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V-Sync – Cos’è e quando usarlo

Posted by Eraovius on gennaio - 4 - 2017

Se siete appassionati di schede video, sono molti i parametri a cui dovete guardare per stabilire qual è il prodotto che fa per voi. Avete il frame rate medio, la variabilità, la rumorosità della soluzione di raffreddamento e i prezzi, che possono raddoppiare quelli delle moderne console dal gioco. E a complicare il tutto, alcune delle ultime schede video hanno soluzioni di raffreddamento elaborate, con copertura in alluminio e magnesio.

Ecco alcuni fattori che possono impattare sul nostro gameplay:

  • Impostazioni di qualità in una data applicazione impostate al massimo – solitamente preset Ultra o Extreme.
  • Risoluzione impostata a un livello costante – solitamente 1920×1080, 2560×1440, 3840×2160 o 5760×1080 in configurazione a tre monitor
  • Le impostazioni di default dei driver di ogni produttore (che siano globali o specifiche dell’applicazione)
  • Operare in un case chiuso con un livello di rumorosità impostato a 40 dB(A) misurato a una distanza di 1 metro dal case – idealmente, testato su una piattaforma di riferimento aggiornata annualmente
  • Operare con una temperatura ambiente di 20 °C e una pressione di un’atmosfera – è importante, impatta direttamente sul throttling termico.
  • Core e memoria operano a una temperatura di equilibrio fino a quando il throttling termico lo consente – in modo che le frequenze di core e memoria sotto carico rimangano fisse o varino all’interno di una gamma ristretta, in base al target di rumorosità costante di 40 dB(A) (e la corrispondente velocità della ventola)
  • Mantenere una variabilità nel tempo di rendering di frame consecutivi al novantacinquesimo percentile sotto gli 8 ms, che è la metà di un frame su uno schermo con refresh rate a 60 Hz
  • Operare al 100% d’uso della GPU o quasi – è importante per dimostrare l’assenza di colli di bottiglia legati alla piattaforma; se ci sono colli di bottiglia, l’uso della GPU sarà sotto il 100% e i risultati del test non saranno degni di nota
  • La variabilità nel tempo di rendering dei frame e gli FPS media da non meno di tre sessioni per dato, ognuno ottenuto con run di almeno un minuto, con campioni singoli che non esibiscono più del 5% di deviazione dalla media – idealmente vogliamo campionare differenti schede video allo stesso tempo, in particolare quando c’è ragione di credere che i prodotti di un’azienda esibiscano una variabilità significativa.
  • Misurare il frame rate di una singola scheda con Fraps o qualsiasi soluzione integrata; FCAT è necessario per più schede in SLI/CrossFire

La velocità è la prima “dimensione” che viene in mente nella valutazione di una scheda video. Quanto è più veloce l’ultima scheda video rispetto a quella uscita in precedenza? Internet è inondato di benchmark che provano a rispondere a questa domanda. Parliamo di velocità e delle variabili da considerare se volete davvero sapere quanto è veloce una determinata scheda video.

Mito: frame rate indicatore delle prestazioni grafiche

Il dire comune suggerisce che un gioco, per essere giocabile, deve girare a 30 FPS oppure di più. Alcuni ritengono che siano sufficienti anche frame rate inferiori, mentre altri insistono nel dire che 30 FPS siano troppo poco.

È un dibattito aperto, ma non sempre si dice che gli FPS rappresentino solamente un indice dietro a cui ci sono una serie di complessità. La più evidente è che mentre il frame rate di un film è costante, quello di un gioco renderizzato varia nel tempo e di conseguenza è espresso come una media. La variazione è un sottoprodotto della potenza richiesta per processare ogni singola scena e quando il contenuto a schermo cambia, allo stesso modo varia il frame rate. Il punto è che l’esperienza di gioco non può essere valutata solo con il frame rate medio o istantaneo alla quale le immagini sono renderizzate, infatti la regolarità con cui il frame rate è fornito è un fattore da non sottovalutare. Immaginate di viaggiare costantemente su un’autostrada a 100 all’ora oppure di muovervi con una velocità media di 100 all’ora, spendendo tempo ed energie nel giostrare freno e acceleratore. In ambo i casi raggiungerete la destinazione più o meno nello stesso momento, ma l’esperienza di guida risulterà decisamente differente.

Cos’è il V-sync

vSync è l’abbreviazione che si usa comunemente al posto di “vertical frequency”, ossia frequenza verticale. È generato dal pixel clock della scheda video…. ma cos’è il pixel clock? Apriamo una breve parentesi. Diciamo che ogni scheda video ha un intervallo di tempo tra due singoli pixel in uscita verso il monitor, questo è chiamato pixel clock. In pratica la scheda manda singolarmente i pixel completati al monitor per la visualizzazione e, mano a mano che vengono inviati, si aggiorna un contatore che viene riazzerato ogni qual volta si termina una singola linea orizzontale (che inizia da sinistra verso destra). Questo riazzeramento del contatore determina la frequenza orizzontale o hSync.

Nello stesso momento un altro contatore si occupa di contare le linee completate e viene resettato quando si completa una singola immagine, questo determina il vSync.
Riassumendo, l’hSync sarà pari alla velocità di completamento di una singola linea dell’immagine, il vSync invece riguarderà l’immagine intera. Entrambi possono essere misurati in Hz o cicli al secondo.  Certe volte vi sarà capitato che in certi giochi si vedano delle immagini “spezzate” orizzontalmente in una o più parti. Quelle immagini non sono altro che frame visualizzati prima del ciclo di vSync, quindi prima che la scheda video li abbia finiti di inviare al monitor. L’immagine a video mostrerà quindi il nuovo frame con sotto quello precedente. Cosa è successo?
L’applicazione richiede in questo caso un refresh molto più alto del vSync della scheda video che letteralmente “non gli stà dietro”, questo fenomeno è detto “tearing“. Ora, in genere questo processo è talmente veloce da essere impercettibile ma, in talune occasioni, può farsi evidente e diventare perciò problematico.
Per risolvere il problema si usa l’apposita opzione vSync presente nell’applicazione: si comanda cioè di aspettare il completamento di un frame prima di mostrare il successivo.

Sembrerebbe giusto pensare a questo punto che l’opzione che ci permette di abilitare il vSync sia piuttosto inutile: basterebbe tenerlo sempre abilitato. Purtroppo non è così. La qualità, come in tutte le cose, ha il suo prezzo. Nel nostro ambito, il prezzo è pagato in termini di frame al secondo.

Il vantaggio di avere il V-Sync disabilitato, si traduce perciò nella capacità di visualizzare tutti i frame che la nostra scheda video è in grado di produrre, al prezzo però di possibili fenomeni di tearing più o meno evidenti.
Abilitando il V-Sync le immagini saranno sempre mostrate nella loro interezza ma, a meno di non avere un pc piuttosto potente, questa opzione potrebbe abbassare di molto il frame rate effettivo, specie alle alte risoluzioni (in quanto completare una singola immagine richiede più potenza di calcolo e quindi più tempo).

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Miti: un frame rate sopra 30 FPS non è necessario; l’occhio umano non può scorgere la differenza. Valori superiori ai 60 FPS su uno schermo a 60 Hz non sono necessari; il monitor effettua già aggiornamenti 60 volte al secondo. Il V-Sync dovrebbe essere sempre attivo. Il V-Sync dovrebbe essere sempre disattivato.

Come sono renderizzati i frame? Sulla base di come funzionano quasi tutti i monitor LCD, l’immagine che vediamo sullo schermo è aggiornata un numero fisso di volte al secondo. Solitamente quel numero è 60, anche se ci sono pannelli a 120 o 144 Hz capaci di eseguire molti più refresh al secondo (e quindi, un corrispettivo framerate più elevato). Quando si parla di questo meccanismo, state parlando di refresh rate, ed è misurato in Hertz.

L’accoppiamento tra il frame rate variabile di una scheda video e il refresh rate fisso di uno schermo può rappresentare un problema. Quando il primo avviene più velocemente dell’ultimo, finite per avere più frame visualizzati durante la stessa scansione, e questo porta a un artefatto chiamato tearing. Le barre colorate nell’immagine qui sopra denotano i singoli frame della scheda video che sono riprodotti a schermo quando sono pronti. Ciò può essere un chiaro elemento di taglio, particolarmente negli FPS più veloci, che rende problematica la visione per intero dello schermo e quindi distrazione o incapacità di reazione.

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L’immagine sotto invece, mostra un altro artefatto che si vede comunemente a schermo, ma raramente è documentato. Dato che si tratta di un artefatto di visualizzazione, non appare negli screenshot, ma rappresenta l’immagine che i vostri occhi vedono realmente. Avete bisogno di una videocamera veloce per catturarlo. FCAT riflette il tearing, ma non l’effetto ghosting che stiamo illustrando.

Lo screen tearing è evidente su entrambe le immagini di Bioshock Infinite, ma è più evidente sullo schermo Sharp a 60 Hz piuttosto che sul pannello Asus a 120 Hz perché il VG236HE opera con un refresh rate due volte più alto. Questo artefatto è l’indicatore più chiaro del fatto che il gioco sta girando con il V-Sync – o sincronia verticale – attivo.

L’altro problema nell’immagine di Bioshock è il Ghosting, che potete notare in particolare nella parte bassa dell’immagine di sinistra. Questo è attribuibile alla latenza dello schermo. In poche parole i singoli pixel non cambiano colore abbastanza velocemente e il display mostra questo tipo di bagliore, un vero e proprio effetto fanmtasma che lascia delle scie nei pixel dello schermo. L’effetto durante il gioco è molto più evidente di quanto si veda nell’immagine, anche perchè dovete pensare che i videogames isano continue immagini in movimento. Il tempo di risposta grigio su grigio di 8 ms dello schermo Sharp sembra sfocare qualsiasi movimento veloce si verifichi sullo schermo.

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Torniamo al tearing. Il V-Sync rappresenta una vecchia soluzione al problema, che cerca di sincronizzare la velocità alla quale la scheda video mostra le immagini con il refresh rate dello schermo. Poiché durante un singolo aggiornamento del pannello non vengono mostrati più frame, il tearing non è più un problema. Se tuttavia aumentate la qualità grafica del vostro titolo preferito e il frame rate scende sotto i 60 FPS – o qualunque livello a cui sia impostato il refresh rate del vostro schermo – il frame rate reale rimbalza tra i multipli interi di un refresh, come illustrato sotto. Insomma, vi imbattete in un nuovo artefatto chiamato stuttering.

Uno dei dibattiti più antichi è se lasciare il V-Sync attivato oppure no. Ci sono due correnti di pensiero contrapposte, mentre altri ancora semplicemente cambiano l’impostazione in base a ciò che stanno giocando.

V-sync attivo o no?

Facciamo finta che facciate parte della maggioranza e avete uno schermo tradizionale a 60 Hz:

  • Se giocate a un FPS competitivo, e/o avete problemi di input lag percettibili, e/o se il vostro sistema non può sostenere almeno 60 FPS in un determinato titolo, e/o se state testando la vostra scheda video, allora disabilitate il V-Sync
  • Se nessuno dei casi sopraccitati si applica a voi e sperimentate un rilevante screen tearing, allora dovreste attivare il V-sync
  • Come regola generale, o se non sentite di rientrare pienamente in uno dei due casi, allora mantenete il V-Sync disabilitato

Se il vostro schermo da gioco ha un refresh di 120/144 Hz:

  • Dovrete considerare di lasciare il V-Sync attivato solo quando giocate con titoli vecchi, dove avrete più di 120 FPS costanti e quindi, un probabile effetto di screen tearing

Ci sono determinati casi in cui il dimezzamento del frame rate dovuto al V-Sync non si applica, come quelle applicazioni che supportano il triple buffering, anche se si tratta di casi non comuni. Inoltre, in alcuni giochi come Skyrim, il V-sync è abilitato di default. Spegnerlo modificando determinati file può causare problemi con il motore di gioco. In questi casi, fareste meglio a lasciare il V-Sync attivo.

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Ecco la correzione di lag e stutter col g-sync

Nvidia ha progettato una soluzione per tutti questi problemi e si chiama G-Sync: questa tecnologica, come già accennammo, parla col monitor e regola il framerate del monitor in base a quello uscente dalla scheda grafica; gli svantaggi sono che i monitor G-Sync costano in media 2-400 euro più degli altri.

AMD ha risposto con una tecnologia chiamata FreeSync, che è gratuita ed ugualmente efficace. Entrambe cercano di aggirare i compromessi del V-sync permettendo allo schermo di operare con un refresh variabile.

È difficile dire dove sta andando l’industria, ma una cosa è certa: non siamo fan degli standard proprietari e probabilmente nemmeno la maggior parte degli OEM lo è. Gradiremmo che Nvidia aprisse il G-Sync al resto della comunità, ma l’esperienza ci dice che l’azienda non è troppo incline a queste manovre, così come è avvenuto per tutte le tecnologie della casa verde, dal PhysX al Gamesworks, che tanti problemi ha causato in molti titoli (vedi l’ultimo titolo di Batman).

 

I lag sono così preoccupanti?

Diciamo che nel vostro FPS multiplayer preferito venite uccisi prima che possiate avere la possibilità di reagire. Ecco, togliendo la possibilità che vi imbattiate in giocatori scorretti, la verità è che quelli che sembrano riflessi da superuomo sono almeno in parte assistiti dalla tecnologia e potrebbero non centrare nulla con la vostra scheda video. Questo perchè c’è un tempo di elaborazione della macchina per mostrarvi su schermo quello che avviene nel gioco, e poi c’è un altro tempo morto che è quello che serve per far sì che voi reagiate a ciò che vedete; qui teniamo conto anche delle velocità di input nervoso e muscolare, che già di loro creano dei lag dovuti all’organismo. E serve altro tempo per far sì che gli input di mouse e tastiera siano registrati.

In pratica quindi, c’è un ritardo importante tra il momento in cui impartite un comando e l’azione a schermo, e questo è comunemente chiamato input lag. Perciò se premete il grilletto in uno sparatutto e il vostro fucile spara con 0,1 secondi di ritardo, il vostro input lag è di 100 millisecondi.

 

I nostri tempi di reazione e gli Hz – il problema umano

 

I tempi di reazione umani agli input visivi variano. Secondo uno studio della U.S. Navy del 1986, un pilota medio di F-14 dell’epoca reagiva a semplici stimoli visivi mediamente in 223 ms. Gli umani sono in grado di reagire più velocemente ai suoni che agli input visivi. La reazione a stimoli uditivi tende a essere pari a circa 150 ms.

Se siete curiosi, potete testare voi stessi quanto rapidamente reagite cliccando prima sul test visivo e poi su quello uditivo.

Non importa che il vostro PC sia o meno prestante, che abbiate chissà quale hardware, allenamento o monitor: la maggior parte di voi non raggiungerà i 200 ms, anzi si attesterà oltre i 250ms come media. I tempi di reazione personali rimangono il fattore più importante e più le differenze nell’input lag crescono, più il vostro gameplay ne soffre (e la percezione della vostra bravura). Immaginate un videogiocatore professionista con riflessi comparabili a quelli dei migliori piloti di caccia. Un rallentamento di 50 ms nella reazione significa che è il 30% più lento – quattro frame su uno schermo a 60 Hz – rispetto alla concorrenza, un ritardo davvero abissale.

Per chi non gioca a FPS multiplayer o competitivi, potremmo dire che l’input lag si può ignorare del tutto (non succede nulla se cliccate un secondo più tardi in un Total War). Esistono però alcuni fattori che possono peggiorare l’input lag:

  • Giocare su una HDTV (specialmente se la modalità gaming è disabilitata o assente), giocare su uno schermo LCD che effettua del processing video che non può essere bypassato. Date uno sguardo al database DisplayLag Input Lag per una grande lista organizzata per modello.
  • Giocare su schermi LCD che usano pannelli IPS con tempi di risposta superiori (normalmente vanno male quelli superiori ai 5ms, e la media è solitamente 5-7 ms G2G), rispetto a pannelli TN+Film (normalmente è possibile avere un lag di soli 1-2 ms GTG), contro schermi CRT (saranno anche vecchi ma sono i più veloci disponibili).
  • A volte, anche giocare su schermi con refresh rate più basso piò essere controproducente; gli schermi gaming più recenti infatti, sono spesso con supporto a 120 o 144 Hz. Giocare con frame rate troppo bassi non è consigliabile a prescindere; 30 FPS sono sicuramente il minimo per giocare alla maggior parte dei giochi, ma se facciamo i compiti a casa vedremo che per un FPS non sono sicuramente un risultato suggerito: infatti, i nostri 30 fps rappresentano un frame ogni 33 ms; 60 FPS sono 1 frame ogni 16ms, 100 FPS sono 1 frame ogni 10ms e 144 FPS un frame ogni 7 ms. Magari 1 frame ogni 7 ms è troppo anche per la maggior parte dei nostri occhi, ma tra i 30 ed i 60-100 fps c’è un divario ragguardevole, questo perchè le latenze vanno sommate poi a tutti i lag che andremo a vedere più avanti.
  • Usare un mouse USB con una bassa latenza (o polling rate che dir si voglia). I 125 Hz di default dei mouse su Windows rappresentano un ciclo di circa 6 ms, che porta a un input lag medio di circa 3 ms. Allo stesso tempo, un mouse da gioco può arrivare a circa 1000 Hz per un input lag medio di circa 1 ms e molti di questi device permettono di modificare la propria frequenza.
  • Usare una tastiera di bassa qualità – l’input lag della tastiera è solitamente 16 ms, ma potrebbe essere più alto con quelle di scarsa fattura.
  • Abilitare il V-sync, specialmente se usate il triple buffering – c’è un mito per cui le Direct3D non implementano il triple buffering; la realtà è che le Direct3D tengono conto dell’opzione ma pochi giochi la sfruttano. Date uno sguardo a ciò che dice Microsoft se avete la giusta preparazione tecnica.
  • Giocare con “high render-ahead queue”. Di default nelle Direct3D sono tre frame, o 48 ms a 60 Hz. Questo dato può essere aumentato a 20 per una maggiore scorrevolezza e ridotto di uno per aumentare la reattività al costo di una maggiore variabilità nel tempo di rendering dei frame e, in alcuni casi, FPS generalmente un po’ più bassi. Non c’è un’impostazione zero: ciò che fa zero è semplicemente resettare il valore al default di tre. Date uno sguardo a ciò che dice Microsoft se avete la giusta preparazione tecnica.
  • Giocare con una connessione Internet ad alta latenza. Anche se ciò va oltre quello che definiremmo input lag, effettivamente vi rallenta in maniera imporbabile.

Tra i fattori che non fanno differenza, troviamo:

  • Usare una tastiera PS/2 o USB
  • Usare una connessione wireless o di rete (questo perchè normalmente, se effettuate un test noterete ping inferiori a 1 ms).
  • Abilitare SLI o CrossFire. Le code di rendering più lunghe necessarie per abilitare queste tecnologie generalmente sono compensate da un frame throughput superiore.

Conclusione: l’input lag conta solo nei giochi di “concentrazione” e in concreto solo ad altissimi livelli di competizione

Oltre al monitor o la scheda video anche il resto dei componenti, le impostazioni hardware, le impostazioni del display, quelle dell’applicazione influenzano tutte l’input lag.

 

 

 

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