Taux de rafraîchissement

Le taux de rafraîchissement , également appelé taux de rafraîchissement vertical ou taux de balayage vertical en référence à la terminologie issue des tubes cathodiques (CRT), est le nombre de fois par seconde qu'un dispositif d'affichage matriciel affiche une nouvelle image. Cela est indépendant de la fréquence d'images , qui décrit le nombre d'images stockées ou générées chaque seconde par le dispositif pilotant l'affichage. Sur les écrans CRT, des taux de rafraîchissement plus élevés produisent moins de scintillement , réduisant ainsi la fatigue oculaire. Dans d'autres technologies telles que les écrans à cristaux liquides , le taux de rafraîchissement affecte uniquement la fréquence à laquelle l'image peut potentiellement être mise à jour.

Les affichages non raster peuvent ne pas avoir de taux de rafraîchissement caractéristique. Les affichages vectoriels , par exemple, ne tracent pas l'intégralité de l'écran, mais uniquement les lignes réelles constituant l'image affichée, de sorte que la vitesse de rafraîchissement peut différer en fonction de la taille et de la complexité des données de l'image. Pour les programmes informatiques ou la télémétrie , le terme est parfois appliqué à la fréquence à laquelle une donnée est mise à jour avec une nouvelle valeur externe provenant d'une autre source (par exemple, une feuille de calcul publique partagée ou un flux matériel).

Bien que tous les périphériques d’affichage raster aient un taux de rafraîchissement caractéristique, la mise en œuvre physique diffère selon les technologies.

Les écrans cathodiques à balayage matriciel doivent, de par leur nature, rafraîchir l'écran car leurs phosphores s'estompent et l'image disparaît rapidement si elle n'est pas rafraîchie régulièrement.

Dans un écran cathodique, la vitesse de balayage vertical correspond au nombre de fois par seconde que le faisceau d'électrons revient dans le coin supérieur gauche de l'écran pour commencer à dessiner une nouvelle image. Elle est contrôlée par le signal de suppression verticale généré par le contrôleur vidéo et est partiellement limitée par la vitesse de balayage horizontale maximale du moniteur .

Le taux de rafraîchissement peut être calculé à partir du taux de balayage horizontal en divisant la fréquence de balayage par le nombre de lignes horizontales, plus un certain temps pour permettre au faisceau de revenir vers le haut. Par convention, il s'agit d'un multiplicateur de 1,05x. Par exemple, un moniteur avec une fréquence de balayage horizontal de 96 kHz à une résolution de 1280 × 1024 donne un taux de rafraîchissement de 96 000 ÷ (1024 × 1,05) ≈ 89 Hz (arrondi à l'inférieur).

Les taux de rafraîchissement des écrans cathodiques ont toujours été un facteur important dans la programmation des jeux vidéo. Dans les premiers systèmes de jeux vidéo, le seul moment disponible pour le calcul était pendant l' intervalle de suppression verticale , pendant lequel le faisceau revient dans le coin supérieur droit de l'écran et aucune image n'est dessinée. Cependant, même dans les jeux modernes, il est important d'éviter de modifier la mémoire tampon vidéo de l'ordinateur, sauf pendant le retour vertical, pour éviter les scintillements graphiques ou les déchirures d'écran .

Contrairement aux écrans cathodiques, où l'image s'estompe à moins d'être rafraîchie, les pixels des écrans à cristaux liquides conservent leur état tant qu'ils sont alimentés. Par conséquent, il n'y a pas de scintillement intrinsèque, quelle que soit la fréquence de rafraîchissement. Cependant, la fréquence de rafraîchissement détermine toujours la fréquence d'images la plus élevée qui peut être affichée, et bien qu'il n'y ait pas de masquage réel de l'écran, l'intervalle de masquage vertical est toujours une période de chaque cycle de rafraîchissement pendant laquelle l'écran n'est pas mis à jour, pendant laquelle les données d'image dans la mémoire tampon d'image du système hôte peuvent être mises à jour. Les options de synchronisation verticale peuvent éliminer le déchirement de l'écran en rendant l'image entière en même temps.

Sur les moniteurs CRT plus petits (jusqu'à environ 15 pouces ou 38 cm), peu de personnes ressentent une gêne entre 60 et 72 Hz. Sur les moniteurs CRT plus grands (17 pouces ou 43 cm ou plus), la plupart des gens ressentent une légère gêne à moins que le rafraîchissement ne soit réglé sur 72 Hz ou plus. Un taux de 100 Hz est confortable à presque toutes les tailles. Cependant, cela ne s'applique pas aux moniteurs LCD. L'équivalent le plus proche d'un taux de rafraîchissement sur un moniteur LCD est sa fréquence d'images , qui est souvent verrouillée à 60 ips. Mais cela pose rarement un problème, car la seule partie d'un moniteur LCD qui pourrait produire un scintillement de type CRT (son rétroéclairage) fonctionne généralement à environ 200 Hz minimum.

Les différents systèmes d'exploitation définissent le taux de rafraîchissement par défaut de manière différente. Microsoft Windows 95 et Windows 98 (première et deuxième éditions) définissent le taux de rafraîchissement sur le taux le plus élevé qu'ils estiment que l'écran prend en charge. Les systèmes d'exploitation basés sur Windows NT , tels que Windows 2000 et ses descendants Windows XP , Windows Vista et Windows 7 , définissent le taux de rafraîchissement par défaut sur un taux conservateur, généralement de 60 Hz. Certaines applications plein écran, y compris de nombreux jeux, permettent désormais à l'utilisateur de reconfigurer le taux de rafraîchissement avant d'entrer en mode plein écran, mais la plupart utilisent par défaut une résolution et un taux de rafraîchissement conservateurs et vous permettent d'augmenter les paramètres dans les options.

Les anciens moniteurs peuvent être endommagés si un utilisateur règle la carte vidéo sur une fréquence de rafraîchissement supérieure à la fréquence la plus élevée prise en charge par le moniteur. Certains modèles de moniteurs affichent un message indiquant que le signal vidéo utilise une fréquence de rafraîchissement non prise en charge.

Certains écrans LCD prennent en charge l'adaptation de leur fréquence de rafraîchissement à la fréquence d'images actuelle délivrée par la carte graphique. Deux technologies permettent cela : FreeSync et G-Sync .

Lorsque des lunettes à obturateur LCD sont utilisées pour des écrans 3D stéréo , le taux de rafraîchissement effectif est divisé par deux, car chaque œil a besoin d'une image distincte. Pour cette raison, il est généralement recommandé d'utiliser un écran capable d'au moins 120 Hz, car divisé par deux, ce taux est à nouveau de 60 Hz. Des taux de rafraîchissement plus élevés entraînent une plus grande stabilité de l'image, par exemple 72 Hz non stéréo équivaut à 144 Hz stéréo et 90 Hz non stéréo équivaut à 180 Hz stéréo. La plupart des cartes graphiques et des moniteurs d'ordinateur bas de gamme ne peuvent pas gérer ces taux de rafraîchissement élevés, en particulier à des résolutions plus élevées.

Pour les moniteurs LCD, les changements de luminosité des pixels sont beaucoup plus lents que pour les écrans CRT ou les phosphores plasma. En général, les changements de luminosité des pixels LCD sont plus rapides lorsque la tension est appliquée que lorsque la tension est supprimée, ce qui entraîne un temps de réponse asymétrique des pixels. Avec des lunettes à obturateur 3D, cela peut entraîner un flou sur l'affichage et une mauvaise perception de la profondeur, car l'image précédente ne passe pas au noir assez rapidement lorsque l'image suivante est dessinée.

Le développement des téléviseurs dans les années 1930 a été déterminé par un certain nombre de limitations techniques. La fréquence du réseau électrique était utilisée pour le taux de rafraîchissement vertical pour deux raisons. La première raison était que le tube à vide du téléviseur était sensible aux interférences de l'alimentation électrique de l'appareil, y compris les ondulations résiduelles. Cela pouvait provoquer des barres horizontales dérivantes (barres de bourdonnement). L'utilisation de la même fréquence réduisait ce phénomène et rendait les interférences statiques sur l'écran et donc moins gênantes. La deuxième raison était que les studios de télévision utilisaient des lampes à courant alternatif, filmer à une fréquence différente provoquerait des stroboscopes . Les producteurs n'avaient donc pas d'autre choix que de faire fonctionner les téléviseurs à 60 Hz en Amérique et à 50 Hz en Europe. Ces taux ont constitué la base des téléviseurs utilisés aujourd'hui : 60 Hz System M (presque toujours utilisé avec le codage couleur NTSC ) et 50 Hz System B/G (presque toujours utilisé avec le codage couleur PAL ou SECAM ). Ce hasard a donné aux téléviseurs européens une résolution plus élevée, en échange de fréquences d'images plus faibles. Comparez le système M (704 × 480 à 30i) et le système B/G (704 × 576 à 25i). Cependant, le taux de rafraîchissement inférieur de 50 Hz introduit plus de scintillement, c'est pourquoi les téléviseurs qui utilisent la technologie numérique pour doubler le taux de rafraîchissement à 100 Hz sont désormais très populaires. (voir Systèmes de télévision de diffusion )

Une autre différence entre les normes 50 Hz et 60 Hz est la façon dont les images animées (sources film par opposition aux sources caméra vidéo) sont transférées ou présentées. Les films 35 mm sont généralement tournés à 24 images par seconde (ips). Pour le PAL 50 Hz, cela permet de transférer facilement les sources film en accélérant le film de 4 %. L'image résultante est donc fluide, cependant il y a un petit décalage dans la hauteur du son. Les téléviseurs NTSC affichent à la fois des contenus à 24 et 25 ips sans aucun changement de vitesse en utilisant une technique appelée 3:2 pulldown , mais au prix d'introduire une lecture non fluide sous la forme de saccades télécinématiques .

Comme certains moniteurs d'ordinateur et certains DVD, les systèmes de télévision analogique utilisent l'entrelacement , qui réduit le scintillement apparent en peignant d'abord les lignes impaires puis les lignes paires (appelées champs). Cela double la fréquence de rafraîchissement, par rapport à une image à balayage progressif à la même fréquence d'images. Cela fonctionne parfaitement pour les caméras vidéo, où chaque champ résulte d'une exposition distincte - la fréquence d'images effective double, il y a maintenant 50 expositions au lieu de 25 par seconde. La dynamique d'un tube cathodique est parfaitement adaptée à cette approche, les scènes rapides bénéficieront du rafraîchissement à 50 Hz, le champ précédent aura largement disparu lors de l'écriture du nouveau champ, et les images statiques bénéficieront d'une résolution améliorée car les deux champs seront intégrés par l'œil. Les téléviseurs modernes à tube cathodique peuvent être rendus sans scintillement sous la forme de la technologie 100 Hz.

De nombreux téléviseurs LCD haut de gamme ont désormais un taux de rafraîchissement de 120 ou 240 Hz (pays NTSC actuels et anciens) ou de 100 ou 200 Hz (pays PAL/SECAM). Le taux de 120 a été choisi comme le plus petit multiple commun de 24 ips (cinéma) et 30 ips (télévision NTSC), et permet une moindre distorsion lors du visionnage de films en raison de l'élimination du téléciné (3:2 pulldown). Pour PAL à 25 ips, 100 ou 200 Hz sont utilisés comme un compromis fractionnaire du plus petit multiple commun de 600 (24 × 25). Ces taux de rafraîchissement plus élevés sont plus efficaces à partir d'une sortie vidéo source 24p (par exemple un disque Blu-ray ) et/ou de scènes de mouvement rapide.

Les films étant généralement tournés à une cadence de 24 images par seconde, alors que les téléviseurs fonctionnent à des cadences différentes, une certaine conversion est nécessaire. Différentes techniques existent pour offrir au spectateur une expérience optimale.

La combinaison de la production de contenu, du dispositif de lecture et du traitement du dispositif d'affichage peut également produire des artefacts inutiles. Un dispositif d'affichage produisant une fréquence fixe de 60 ips ne peut pas afficher un film de 24 ips à une fréquence uniforme et sans saccades. En général, un pulldown 3:2 est utilisé, ce qui donne un léger mouvement irrégulier.

Alors que les moniteurs d'ordinateur à tube cathodique multisynchrone courants sont capables de fonctionner à des multiples de 24 Hz depuis le début des années 1990, les récents écrans LCD « 120 Hz » ont été produits dans le but d'obtenir des mouvements plus fluides, en fonction du matériel source et de tout traitement ultérieur effectué sur le signal. Dans le cas de matériel filmé sur vidéo, les améliorations de fluidité simplement grâce à un taux de rafraîchissement plus élevé peuvent être à peine perceptibles.

Dans le cas d'un film, comme 120 est un multiple pair de 24, il est possible de présenter une séquence de 24 images par seconde sans saccades sur un écran 120 Hz bien conçu (c'est-à-dire ce que l'on appelle le pulldown 5-5). Si le taux de 120 Hz est produit en doublant les images d'un signal pulldown 3:2 de 60 images par seconde, le mouvement irrégulier pourrait toujours être visible (c'est-à-dire ce que l'on appelle le pulldown 6-4).

De plus, le matériel peut être affiché avec une douceur créée synthétiquement grâce à l'ajout de capacités d'interpolation de mouvement à l'affichage, ce qui a un effet encore plus important sur le matériel filmé.

Les téléviseurs « 50 Hz » (lorsqu'ils sont alimentés par un contenu « 50 Hz ») obtiennent généralement un film légèrement plus rapide que la normale, évitant ainsi tout problème de pulldown irrégulier.