Virkistystaajuus

Virkistystaajuus (eli pystyvirkistystaajuus, kuvaputkista puhuttaessa myös pystypyyhkäisytaajuus) kertoo, montako kertaa sekunnissa näytön kehyspuskuri päivittyy. Se eroaa kuvataajuudesta, joka tarkoittaa taajuutta, jolla näytölle päivittyy uutta tietoa. Virkistystaajuuteen lasketaan myös ne kerrat, kun näytölle päivittyy täysin sama kuva ja kuvataajuuteen vain ne, kun kuvan lähteestä siirtyy uusi kuva näytöllä näytettäväksi.

Etenkin englannin kielessä samaa käsitettä voidaan käyttää tietokoneohjelmista ja telemetriasta puhuttaessa kertomaan, kuinka usein tiedot päivitetään toisesta lähteestä.

Kuvaputkinäyttöjen virkistystaajuus

Elektronisuihku pyyhkäisemässä kuvaa

Kuvaputken pyyhkäisytaajuutta ohjataan näytönohjaimen signaalilla, joka suuntaa kuvaputken elektronisuihkun rasterin vasempaan yläkulmaan, jolloin näyttö on valmis seuraavan kuvan piirtämiseen. Virkistystaajuutta rajoittaa näytön suurin mahdollinen vaakapyyhkäisytaajuus ja myös kuvatarkkuus, koska suuremman kuvatarkkuuden myötä on myös enemmän pyyhkäisyviivoja.

Virkistystaajuus voidaan laskea jakamalla vaakapyyhkäisytaajuus vaakajuovien lukumäärällä kerrottuna luvulla 1,05 (koska noin 5 % ajasta kuluu siihen, kun elektronisuihku siirtyy takaisin ylös seuraavan juovan piirtoa varten). Esimerkiksi jos näytön vaakapyyhkäisytaajuus on 96 kHz kuvatarkkuudella 1280 × 1024, virkistystaajuudeksi saadaan 96 000 ÷ (1024 × 1.05) eli noin 89 Hz alaspäin pyöristettynä.

Kuvaputkinäyttöjen virkistystaajudella on ollut historiallisesti merkittävä vaikutus peliohjelmointiin. Perinteisesti yksi video- ja tietokonepelien ohjelmoinnin periaatteista oli välttää päivittämistä tietokoneen kuvapuskuria muulloin kuin pystysuuntaisen paluun (elektronisuihkun ylös siirtymisen) aikana (mistä käytetään termiä VSYNC). Tämä on tarpeen kuvan välkkymisen ja kuvan repeilyn välttämiseksi. Välkkyminen johtuu kehyksen puolivälissä olevan kuvan muuttumisesta ja repeily siitä, että renderöidyt grafiikat muuttuvat nopeammin kuin elektronisuihku ehtii niitä piirtää. Tämä estämiseksi käytetään kaksoispuskurointia, jossa kuva piirretään piilossa olevaan puskuriin ja puskuri vaihdetaan ruudulle elektronisuihkun paluun aikana. Joissakin pelikonsoleissa, kuten Famicomissa tai Nintendo Entertaiment Systemissä grafiikat eivät muutu muulloin kuin paluun aikana. (Paluussa elektronitykit sammuvat ja palaavat näytön vasempaan yläkulmaan.)

Kuvaputkinäytöissä virkistystaajuuden kasvattaminen vähentää näytön välkyntää ja siten silmien rasitusta. Toisaalta jos virkistystaajuus ei ole näytön suositusten rajoissa, näyttö voi vaurioitua.

Nestekidenäyttöjen virkistystaajuus

Vastoin yleistä luuloa nestekidenäytöillä ei ole välkyntäongelmia. On kuitenkin tarpeen välttää grafiikoiden muuttamista muulloin kuin paluun aikana, jotta vältetään kuvan repeäminen kun kuvia renderöidään näytön virkistystaajuutta nopeammin. Nestekidenäyttöjen virkistystaajuus on yleensä 60 Hz.

Nestekidenäytön virkistystaajuus (tai "ajallinen kuvatarkkuus") kertoo, kuinka monta kertaa sekunnissa näyttö piirtää kuvan saamastaan aineistosta. Koska nestekidenäytön aktivoidut kuvapisteet eivät välky päälle ja pois kuvien välillä, nestekidenäyttöjen virkistys ei aiheuta välkyntää olipa virkistystaajuus miten alhainen hyvänsä. Suuren virkistystaajuuden seurauksena voi kuitenkin syntyä visuaalisia artefakteja, jotka vääristävät kuvaa epämiellyttävästi. Ongelma on kuitenkin vähentynyt selvästi uusien näyttöjen myötä.

Jotta kuva näkyy oikein 60 Hz:n virkistystaajuudella, nestekidenäytön vasteajan tulee olla noin 16,67 (59/3) millisekuntia (GtG).

Vaihtuva (dynaaminen) virkistystaajuus

Osassa nestekidenäytöistä näytön virkistystaajuuden pystyy sovittamaan näytönohjaimelta saapuvan kuvataajuuden mukaiseksi. Tämän mahdollistavia tekniikoita ovat AMD:n FreeSync ja Nvidian G-Sync.

AdaptiveSync ja MediaSync ovat VESAn standardeja vaihtuville virkistystaajuuksille (VRR). AdaptiveSync ja MediaSync ovat tarkoitettu valmistajasta riippumattomiksi ja avoimiksi standardeiksi. AdaptiveSync on tarkoitettu pelaamiseen käytetyille näytöille ja MediaSync on tarkoitettu poistamaan poikkeamaa laajemmin eri näyttölaitteilla. AMD oli varhainen AdaptiveSyncin tukija Freesync-hankkeellaan.

Moderneissa televisioissa ja näytöissä virkitystaajuus voi muuttua kuvataajuuteen sopivaksi: ideaalitapauksessa kuvataajuus ja virkistystaajus olisivat samat, mutta todellisuudessa taajuudet voivat erota, joka voi aiheuttaa esimerkiksi videopelien kuvassa häiriöitä. Kuvassa voi esiintyä "repeämistä" (engl. tearing), kun näyttö joutuu esittämään kahta kuvaa samanaikaisesti. Pelin kuvataajuus voi olla esimerkiksi 100 kuvaa sekunnissa ja näyttölaite voi käyttää 60 hertsin virkistystaajuutta, jolloin pelaaja näkee vain 60 eri kuvaa sekunnissa. Muuttuva virkistystaajuus voi säätää virkistyksen samaan tahtiin kuvan vaihtumisen kanssa mikäli se on tuettujen minimin ja maksimin välillä.

3D-näyttöjen virkistystaajuus

Nestekidesuljinlaseja ja 3D-näyttöä käytettäessä virkistystaajuus käytännössä puolittuu, koska kumpikin silmä tarvitsee erillisen kuvan. Tämän vuoksi suositellaan käytettäväksi näyttöjä, joiden virkistystaajuutena on vähintään 120 Hz, sillä sen puolikas on 60 Hz. Suuremmat virkistystaajuudet parantavat kuvan vakautta. Esimerkiksi 72 hertsin virkistystaajuutta vastaa tällaisilla 3D-näytöillä 144 Hz ja 90 hertsin virkistystaajuutta 180 Hz. Suurin osa halvoista näytönohjaimista ja tietokonenäytöistä ei tue näin suuria virkistystaajuuksia varsinkaan kuvatarkkuuden ollessa korkea.

Nestekidenäytöissä kuvapisteiden kirkkaudet muuttuvat paljon hitaammin kuin kuvaputki- ja plasmanäyttöjen loisteaineissa. Nestekidenäyttöjen kirkkaudenmuutokset ovat yleensä nopeampia jännitettä syötettäessä kuin jännitteettä, joten kuvapisteiden vasteaika on epäsymmetrinen. Nestekidesuljinlaseja käytettäessä näyttö voi sumeta ja syvyysvaikutelma huonota, koska edellisen kuvan kuvapisteistä ei tule mustia riittävän nopeasti seuraavaa kuvaa piirrettäessä.

Televisioiden virkistystaajuus

Tässä animaatiossa vertaillaan liikkeen eroja virkistystaajuuksilla 4 Hz, 12 Hz ja 24 Hz. Kaikkien kolmen kuvataajuutena on 24 Hz.

1930-luvulla television kehitykseen vaikuttivat useat tekniset rajoitteet. Vaihtovirran taajuutta käytettiin virkistystaajuutena kahdesta syystä. Ensinnäkin television tyhjiöputki oli alttiina laitteen virtalähteen aiheuttamille häiriöille kuten jäännösvirralle. Tämä saattoi aiheuttaa pystyjuovien ajelehtimisen. Saman virkistystaajuuden käyttö vähensi ruudulla näkyviä häiriöitä sekä teki niistä vakaampia ja siten vähemmän häiritseviä. Toisekseen televisiostudioilla käytettiin vaihtovirtalamppuja, joten eri taajuudella kuvaaminen olisi aiheuttanut välkyntää. Valmistajilla ei ollut käytännössä muuta vaihtoehtoa kuin käyttää 60 Hz:n virkistystaajuutta Amerikassa ja 50 Hz:n Euroopassa. Tästä muodostui nykyisinkin käytettävien järjestelmien perusta: 60 Hz:n M-järjestelmä, jossa käytetään lähes aina NTSC-värikoodausta ja 50 Hz:n B/G-järjestelmä, jossa käytetään lähes aina PAL- tai SECAM-värikoodausta. Tämän vuoksi Europassa käytetään korkeampaa kuvatarkkuutta, jotta pienempi kuvataajuus hyvitettäisiin. M-järjestelmän kuvatarkkuus on 704 × 480 ja B/G-järjestelmän 704 × 576, molemmat lomitettuna. 50 hertsin virkistystaajuus lisää kuvaputkinäyttöjen välkyntää, joten virkistystaajuuden kaksinkertaistavan (sadan hertsin) tekniikan käyttö on suosittua.

Toinen 50 ja 60 Hz:n järjestelmien ero on tapa, jolla elokuvat (erona tavalliseen videokuvaan) muunnetaan ja esitetään. 53 mm:n elokuva kuvataan tavallisesti 24 kuvaa sekunnissa. PAL:n 50 hertsin kuvataajuutta käytettäessä elokuva on helppo muuntaa nopeuttamalla sitä 4 %. Kuvasta tulee sulava, mutta äänenkorkeus nousee hieman. NTSC-järjestelmässä sekä 24 että 25 kuvaa sekunnissa kuvattu aineisto muunnetaan nopeutta muuttamatta tekniikalla, jota kutsutaan 3:2-muunnokseksi. Tällöin toistettavasta kuvasta ei kuitenkaan tule yhtä sulavaa.

Kuten vanhoissa tietokonenäytöissä ja osassa DVD-levyistä, analogisessa televisiojärjestelmässä käytetään lomitusta, joka vähentää välkyntää piirtämällä ensin parittomat ja sitten parilliset juovat (näitä kutsutaan kentiksi). Tämä kaksinkertaistaa virkistystaajuuden verrattuna virkistystaajuuteen käytettäessä peräkkäispyyhkäisyä samalla kuvataajuudella. Tämä toimii täydellisesti videokameroissa, joissa jokainen kenttä valotetaan erikseen. Tällöin tehollinen kuvataajuus kaksinkertaistuu 25:stä 50 kuvaan sekunnissa. Tämä sopii hyvin yhteen kuvaputkinäyttöjen dynamiikan kanssa, nopeissa kohtauksissa on hyötyä 50 hertsin virkistystaajuudesta, aiempi kenttä on heikennyt jo selvästi uutta piirrettäessä ja liikkumattomissa kuvissa on hyötyä parantuneesta kuvatarkkuudesta, kun molemmat kentät sopivat yhteen silmien kanssa. Osa uusista kuvaputkitelevisioista on välkkymättömiä sadan hertsin virkistystaajuuden ansiosta.

Monissa nestekidetelevisioissa käytetään nykyään 120 tai 240 hertsin (nykyisissä ja entisissä NTSC-maissa) tai sadan tai 200 hertsin (PAL/SECAM-maissa) virkistystaajuutta. 120 Hz valittiin siksi, että se on jaollinen sekä elokuvien 24:n että NTSC-televisiokuvan 30 hertsin kuvataajuuden kanssa. Tällöin elokuvien 3:2-muunnoksesta johtuvat häiriöt vältetään. PAL:n 100/200 hertsin virkistystaajuus puolestaan on 600:n (24 × 25) pienin yhteinen jaettava. Näistä suurista virkistystaajuuksista on eniten hyötyä 24p-lähteestä (kuten Blu-ray-levyltä) tulevalle kuvalle sekä nopeissa kohtauksissa.

Elokuvien esittäminen televisiossa

Koska elokuvat on kuvattu yleensä kuvataajuudella 24 kuvaa sekunnissa ja televisiolaitteiden virkistystaajuuksissa on eroja, tarvitaan muunnoksia. Tähän käytetään erilaisia tekniikoita, mutta kaikkien tavoitteena on tarjota katsojalle mahdollisimman hyvä kokemus.

Sisällöntuoton, toistolaitteen ja näyttölaiteen videonkäsittelyn tuloksena saattaa myös syntyä turhia häiriöitä kuvaan. Kiinteällä 60 hertsin virkistystaajuudella toimiva näyttö ei pysty näyttämään 24 Hz:n kuvaa millään välkkymättömällä taajuudella. NTSC-maissa käytetään 3:2-muunnosta, mutta tällöin liikkeestä tulee hieman epätasaista.

Tavalliset monisykroniset tietokoneiden kuvaputkinäytöt ovat kyenneet näyttämään 24 hertsin kuvan monikertoja jo 90-luvun alusta alkaen. Uudemmat 120 hertsin nestekidenäytöt on suunniteltu siten, että niiden kuvan liike on pehmeämpää ja sulavampaa lähdeaineistosta ja mahdollisesta lähetteen jälkikäsittelystä riippuen. Kuvanauhalle kuvatun aineiston tapauksessa korkean virkistystaajuuden aikaansaama sulavuus voi olla hankala havaita.

Koska 120 on 24:n monikerta, elokuva-aineisto voidaan näyttää kuvataajuudella 24 kuvaa sekunnissa välkynnättä hyvin suunnitellulla 120 Hz:n näytöllä (kyseessä on ns. 5-5-muunnos). Jos 120 Hz:n kuvataajuus tuotetaan kaksinkertaistamalla 3:2-muunnoksen 60 hertsin kuvalähete, kuvassa voi nähdä epätasaista liikettä (niin sanottu 6-4-muunnos).

Aineistoa voidaan näyttää myös lisäämällä tasaisuutta synteettisesti, jos näytössä/näytönohjaimessa on interpolointiominaisuus. Tällä on vielä suurempi vaikutus elokuvakuvaan.

Kun 50 hertsin televisiovastaanottimissa näytetään 50 hertsin kuvaa, elokuvat on yleensä muunnettu hieman tavallista nopeammiksi, jolloin vältetään epätasaisen muunnoksen ongelmat.

Katso myös

• Plasmapaneelinäyttö
• Kuvataajuus
• Näytön kuvatarkkuus
• Kuvan lomitus

Lähteet

Free On-line Dictionary of Computing