画面のティアリング

スクリーンティアリング^[1]は、ビデオディスプレイにおける視覚的なアーティファクトであり、ディスプレイデバイスが複数のフレームからの情報を1つの画面に描画します。^[2]

このアーティファクトは、デバイスへのビデオ フィードがディスプレイのリフレッシュ レートと同期していない場合に発生します。これは、リフレッシュレートが一致していないことが原因である可能性があり、ティア ラインは位相差が変化すると移動します (速度はフレーム レートの差に比例します)。また、単に 2 つの等しいフレーム レート間の同期が欠如していることが原因で発生することもあり、ティア ラインは位相差に対応する固定位置にあります。ビデオの動き中に画面のティアリングが発生すると、物体 (壁や木など) の端が揃わないため、画面が裂けたように見えます。

ティアリングは、ほとんどの一般的なディスプレイ テクノロジとビデオ カードで発生する可能性があり、映画のカメラのスロー パンや従来の横スクロール ビデオ ゲームなど、水平方向に移動する映像で最も顕著になります。

同じリフレッシュ間隔中に 2 つ以上のフレームのレンダリングが完了すると、画面のティアリングが目立たなくなります。これは、画面に 1 つの幅の広いティアリングではなく、複数の幅の狭いティアリングが発生することを意味するためです。

ビデオのティアリングを防ぐ方法は、ディスプレイ デバイスとビデオ カードのテクノロジ、使用しているソフトウェア、およびビデオ素材の性質によって異なります。最も一般的な解決策は、複数のバッファリングを使用することです。

ほとんどのシステムでは、複数のバッファリングと、ディスプレイとビデオメモリのリフレッシュサイクルを同期させる何らかの手段が使用されています。^[3]

オプション「TearFree」の「boolean」: TearFree 更新を無効または有効にします。このオプションは、X が実際のディスプレイを更新する前に、すべてのレンダリングをバック バッファに実行するように強制します。フレーム バッファと同じサイズのメモリ割り当て、ときどき余分なコピーが必要になり、ダメージ トラッキングが必要になります。したがって、TearFree を有効にすると、より多くのメモリが必要になり、速度が遅くなり (スループットが減少)、出力の遅延がわずかに発生しますが、入力の遅延には影響しません。ただし、画面への更新はディスプレイの垂直リフレッシュと同期して実行されるため、ディスプレイがリフレッシュを開始する前に更新全体が完了します。つまり、常に 1 つのフレームだけが表示されるため、2 つの異なるフレームの間に見苦しいティアリングが生じるのを防ぐことができます。これは、合成マネージャが行うべきことを再現しますが、TearFree はコンポジタの更新 (およびフルスクリーン ゲームのコンポジタの更新) をスキャン出力に直接リダイレクトするため、合成の場合に追加のオーバーヘッドは発生しません。すべての合成マネージャがティアリングを防ぐわけではありません。出力が回転すると、TearFree が有効になっていなくてもティアリングが発生します。

—  Intel オープンソース GPU ドライバーより、https://manpages.debian.org/buster/xserver-xorg-video-intel/intel.4.en.html

垂直同期は、ほとんどのシステムでオプションとして用意されており、モニターの現在のリフレッシュ サイクルが終了するまで、ビデオ カードがディスプレイ メモリに表示される操作を実行できないようにします。

垂直ブランキング期間中、ドライバーはビデオ カードに対して、オフスクリーン グラフィックス領域をアクティブ表示領域に高速でコピーする (ダブル バッファリング) か、両方のメモリ領域を表示可能として扱い、それらの領域間を単純に切り替える (ページ フリップ) ように指示します。

Nvidia と AMD のビデオ アダプタには「Adaptive Vsync」オプションが用意されており、ソフトウェアのフレーム レートがディスプレイのリフレッシュ レートを超えた場合にのみ垂直同期をオンにし、それ以外の場合はオフにします。これにより、レンダリング エンジンのフレーム レートがディスプレイのリフレッシュ レートを下回ったときに発生するスタッターが解消されます。^[4]

あるいは、FreeSync ^[5]やG-Sync ^[6]などの技術は概念を逆転させ、ディスプレイのリフレッシュレートをコンピュータから送られてくるコンテンツに合わせて調整します。このような技術には、ビデオアダプタとディスプレイの両方からの特定のサポートが必要です。

垂直同期を使用すると、レンダリング エンジンのフレーム レートはビデオ信号のフレーム レートに制限されます。この機能により、通常はビデオ品質が向上しますが、場合によってはトレードオフが発生します。

垂直同期は、ビデオや映画のプレゼンテーションでアーティファクトを引き起こすこともあります。これは、通常、ビデオや映画は標準的なモニターのフレーム レート (24 ～ 30 フレーム/秒) よりも大幅に低いフレーム レートで録画されるためです。このような映画を標準的な 60 Hz リフレッシュ レートに設定されたモニターで再生すると、ビデオ プレーヤーがモニターのデッドラインにかなり頻繁に間に合わなくなり、中間フレームが意図したよりもわずかに速く表示されるため、ジャダーに似た効果が発生します。( 「テレシネ: フレーム レートの違い」を参照してください。)

さまざまなレンダリングエンジンを使用するビデオゲームは、通常、フレームが要求された瞬間にエンジンの変数が指定するものに基づいて、レンダリングエンジンが各フレームをリアルタイムで構築することが期待されるため、垂直同期から視覚的な恩恵を受ける傾向があります。ただし、垂直同期は入力遅延を引き起こすため、ゲームのインタラクティブ性を妨げ、^[7]特に正確なタイミングや高速な反応時間を必要とするゲームに支障をきたします。

最後に、ビデオ カードまたはレンダリング エンジンのベンチマークを行うということは、通常、モニターの機能やその結果生じるビデオのティアリングに関係なく、ハードウェアとソフトウェアが可能な限り高速にディスプレイをレンダリングすることを意味します。そうしないと、モニターとビデオ カードによってベンチマーク プログラムが制限され、無効な結果が発生します。

一部のグラフィックス システムでは、ソフトウェアがメモリ アクセスをディスプレイ ハードウェアのリフレッシュ サイクルに対して同じ時点にとどまるように実行できます。これは、ラスター割り込みまたはビーム レースと呼ばれます。その場合、ソフトウェアは、モニターのアクティブなリフレッシュ ポイントのすぐ後にとどまり、更新されたばかりのディスプレイ領域に書き込みます。これにより、レンダリング エンジンが遅れたときにモニターのアクティブなリフレッシュ ポイントに「追いつく」ことができる限り、スループットが予測しにくいコピー ルーチンまたはレンダリング エンジンが可能になります。

あるいは、ソフトウェアはアクティブなリフレッシュ ポイントのすぐ先を維持することもできます。どれだけ先を維持するかによって、この方法では、固定された一定の速度でディスプレイをコピーまたはレンダリングするコードが必要になる場合があります。遅延が大きすぎると、モニターがソフトウェアを追い越すことがあり、レンダリング アーティファクトやティアリングなどの原因になります。

Commodore 64やZX Spectrumなどの古典的なシステムのデモ ソフトウェアでは、それぞれのビデオ システムの予測可能な性質を利用して、他の方法では不可能な効果を実現するため、これらの手法が頻繁に使用されていました。