معدل الإطارات ومعدل تحديث الشاشة: ماذا يعني كل منهما؟ ما الفرق بينهما وكيف يرتبطان معاً؟

سواء كنت من هواة الألعاب الحاسوبية، أم أنك تهتم للحصول على الفيديو بأعلى جودة ممكنة، فالأرجح أن عبارات مثل “معدل الإطارات في الثانية” و”معدل تحديث الشاشة” قد مرت أمامك في العديد من المرات. وفي حال لم تكن متعمقاً في المجال من السهل أن تجدها مبهمة وغير مفهومة.

في الواقع يخلط الكثير من الأشخاص بين مفهوم عدد الإطارات ومعدل تحديث الشاشة، ومع كون التقنيات الحديثة باتت تستخدم هذين المصطلحين بشكل متكرر لوصف التطويرات الجديدة فمن المهم فهم كل منهما.

في هذا الموضوع سنشرح مفهوم كل من معدل الإطارات في الثانية، ومعدل تحديث الشاشة، ومن ثم سنتناول مواضيع مرتبطة بالأمر ومشاكل مثل “تمزق الشاشة” (Screen Tearing) والحلول الموجودة اليوم مثل V-Sync وG-Sync وFreeSync وكيف تعمل كل منها.

معدل الإطارات في الثانية: ما هو؟

عندما تشاهد الفيديو الرقمي أو التناظري أو سواه، يجب أن تتذكر جيداً أن ما تشاهده ليس مشهداً متحركاً حقاً. بل أن ما هو أمامك هو مجموعة من الصور التي يتم عرضها بشكل سريع ومتتابع خلف بعضها البعض، وبسبب سرعة عرضها الكبيرة يفسرها الدماغ كما لو أنها مشهد متحرك حقاً.

في السينما القديمة كانت الأفلام تستخدم لغاية تصوير الفيديو، حيث يستخدم شريط مكون من أفلام فوتوغرافية متتالية في الكاميرا، ويتم التقاط عدد من الصور بسرعة كبيرة، وعند الحاجة للعرض يكون الأمر كذلك عدد كبير من الصور المتتالية. كل من هذه الصور تسمى “إطار” أو “Frame”، وعدد الإطارات التي تعرض في كل ثانية هو ما نعرفه باسم معدل الإطارات (Frame Rate).

لماذا معدل الإطارات في الثانية مهم للكثيرين؟

في حال قمت بعرض صور ثابتة بشكل متتابع بمعدل صورة كل ثانية، ستلاحظ الفرق بين الصور بوضوح ولن تتوهم وجود حركة أصلاً. لكن برفع المعدل إلى 5 صور في الثانية ستبدأ بملاحظة حركة ولو أنها متقطعة نوعاً ما، بالوصول إلى 15fps ستلاحظ حركة شبه سلسة، وعند 30fps سيكون من الصعب ملاحظة أية تقطعات في الحركة.

عموماً ولو لم تلاحظ تقطع الحركة فهو موجود دون شك، وعند رفع معدل الإطارات إلى 60fps سيكون التحسن واضحاً عن المقارنة مع 30fps جانباً إلى جانب.

بالنسبة لمعظم الأشخاص لا يمكن ملاحظة أي فرق حقيقي بين معدل إطارات 60fps والمعدلات الأعلى، لذا عادة ما يكون أي رفع إضافي ذا جدوى قليلة في الواقع إلا في مجال الألعاب، حيث يقول الكثير من اللاعبين أنهم يلاحظون الفرق حتى معدلات عالية مثل 240fps.

ما هي معدلات الإطارات المستخدمة على نطاق واسع

في عالم اليوم بات من المتعارف عليه أن السينما تستخدم معدل إطارات 24fps، بينما البث التلفزيوني يستخدم معدل 25fps في بلدان PAL (التي تتضمن أوروبا والشرق الأوسط ومعظم أفريقيا وآسيا) و30fps في بلدان NTSC (أمريكا الشمالية وأجزاء من أمريكا الجنوبية وآسيا).

لكن مع انتشار الفيديو الرقمي اليوم فقد بدأت خيارات أعلى مثل 60fps بالانتشار، وفي بعض الحالات من الممكن أن تجد فيديو مع معدلات إطارات أعلى ولو أن هذا أمر نادر للغاية.

على عكس الفيديو نادراً ما تقدم الألعاب معدل إطارات ثابت، فهي تعمل بمعدل 60fps في مشغلات Xbox وPlayStation الحالية، لكن في الحواسيب من الممكن أن تتراوح القيم بشدة، ومن الممكن أن يرتفع معدل الإطارات أو ينخفض بشكل غير منتظم، وهذه مشكلة تم تطوير عدة تقنيات سنتناولها لاحقاً في المقال لمواجهتها.

اقرأ المزيد: ما هو الأفضل لتشغيل الألعاب: الحاسوب أم مشغل ألعاب مخصص مثل PlayStation أو Xbox؟

معدل تحديث الشاشة: ما هو؟

على الرغم من الخلط المعتاد بينه وبين معدل الإطارات في الثانية، لا يوجد في الواقع علاقة مباشرة بين القيمتين. حيث يعبر معدل تحديث الشاشة عن عدد المرات التي تستطيع فيها الشاشة رسم شكل جديد عليها في كل ثانية.

بالنتيجة وفي حال كانت الشاشة تستقبل 30 إطاراً في الثانية، لكن معدل تحديثها هو 60Hz، ستقوم بعرض كل أطار مرتين. حيث أن كل تحديث جديد للشاشة يعرض آخر إطار وصل إليها، وفي المثال السابق يصل إطار جديد كل 0.033̅ ثانية، بينما يتم تحديث الشاشة كل 0.016̅ ثانية. بالنتيجة يتم تحديث الشاشة مرتين قبل أن يصل الإطار التالي المتوجب عرضه.

في الحالة العادية لا يكون معدل تحديث الشاشة متغيراً بغض النظر عن المحتوى الذي يعرض عليها، فهي تقوم بالتحديث كما هي معدة تماماً، وفي حال كان هناك إطار جديد تقوم بعرضه، بينما تستمر بعرض الإطار السابق في حال عدم توافر معلومات جديدة. ومع كون الغالبية العظمى من المحتوى المرئي تأتي بمعدلات إطارات متدنية، غالباً ما يكون معدل تحديث الشاشة المنخفض أمراً عادياً.

معدلات تحديث الشاشة الأكثر انتشاراً

في الغالبية العظمى من الأجهزة المستخدمة اليوم يكون معدل تحديث الشاشة هو 60Hz، حيث أن معدل التحديث هذا هو المسيطر في الهواتف الذكية وشاشات الحواسيب والتلفاز وسواها. لكن في بعض الحالات قد تستخدم معدلات تحديث أعلى لمختلف الغايات.

بعض الخيارات الأخرى تتضمن معدل تحديث 90Hz المستخدم مؤخراً في بعض الهواتف، و120Hz الذي ظهر في أجهزة iPad Pro اللوحية، وأخيراً هناك الخيارات بين 144Hz و240Hz التي نادراً ما تظهر إلا في الشاشات الباهظة المخصصة للألعاب.

اقرأ المزيد: لماذا تسمع صوت صفير حاد جداً عند بدأ تشغيل تلفزيون أو شاشة قديمة أو في لحظات الهدوء؟

ماذا يمكن أن يحدث عندما تختل مزامنة معدل الإطارات مع معدل تحديث الشاشة؟

في الحالة المثالية، من المفترض أن تصل الإطارات إلى الشاشة بنفس معدل التحديث الخاص بها، أي أن يصل 60 إطاراً في الثانية للشاشة التي تمتلك معدل تحديث 60Hz، لكن في بعض الحالات وبالأخص في الألعاب من الممكن أن تختل هذه القيم بشكل متواصل.

لتبسيط فهم الأمر، تخيل أن هناك محطة للحافلات، كل إطار هو راكب جديد يأتي إلى المحطة، وكل وقت محدد تأتي حافلة (هي تحديث الشاشة) لتأخذ آخر راكب وصل إلى هناك. في حال كان وصول الركاب والحافلات بنفس المعدل لن يكون هناك مشاكل.

لكن في حال كان الركاب يصلون بشكل غير متزامن مع الحافلات من الممكن أن تحدث مشاكل كأن تترك ركاباً لم يستقلوا أية حافلة، أو أن تمر حافلات لا تقل الركاب. عموماً أشهر مشكلتين في التزامن هما التلكؤ والتشويش، وكئلك تمزق الشاشة.

التلكؤ أو التشويش

عادة ما تحدث هذه الحالة عندما يكون معدل الإطارات أدنى من معدل تحديث الشاشة لكنه ليس واحداً من قواسمها. ففي حال كان معدل الإطارات أحد قواسم معدل التحديث تسير الأمور بشكل مستقر نسبياً. فمعدل إطارات 30fps سيعرض كما هو على شاشة بمعدل تحديث 60Hz، حيث كل تحديثين يجلبان إطاراً واحداً فقط، والوقت بين الإطارات المتتالية يبقى متساوياً ولا يتغير.

بالمقابل إن حاولت عرض فيديو بمعدل إطارات 24fps على شاشة بمعدل تحديث 60Hz تبدأ المشاكل بالظهور هنا. حيث أن عدد الإطارات ليس أحد قواسم معدل التحديث، وفي حال أردت أن تحافظ على سرعة الفيديو الأصلية ستحتاج لاستخدام حلين كل منهما ينتج مشكلة خاصة به. هاتان المشكلتان هما التلكؤ والتشويش.

التلكؤ (ينتج عن استنساخ الإطارات)

واحدة من الحلول المنتشرة للمشكلة هي القيام بتكرار بعض الإطارات مرتين لجعل معدل تحديث الإطارات أحد قواسم معدل التحديث. فإن كنت تريد عرض فيديو بمعدل 24fps مثلاً، يمكنك تكرار كل رابع إطار مرتين متتاليتين، هكذا ستحصل على معدل إطارات 30fps يظهر بشكل سليم على شاشة بمعدل تحديث 60Hz.

المشكلة في هذه الطريقة هي أنها تجعل بعض الإطارات تظهر على الشاشة لوقت أطول من البقية. في مثالنا السابق ستظهر الإطارات الثلاثة الأولى لمدة تحديثين لكل منها، لكن الإطار الرابع سيظهر لمدة 4 تحديثات.

هذا الاختلاف في مدة الإطار قلما يكون قابلاً للتمييز بالعين المجردة، لكنه يؤدي إلى ما يشبه تقطعات بسيطة وقصيرة بالصورة. وبالنتيجة من الممكن لهذه الطريقة أن تكون مزعجة للمشاهد وتخرب تجربة المشاهدة أصلاً.

التشويش (ينتج عن دمج الإطارات)

في هذه الطريقة لا يتم مضاعفة أي إطار من الأصل، بل يتم صنع إطارات جديدة من تلك الأصلية لسد الفراغ. ففي مثال تحويل فيديو من معدل إطارات 24fps إلى 30fps يتم الأمر كالتالي ضمن عملية تسمى “Three-Two Pulldown”:

• الإطار الأول الجديد هو نفس الإطار الأول القديم.
• الإطار الثاني الجديد هو نفس الإطار الثاني القديم.
• الإطار الثالث الجديد هو نتيجة دمج الإطارين الثاني والثالث القديمين.
• الإطار الرابع الجديد هو نتيجة دمج الإطارين الثالث والرابع القديمين.
• الإطار الخامس الجديد هو نفس الإطار الرابع القديم.

بهذه الطريقة تكون الإطارات الأول والثاني والخامس الجديدة هي إطارات من الأصل كما هي، بينما الإطارات 3 و4 الجديدة ناتجة عن دمج إطارات قديمة مع بعضها.

هذه الطريقة تجعل العرض أكثر سلاسة بتقليل فارق مدة العرض بين الإطارات، لكنها بالمقابل تتسبب ببعض التشوش في بعض الإطارات الناتجة عن دمج إطارات أصلية، لكن إن لم تكن تتابع مشاهداً سريعة ودقيقة مثل المباريات الرياضية فهذه الطريقة جيدة كفاية.

العيب الأساسي لهذه الطريقة هي أنها تحتاج لبعض المعالجة لدمج الإطارات القديمة وصنع الإطارات الجديدة، لذا قد يتم التخلي عنها في بعض الحالات واتباع طريقة استنساخ الإطارات التي تتسبب بمشكلة التلكؤ.

تمزق الشاشة

إن كان معدل الإطارات أعلى بشكل ملحوظ من معدل تحديث الشاشة، في بعض الحالات من الممكن أن يصل الإطار الجديد إلى الشاشة أثناء التحديث. وبالنتيجة يرسم جزء من الإطار القديم أعلى الشاشة، بينما يستمر رسم الإطار الجديد أسفل الشاشة ويظهر إطاران في صورة واحدة.

سبب ظهور هذه المشكلة هو أن تحديث الشاشة ليس آنياً، بل أنه يتم تدريجياً من الأعلى نحو الأسفل خلال فاصل زمني قصير للغاية. لكن في حال وصل الإطار الجديد أثناء التحديث يستمر التحديث معه مكوناً صورة من إطارين معاً تبدو وكأنها تعرضت للتمزق.

مع كون هذه المشكلة مزعجة للغاية، فقد تم العمل على العديد من الحلول الممكنة لها، حيث تضمنت الحلول عدة تقنيات بداية من V-Sync التي ظهرت اولاً، ومن ثم كل من تقنيتي G-Sync وFreeSync. وسنشرح كلاً من هذه التقنيات في الفقرة التالية.

اقرأ المزيد: مكونات الحاسوب: كل ما تحتاج لمعرفته عن اجزاء الكمبيوتر ومهام كل منها المتعددة

التقنيات المستخدمة في حل مشاكل المزامنة بين معدل الإطارات ومعدل تحديث الشاشة

بينما تعد طريقة استنساخ الإطارات فعالة، فهي غير مستحبة حقاً من قبل المستخدمين. وبالمقابل فطريقة دمج الإطارات أفضل لكنها لا تعمل بشكل مناسب مع الألعاب حيث كل إطار يتم إنتاجه في لحظة طلبه ولا مجال للدمج. بالنتيجة تم ابتكار عدة حلول لهذه المشاكل وبالأخص لعالم الألعاب.

تقنية V-Sync

لا تحتاج هذه التقنية إلى عتاد إضافي في الواقع بل أنها حل برمجي فقط وتعمل مع الألعاب لحل مشكل التمزق. وفكرتها الأساسية هي أنها تحد معدل الإطارات في الثانية ليكون بنفس قيمة معدل تحديث الشاشة. أي أن شاشة بمعدل تحديث 60Hz ستتلقى الإطارات بمعدل 60fps.

مع أن هذه التقنية حل جيد جداً لمشكلة تمزق الشاشة، فهي تعاني من بعض النواقص بدورها. حيث أن هذه التقنية لا تفعل شيئاً إن كان معدل الإطارات أدنى من معدل تحديث الشاشة سوى أنها تكرر الإطارات مما يعيدنا إلى مشكلة التلكؤ من جديد. كما أنها تؤثر على وقت الاستجابة.

لفهم مشكلة وقت الاستجابة، يجب أن تعرف أن الألعاب عادة ما تحلل الأحداث ضمنها على أساس الإطارات، وبالنتيجة فما تدخله عبر فأرة أو لوحة مفاتيح أو سواها لن يقوم بتأثيره حتى وصول الإطار التالي. وفي حال قمت بتحديد معدل الإطارات عند حد منخفض فهذا يعني أن كل تعليمة قد تحتاج حتى 0.016̅ ثانية لتصل، وبالنسبة لبعض هذه تضحية لا يمكن القبول بها.

بالنسبة لمعظم الأشخاص العاديين لا يمكن الإحساس بتأخير صغير إلى هذه الدرجة، لكن العديد من اللاعبين يرون التأخير مزعجاً كفاية ويوقفون ميزة V-Sync ولا يبالون تمزق الشاشة مقابل تسريع الدخل ولو بأجزاء من ألف من الثانية.

تقنيتا G-Sync وFreeSync

من حيث المبدأ هاتان التقنيتان شبه متطابقتين، لكن G-Sync تم تطويرها من قبل عملاق معالجات الرسوميات Nvidia، بينما تم تطوير تقنية FreeSync من قبل شركة AMD: القطب الثاني في عالم معالجات الرسوميات.

كل من التقنيتين يتطلبان معالج رسوميات مدعوماً وقوياً كفاية، ويحتاجان إلى شاشة تدعم نفس التقنية. أي لا يمكنك استخدام أي من التقنيتين مع شاشة عادية، ولا يمكن استخدام إحداهما مع شاشة تدعم التقنية الأخرى فقط، وبالطبع هذا يحد من خيارات العتاد إلى حد بعيد.

من حيث مبدأ العمل فكل من التقنيتين يعتمدان فكرة بسيطة وفعالة: بدلاً من كون معدل تحديث الشاشة ثابتاً ومحدداً مسبقاً، يكون معدل التحديث قابلاً للتغيير، ويتم تحديث الشاشة فقط عندما يصل إطار جديد.

النتيجة هي تجربة أكثر سلاسة للاعب، حيث لا يتم تكرار أية إطارات بل أنها تعرض بوقتها الحقيقي. ومع كون الشاشات الداعمة للتقنيتين عادة ما تمتلك معدلات تحديث عالية جداً (مثل 144Hz و240Hz) فليس عليك القلق من إنتاج إطارات أكثر مما يمكن للشاشة أن تعرض.