложения, уровня яркости, уровня заряда батареи и других факторов. Это автоматическое переключение позволяет оптимально использовать аккумулятор.

Как частота обновления стала трендом?

Бум спроса на экраны с более высокой частотой обновления начался после запуска OnePlus 7 Pro, что отодвинуло на второй план идеи Sharp и Razer. После OnePlus 7 Pro появились и другие смартфоны с экранами 90 Гц:, Pixel 4 и 4XL, Nubia Red Magic 3, OnePlus 7T и OnePlus 7T Pro, OPPO Reno3 Pro и Realme X2 Pro. ASUS опередила своих конкурентов, представив первый AMOLED-экран с частотой 120 Гц в ROG Phone II, завершив состязание дисплеев с высокой частотой обновления, происходившее в 2019 году.

В 2020 году другие компании-производители смартфонов, в том числе Xiaomi и Motorola, присоединились к гонке, выпустив устройства с дисплеями AMOLED 90 Гц - флагманские смартфоны Mi 10 / Mi 10 Pro и Edge / Edge +. Тем временем OnePlus и OPPO повысили ставки, оснастив свои флагманы, OnePlus 8 Pro и OPPO Find X2 Pro, экранами Quad HD AMOLED 120 Гц. Наконец компания Samsung вышла на арену с серией Galaxy S20, причем все три модели поддерживают частоту обновления 120 Гц при разрешении Full HD.

После Samsung,OnePlus и OPPO, обеспечившим высокую частоту обновления, ранее предложенную ASUS, тайваньская компания решила пойти дальше, представив ASUS ROG Phone 3 с дисплеем 144 Гц, который можно разогнать до 160 Гц. Это самая высокая частота обновления на поступившем в продажу смартфоне. В то же время, многие производители устройств теперь стали предлагать ЖК-экраны с частотой 90 или 120 Гц в своих более доступных устройствах. В список вошли и нынешние убийцы флагманов, такие как Realme X3 SuperZoom, и аппараты средней линейки - POCO X2, Redmi K30, Realme X50 5G, Realme 6/6 Pro и другие.

Эта технология теперь гораздо более распространена на смартфонах, чем на момент запуска OnePlus 7 Pro. Тем не менее, производители устройств говоря о более высокой частоте обновления, не объясняют, что на самом деле приводит к более плавной работе экранов. Ниже мы опишем, как это работает.

Как работает рендеринг на Android?

Как упоминалось ранее, стандартный дисплей смартфона обновляется 60 раз в секунду вместе с кадром. Информация для рисования каждого кадра обрабатывается CPU и GPU и передается со скоростью, зависящей от возможностей устройства. Скорость, с которой ЦП и графический процессор обрабатывают данные и отправляют их на дисплей, называется частотой кадров и выражается в кадрах в секунду (fps). Понятие частоты кадров встречается чаще, чем частота обновления, но их часто путают, считая одним и тем же.

В отличие от частоты обновления экрана, которая в большинстве случаев постоянна для смартфонов, частота кадров варьируется в зависимости от приложения, а также от работы связки CPU-GPU. Экран с частотой 60 Гц способен отображать 60 кадров в секунду. Аналогично, экран с частотой обновления 90, 120 Гц или выше может отображать 90, 120 или более кадров в секунду. Чтобы понять это глубже, нужно разобраться, как дисплей смартфона отображает изображения или кадры.

На экране смартфона мы видим не одно изображение или элемент, а комбинацию нескольких элементов, называемых слоями. Эти слои могут включать в себя строку состояния, домашний экран, активное приложение, различные виджеты и окна, а также панель навигации. Слои объединяются в единое изображение – занимается этим системный сервис под названием SurfaceFlinger. Информация со всех слоёв отправляется в очередь данных и объединяется в виде буферов, которые работают по принципу «первым пришел - первым обслужен». SurfaceFlinger объединяет все слои в единое изображение и управляет потоком буферной очереди при выводе её на дисплей.

Буферная очередь гарантирует, что новый кадр или изображение будут отправлены на дисплей, только когда он будет готов отобразить их. Как упоминалось ранее, для стандартного экрана с частотой 60 Гц требуется 16.67 мс для полного обновления. SurfaceFlinger отвечает за то, чтобы кадр оставался на дисплее в течение одного цикла обновления, а следующий выдвигался только по прошествии 16.67 мс.

Весь процесс, начиная от визуализации кадра приложением до кадра, представленного на дисплее, включает пять шагов, которые контролируются так называемым Android Choreographer. Он контролирует рендеринг каждого кадра, оптимизируя время, затрачиваемое на шаг, чтобы обеспечить адекватную работу буфера кадров. Во время Google I / O 2018 инженеры Google подробно рассказали о том, как ОС Android обрабатывает кадр.

Как видите, время обновления для дисплеев с частотой 90, 120 или 144 Гц намного короче по сравнению с дисплеем с частотой 60 Гц, что приводит к более короткой обработке и данных в кадре сервисом Choreographer. Вполне возможно, что приложение или система не смогут удовлетворить требованиям и быстро доставить кадры. В этом случае частота кадров просто сокращается до больших интервалов. К примеру, игра, которая не поддерживает 60 fps, обеспечит 30 кадров в секунду на экране с частотой 60 Гц, чтобы выглядеть плавно, поскольку дисплей ограничен отображением изображений с кратностью 16.6 мс. Это особенно актуально для экранов, которые работают со статической частотой обновления.

Как работает экран со статической частотой обновления 120 Гц?

Экран с частотой 120 Гц обновляется каждые 8.33 мс, а значит, должен получать новый кадр каждые 8.33 мс, чтобы поддерживать частоту кадров 120 fps. Если приложению или смартфону требуется больше времени – предположим, 10 мс - для создания следующего кадра, Choreographer отображает текущий кадр дважды, то есть 16.6 мс (2 x 8.3 мс), что приводит к уменьшению видимой частоты кадров вдвое или до 60 кадров в секунду. Это связано с VSYNC (вертикальной синхронизацией), технологией, которая предотвращает выталкивание новых кадров из буфера на дисплей, если они не были отрисованы полностью. В Android VSYNC оптимизирует время пробуждения приложений и других процессов, чтобы минимизировать задержки.

Частоту кадров можно дополнительно снизить до трёх, четырёх или пяти циклов обновления на кадр, в результате чего частота кадров будет составлять 40 fps (120/3), 30 fps (120/4), 24 fps (120/5) или ниже. Точно так же дисплей, поддерживающий режимы 90 Гц и 120 Гц, может поддерживать более широкий диапазон частот кадров, например 120 fps, 90 fps, 60 fps (120/2), 45 fps (90/2), 40 fps (120/3), 30 fps (90 / 3), 24 fps (120/5) и так далее.

Если скорость, с которой кадры обрабатываются CPU-GPU, не синхронизирована со значениями, указанными выше, можно увидеть торможения или рывки из-за несоответствия частоты кадров и частоты обновления. Несмотря на использование VSYNC, это иногда всё ещё случается и может быть серьезной проблемой для дисплеев со статической частотой обновления. К счастью, подсистема UI в Android использует метод, называемый «опережающий рендеринг», для задержки представления кадра; это может поддерживать пропускную способность на уровне 90 Гц, давая приложению не 10 мс для создания кадра, а 21 мс.

Возникает вопрос: почему большинство экранов смартфонов имеют статическую частоту обновления? Ответ заключается в том, что визуальный выход дисплея зависит от его частоты обновления, и производители должны по-разному откалибровать свои дисплеи для разных частот обновления. Таким образом, соблюдение статических значений частоты обновления - это безопасный способ кодирования отдельных калибровок для каждого поддерживаемого режима. Тем не менее, производители дисплеев уже создавали нестатические ЖК-экраны, а Samsung недавно представила идею для OLED-экранов.

Отдельные чипы для визуального улучшения изображения

Существует компонент, который ускоряет доставку составного слоя от SurfaceFlinger в цепочке видеосигнала до того, как он достигнет контроллера дисплея. Этот компонент называется блоком обработки дисплея (Display Processing Unit или DPU). DPU обычно является выделенным компонентом SoC, который распределяет нагрузку на GPU, обрабатывая такие задачи, как поворот экрана, масштабирование изображения и улучшение работы ПО. Большинство SoC для смартфонов среднего и высокого класса поставляются с выделенными DPU, которые работают вместе с GPU. Пример DPU - ARM Mali-D71.

Некоторые флагманы также могут поставляться с дополнительным чипом для визуального улучшения. OnePlus 8 Pro и OPPO Find X2 Pro используют чип Iris 5 от Pixelworks. Его можно использовать для ускорения некоторых функций, к примеру, MEMC для более плавного рендеринга изображения, автоматической регулировки яркости, контрастности или баланса белого, масштабирования SDR в HDR или других улучшений качества картинки. Помимо визуальных улучшений, Iris 5 может повысить энергоэффективность устройства за счет разгрузки основного процессора, что приводит к снижению расхода заряда батареи при работе с более высокой частотой обновления.

Как работает экран с высокой частотой обновления?

Визуализированный кадр и данные от процессора или DPU отправляются на контроллер дисплея, который управляет обновлением горизонтальных полос пикселей, тем самым отображая новый кадр.

В случае, если в очереди больше нет входящих кадров (допустим, CPU перегрелся и у него возникли проблемы с последовательной визуализацией кадров) дисплей поддерживает кадр до тех пор, пока не появится новый. Это называется самообновлением панели. Для пользователя этот «прилипший» кадр может показаться зависанием смартфона.

Как указано выше, производители смартфонов должны откалибровать параметры экрана для отображения желаемой яркости, тонов и температуры, значений цветовой гаммы в разных режимах. Аналитики отмечают, что «идеальная калибровка экрана практически недостижима при массовом производстве». Ошибки часто приводят к расхождению в производительности и цветопередаче, что наиболее заметно при более низкой яркости, и именно поэтому в Pixel 4 / 4XL при понижении яркости частота обновления снижается до 60 Гц.

Эти ограничения вынуждают производителей устройств калибровать свои дисплеи только для одного или небольшого количества режимов. Из-за этого ограничения большинство устройств не способны плавно переключаться на более низкую частоту обновления по запросу для снижения энергопотребления. Однако компании Samsung удалось сделать первый OLED-дисплей с поддержкой динамического или переменного переключения частоты обновления.

Динамическая частота обновления означает, что частота обновления экрана регулируется в зависимости от частоты кадров контента, который выводится на дисплей. Это приводит к более плавным прокрутке и анимации. Концепция переменной частоты обновления была популярна среди компьютерных геймеров как средство устранения рывков. Компании, производящие мониторы для ПК, сотрудничают с производителями видеокарт, такими как NVIDIA и AMD, для поддержки запатентованных технологий - NVIDIA G-SYNC и AMD FreeSync. Эти технологии позволяют улучшить связь между дисплеем и видеокартой, чтобы обеспечить более плавный вывод видео за счёт синхронизации частоты обновления дисплея с частотой кадров видеосигнала.

На смартфонах нечто подобное возможно с помощью запатентованной технологии Qualcomm Q-Sync, которая была впервые представлена ​​в Snapdragon 835. Подобно технологиям, предлагаемым NVIDIA и AMD, Qualcomm Q-Sync позволяет частоте обновления экрана соответствовать частоте кадров, отображаемой CPU-GPU. Первым телефоном, в котором использовалась эта технология, был Razer Phone 2018 года. В нем использовался дисплей UltraMotion с использованием тонкоплёночных транзисторов IGZO, которые не позволяли частично обновлять дисплей, а также помогали более эффективно использовать энергию.

Примечательно, что до сих пор динамическая частота обновления была возможна только на смартфонах с LCD-экранами, но появление Samsung Galaxy Note 20 Ultra создало новый тренд.

В чём плюс адаптивной частоты обновления в Galaxy Note 20 Ultra?

Недавно анонсированный Samsung Galaxy Note 20 Ultra - первый смартфон с OLED-дисплеем, который поддерживает адаптивную или динамическую частоту обновления. Это означает, что частота обновления дисплея Galaxy Note 20 Ultra может плавно переключаться от 10 до 120 Гц в зависимости от того, как используется смартфон.

Как объясняет AnandTech, экран Galaxy Note 20 Ultra обновляется с разной скоростью в зависимости от того, какое приложение вы используете. В отличие от традиционных дисплеев, которые обновляются только с определенной частотой, новая панель Samsung поддерживает 10 Гц, 24 Гц, 30 Гц, 60 Гц и 120 Гц, и легко переключается между ними, не влияя на яркость или цветопередачу экрана.

Обычно частота обновления дисплея Galaxy Note 20 Ultra переключается между 60 Гц и 120 Гц в процессе гейминга. Частота остаётся на уровне 24 Гц при просмотре фильмов (из-за кинематографического стандарта 24 кадра в секунду) и уменьшается до 10 Гц при чтении. Нельзя сказать, что дисплей Note 20 Ultra действительно имеет полностью динамическую (переменную) частоту обновления, поскольку для этого потребуется, чтобы частота обновления была на 100% синхронизирована с частотой кадров.

Так как Samsung является ведущим производителем AMOLED-панелей для смартфонов, стоит ожидать, что AMOLED-экраны с адаптивной частотой обновления станут доступны и в предстоящих флагманских устройствах других производителей. Потенциально первым брендом, который использует эту идею, может стать OnePlus, поскольку компания готовится к релизу OnePlus 8T.

А пока предлагаем несколько советов, которые помогут вам максимально эффективно использовать дисплей вашего смартфона.

Как получить максимально возможную частоту обновления на вашем смартфоне?

Каждый смартфон с экраном, частота обновления которого 90, 120 или 144 Гц поставляется с меню настроек, которое позволяет переключаться между поддерживаемыми режимами частоты. Большинство смартфонов с дисплеем 90 Гц позволяют настраивать частоту обновления от 90 Гц до 60 Гц, а смартфоны с дисплеем 120 Гц позволяют выбирать между 120 Гц и 60 Гц. ASUS ROG Phone II и ROG Phone 3 также позволяют выбирать промежуточные интервалы, к примеру, 90 Гц, что позволяет лучше контролировать частоту обновления, а значит и расход батареи.

В то же время в большинстве пользовательских скинов Android частота обновления автоматически уменьшается до 60 Гц, даже если для нее установлено более высокое значение. Уменьшение может варьироваться в зависимости от скина Android. Тогда нужно, чтобы OEM заносил в белый список приложения, которые могут использовать более высокую частоту обновления. Но если вы не хотите, чтобы частота обновления автоматически изменялась в различных условиях, вы можете установить максимально возможное значение на своих устройствах.

Если у вас есть смартфон OnePlus с экраном 90 или 120 Гц, вы можете использовать команду ADB, чтобы разблокировать режим 90 Гц / 120 Гц независимо от приложения (для этого вам нужно установить ADB на свой компьютер). Эта команда ADB поддерживается в OnePlus 7 Pro, OnePlus 7T, OnePlus 7T Pro, OnePlus 8, OnePlus 8 Pro и OnePlus Nord. Кроме того, вы можете использовать приложение AutoHz от arter97, чтобы установить отдельную частоту обновления для каждого приложения.

Аналогичная настройка существует в Realme X2 Pro и других смартфонах Realme и OPPO с дисплеями с высокой частотой обновления. Но вам понадобятся root-права, чтобы устанавливать более высокую частоту обновления для каждого конкретного приложения. В настройках Google Pixel 4 и Pixel 4 XL можно обнаружить опцию «Принудительная частота обновления 90 Гц» в параметрах разработчика.

Как разогнать экран вашего смартфона?

Кроме указанных выше способов увеличения частоты обновления, вы можете разогнать дисплей своего смартфона. Это работает на некоторых устройствах Xiaomi. Например, вы можете разогнать Xiaomi Mi 9 до 84 Гц, Redmi K20 Pro (Mi 9T Pro) до 69 Гц, а также другие устройства, работающие на фирменной оболочке MIUI, до 69 Гц на Android 10 и до 75 Гц на Android 9 Pie.

Прежде чем запускать этот процесс, следует осознать риски, связанные с разгоном дисплея смартфона. Это может увеличить его перегрев и привести к необратимым повреждениям.

Итог

Частота обновления экрана стала важным маркетинговым ходом для многих производителей смартфонов. Хотя частота обновления выше 60 Гц – это средство более плавного взаимодействия с пользователем, она всё чаще рассматривается как индикатор более высокого качества отображения. На самом деле, частота обновления 90, 120 Гц или выше не обязательно означает, что дисплей действительно высокого качества. Его качество напрямую зависит от технологии производства панели, калибровки и оптимизации на программном и аппаратном уровне.

Надеемся, что эта статья поможет вам понять смысл и важность высокой частоты обновления.