Was ist: VSync & FastSync & GSync & FreeSync

Bestimmt ist Dir das schon Mal passiert: Du spielst Dein Lieblingsspiel und rasche Bewegungen oder Kammeraschwenks lösen ein sichtbares Artefakt irgendwo in der Bildmitte aus. Eine horizontale Linie trennt offenbar zwei leicht voneinander verschobene Bildinhalte. Die Bildausgabe der GPU zum Monitor läuft nicht mehr synchron mit dessen Refresh-Rate (Hz). Doch welche Mechanismen verbergen sich dahinter?

V-Sync beseitigt zwar die ästhetische Unannehmlichkeit, schafft dafür aber neue Problemfelder. Vor allem Liebhaber kompetitiver Spiele wie 3D-Shooter oder schneller RTS-Games meiden den Input-Lag wie der Teufel das Weihwasser. Immerhin können die auch für Gelegenheitszocker spürbaren Verzögerungen von Tastenschlägen und Klicks in brenzligen Situationen den Sieg kosten. Seit jeher suchten Hersteller von Gaming-Monitoren in Zusammenarbeit mit den GPU-Platzhirschen Nvidia und AMD nach Lösungen, das Spielerlebnis auf ein möglichst optimales Level zu bringen.

V-Sync existiert inzwischen längst in unterschiedlichen Varianten. Auch der neuste Wurf von Nvidia, genannt FastSync, gilt nicht als Allheilmittel und bleibt ein Spezialist für besondere Aufgaben. Die Schuld am Input-Lag trägt allerdings nicht die GPU und das Synchronisationsverfahren alleine. Ebenso beteiligen sich Eingabegeräte und Monitore. Deren Signalverarbeitung stellt abhängig vom Modell einen zusätzlichen Flaschenhals dar.

V-Sync – wie funktioniert das Prinzip?

Die Vertikale Synchronisation greift in die zyklische GPU-Ausgabe der Frames (Rendering) am Bildschirm ein. Viele Standard-Geräte arbeiten heutzutage mit einer Wiederholrate von 60 Hz. Gamer-Displays locken hingegen mit deutlich höheren Werten wie 120, 144 oder gar 240 Hertz. Die Hz-Zahl steht für die darstellbaren Bilder pro Sekunde (60 Hz = 60 fps). Je höher die ausfällt, desto performanter zeigt sich das Display und desto klarer und flüssiger fällt die Darstellung der Inhalte aus – inklusive niedriger Latenzen bei der Eingabe von Befehlen.

Deaktiviert

Ohne V-Sync arbeiten Grafikkarten mit einem zweifachen Framespeicher (Buffer). Dem Front-Buffer für die direkte Übertragung an den Monitor sowie dem Back-Buffer für die Berechnung des darauf folgenden Bildes. Bei einem 60-Hz-Bildschirm benötigt der Monitor für die zeilenweise Generierung (von oben nach unten) exakt 1/60 einer Sekunde. Ohne Synchronisation ignoriert die Grafikkarte diese technische Charakteristik und schickt unvermittelt ohne Abzuwarten das aktuell fertiggestellte Bild an den Monitor.

Als Resultat entstehen durch diese Art Auffahrunfall Risse, auch Tearing genannt, bei den gekreuzten Bildern.

Aktiviert

Da der Front-Buffer für den Zeitraum der Wiedergabe am Monitor nun nicht mehr beschrieben werden darf, muss die GPU den Back-Buffer für seine Rechenarbeit verwenden. Ist das Frame dort fertiggestellt und eingelagert, stellt die Grafikkarte die Arbeit komplett ein, bis endlich der Front-Buffer sich für die Abnahme des gerenderten Bildes bereit zeigt. Im praktischen Betrieb werden die Speicherinhalte nicht tatsächlich zwischen beiden Frame-Buffern verschoben, sondern wechselnd per Swap-Prinzip zugunsten der Performance ausgelesen.

Wird das Zeitfenster für die Berechnung nach Ablauf von 1/60s (16,6 ms) zum nächsten Refresh verfehlt, entsteht eine zeitliche Blockade exakt dieser Größe. Das bereits angezeigte Frame auf dem Bildschirm wird einfach nochmal für exakt diesen Zeitrahmen angezeigt, damit die GPU Zeit zur Fertigstellung des unfertigen Materials hat. Dieser Vorgang verhindert das Überstülpen eines neuen Bildes während der laufenden Übertragung.

Tearing wird so effektiv vorgebeugt.

Welche Vor- und Nachteile bringt V-Sync?

Tendenziell ist VSync also eine prima Sache. Allerdings existieren auch klare Nachteile beim Einsatz dieser Technik. Tearing tritt selbst dann nicht auf, wenn die Grafikkarte der Bildrate vom Monitor hinterherhinkt. Anstelle eines Auffahrunfalls entsteht deshalb ein Stau: Das bereits gezeigte Frame wird einfach erneut dargestellt und als Mikrostottern wahrgenommen.

Sobald die GPU-Leistung oder Game-Engine die optimale FPS-Zahl für den Betrieb nicht rechtzeitig liefern kann, beginnt das unruhige Schauspiel auf der Bildschirm. Zudem erhöht sich der Input-Lag alleine durch diese Darstellungsmethode zusätzlich um 1/60s auf 2/60s. Selbst bei schnellen GPUs kann VSync jedoch zu leichtem Stottern führen, da sie bei gefülltem Back-Buffer die Arbeit komplett einstellt und in Wartestellung verharrt.

Produziert wird nur auf Anfrage, nicht im Voraus. Dieser im Fachjargon genannte „Backpressure“ treibt die Verzögerungen zusätzlich in die Höhe. Das volle Potenzial der Karte wird also gar nicht abgefragt und unerwartete Engpässe bei der Bildberechnung können nicht vorzeitig abgefangen werden.

Der Vorteil liegt dagegen klar auf der Hand: Trotz nicht völlig auszuschließenden Mikrorucklern bleibt die Wiedergabe über lange Zeit sehr geschmeidig – zumindest in gut programmierten Spielen. Bei nicht kompetitiven Games stellt die Technik also weiterhin eine attraktive Option für Zocker dar.

Pro-Gamer aus der eSports-Szene und ambitionierte Amateure sehen in dem durchaus spürbaren Input-Lag jedoch häufig einen markanten Wettbewerbsnachteil bei virtuellen Gefechten. Aus diesem Grund wird bei Spielen mit hohen Anforderungen an das Reaktionsvermögen vorzugsweise mit deaktiviertem VSync gespielt (z.B CS:GO).

Ein echtes Handicap ist VSync im laufenden Betrieb nur dann, wenn ein Gegner das kurze Zeitfenster regelmäßig zu seinem Vorteil ausnutzen kann. Es kommt also auch auf das Niveau an, in dem Du bevorzugt spielst. Doch inzwischen verfügen Eigentümer aktueller Gaming-Hardware interessante Alternativen.

Verwirrende Vielfalt im Detail

Die einfachen Zeiten zwischen aktiver und deaktiviert Synchronisation gehören längst der Vergangenheit an. Es existieren mehrere und speziell für Ansprüche von Gamern sehr interessante Modi.

Adaptives V-Sync

Schon etwas Älter und immer noch durchaus nützlich ist Nvidias Adaptive-V-Sync-Variante. Wird die maximale Bildrate vom Monitor erreicht, schaltet sich V-Sync automatisch an und verhindert so das hässliche Tearing. Wird die Hz-Zahl nicht rechtzeitig mit adäquaten FPS abgedeckt, reduziert sich in manchen Anwendungen die Bildrate auf den nächsten gemeinsamen Nenner. Aus 60 Bildern pro Sekunde werden plötzlich 30 fps.

Verfehlt die Grafikkarte also tendenziell ihr Ziel zur Aufrechterhaltung der optimalen Bildrate nur knapp, hat dies massive Einbrüche zur Folge. Adaptives-V-Sync deaktiviert daher die Synchronisation immer genau dann, wenn diese kritische Schwelle unterschritten wird. FPS-Einbrüche bleiben aus, der Input-Lag erhöht sich nicht, aber dafür entsteht in dieser Phase erneut das Tearing.

FastSync

Eine neue Variante setzt auf das aus Spielen mit OpenGL-Unterstützung bekannte Triple Buffering. Allerdings erzeugt FastSync keinerlei Blockade (Backpressure) auf die Spielengine und GPU bei der Berechnung der einzelnen Bilder. Trotzdem erfolgt eine nachträgliche Synchronisation bei der Ausgabe. Bei dieser Methode kommen ein Front-Buffer (zuletzt generiertes Bild) sowie zwei Back-Buffer zum Einsatz.

Während ein Back-Buffer ständig Speicherplatz für die aktuelle Berechnung von Bildern zur Verfügung stellt, dient der zweite Back-Buffer als Vorhaltestation für bereits fertige Frames. Dieser Vorrat wird aber permanent verworfen und stets durch das aktuellste Resultat der Berechnungen aufgefrischt. Hat der Front-Buffer zeitlich seine Übertragung (60 Hz = 1/60s) an den Monitor abgeschlossen, werden alle Einzelbilder bis auf das neuste Ergebnis in der Back-Buffer-Warteschlange übersprungen.

Diese Art von Vordrängeln führt natürlich zu visuellen Sprüngen, die vor allem bei niedrigen FPS-Werten hin und wieder als unruhiges Stottern auffallen. Bei sehr hohen Bildraten fällt diese Eigenart hingegen weniger ins Gewicht. Der große Vorteil: Das System läuft auf maximaler Leistung und wird nicht künstlich ausgebremst. Lediglich die Einzelbilder werden nach Aktualität selektiert und synchron an den Monitor übertragen.

Tearing fällt weg und der Input-Lag liegt fast auf dem Niveau bei Spielen mit deaktivierter Synchronisation. FastSync ist der bislang beste Kompromiss für anspruchsvolle eSports-Spieler aus Bildqualität und Performance. Ähnlich arbeitende Äquivalente bietet auch AMD im Grafikkartentreiber unter anderer Bezeichnung an.

GSync (Nvidia) und FreeSync (AMD)

Beide Bezeichnungen zielen auf die gleiche Technik ab: Die Probleme bei der reibungslosen Synchronisation rühren von der starren Vorgabe des Monitors bezüglich der zu erreichenden Bilder pro Sekunde her. In der Praxis funktionieren Computerspiele aber nicht so linear. Die Grafikleistung schwankt je nach den dargestellten Inhalten dynamisch. Gedeckelt wird diese Schwachstelle durch übermäßig starke GPUs, die nahezu immer die erforderlichen FPS liefern.

GSync ist ein proprietäres System von Nvidia, während AMD mit FreeSync auf einen offenen und günstigeren Standard setzt. Gaming-Monitore und Grafikkarten müssen für eine der beiden Technologien zertifiziert sein, sonst stehen sie nicht für Dich zur Auswahl.

Kompatibel sind beide Lösungen trotz des eigentlich identischen Verfahrens nicht miteinander. Bildschirme kommunizieren mit der Grafikkarte und passen ihre Hz-Frequenz an die tatsächliche GPU-Geschwindigkeit an. Variable Frameraten sorgen so nicht länger für erhöhten Input-Lag. Gleichzeitig bleiben V-Sync-Stottern und Tearing dem Spielerlebnis fern.

GSync HDR und FreeSync 2

Zunächst ist es für viele Neulinge auf dem Terrain schwer vorstellbar – wer jedoch schon Fotos mit seinem Smartphone angefertigt hat, kennt die Problematik: Dynamic Range ist in der digitalen Technik heute oftmals beschränkt. Die Fähigkeit, helle und dunkle Bereiche gleichzeitig und gut durchzeichnet wahrzunehmen, ist eine wichtige Charakteristik des menschlichen Auges. Aktuelle Monitore verfügen nur über eine eingeschränkte Wiedergabefähigkeit diesbezüglich.

Für eine deutlich detailreichere Darstellung in Höhen und Tiefen der Helligkeitsskala soll die neue HDR-Technik für moderne Zocker-Bildschirme sorgen. Abseits der nativen Auflösung gilt dies als handfestes Kaufargument für Premium-Geräte, die vorerst extreme Enthusiasten als Zielgruppe haben dürften. Ein sichtbar erhöhter Farbraum gegenüber den weit verbreiteten sRGB-Modellen wird damit Realität. Sogar dem Industriestandard für Filme (DCI-P3) sollen neue Geräte sehr nahe kommen.

Einige Spielentwickler beschäftigen sich bereits mit der Technologie und optimieren Inhalte auf die neuen Möglichkeiten. Ohne speziell ausgerichtete Software kommen die Vorzüge der Bildschirme allerdings nicht zur Geltung. Mit FreeSync 2 und G-Sync HDR würzen die bekannten GPU-Entwickler nun die adaptive Hz-Rate von Gaming-Bildschirmen mit HDR-Darstellung.

AMDs Ansatz fällt dabei etwas weniger offen als beim Vorläufer aus. Grund dafür ist die sehr ungenaue Spezifikation von HDR in neuen Displays. Ohne ausreichende Kontrolle könnte jeder Hersteller eigene Spezifikationen als vollwertiges HDR verkaufen – zu unsicher nach Ansicht von AMD.

Um die gewünschte Qualität zu gewährleisten, müssen spezielle Geräte von AMD also eine direkte Auszeichnung erhalten. Eine ausreichende Steigerung in Helligkeit und Farbumfang soll damit garantiert werden.

HDR-Bildschirme erzeugen ursprünglich einen erhöhten Input-Lag, da sie das vollwertige HDR-Signal von der Grafikkarte mit einem internen Tone-Mapping auf das tatsächlich darstellbare Niveau abgleichen. Doch dieser Nebeneffekt steht natürlich entgegengesetzt zu den Erwartungen von Highend-Gamern.

FreeSync 2 nimmt dem Monitor diese Arbeit ab und passt das Signal bereits über eine neue API vorab häppchengerecht an. Außerdem aktivieren Spiele zukünftig FreeSync 2 automatisch via eigenem Farbprofil. So bleiben die Einstellungen auf dem Desktop völlig unbeeinträchtigt, während Zocker sich nach dem Spielstart nicht mehr um die Korrektur der Grafikeinstellungen sorgen müssen. Nachträgliche Experimente in den Optionen und zusätzliche Verzögerungen bei der Steuerung entfallen.

Alle älteren FreeSync-GPUs können mit dieser neuen Variante umgehen, sofern ein kompatibler Gaming-Monitor und passende Software bereit liegen. Der Griff zur neusten Grafikkartengeneration von AMD bleibt Nutzern also zumindest theoretisch erspart. Während Nvidia keine Angaben bezüglich des Verfahrens beim Tone-Mapping macht, wirbt es mit einer anderen Spezialität.

Die Hintergrundbeleuchtung von Nvidia ausgezeichneten Geräten teilt sich in 384 Einzelareale auf, die individuell angesteuert werden. So soll ein noch authentischeres Gefühl von Helligkeit und Finsternis entstehen und dem ohnehin schon begehrenswerten HDR-Look den letzten Schliff verleihen. Beide Konkurrenten kündigen aber prinzipiell eine massive Steigerung gegenüber normalen sRGB-Displays an.

Farbraum und Helligkeit übertreffen diese dabei mindestens um den zweifachen Faktor. Nvidia hat den Verkauf von entsprechenden Geräten im Lauf des Jahres 2018 vorgesehen. Zertifizierte Produkte für AMDs FreeSync 2 existieren bereits seit Ende 2017 vereinzelt auf dem Markt. Die Funktionalität von einfachem GSync und FreeSync bleibt bei beiden Systemen dabei vollständig erhalten.

Blur-Reduction & VSYNC

Seit einigen Jahren liegen Gaming-Displays im Trend, die eine unerwünschte Eigenart aller heutigen LCD-Bildschirme effizient bekämpfen: die Bewegungsunschärfe. Technisch gesehen arbeitet ein LCD-Bildschirm nach dem Hold-Steady-Verfahren.

Ein Flüssigkeitskristall hält immer seine derzeitige Ausrichtung und verändert diese erst auf Anweisung z. B. von einem dunkelroten hin zu einem hellgrünen Bildpunkt. Der fliesende Übergang zwischen Anfang und Ende bleibt allerdings für das menschliche Auge erkennbar.

Früher versuchten Produzenten hauptsächlich, mit extremen Reaktionszeiten der TN-Panels den gut sichtbaren Schlieren beim Scrollen und Schwenken entgegenzuwirken. Doch die eigentliche Lösung kam mit der Einführung von Nvidia Lightboost und 3D-Vision – ursprünglich konzipiert für die Nutzung von 3D-fähigen Inhalten.

Die Übergänge werden schlicht mithilfe eines schwarzen Bildes ausgeblendet. Allerdings führt dies zugleich das Bildflimmern der ausgestorbenen CRT-Monitore wieder ein. Nur eine ausreichend hohe Bildrate kaschiert diese Nebenwirkung. Gleichzeitig führen die schwarzen Bilder zu einem Helligkeitsverlust – das Gerät sollte daher besser über eine ausreichend starke LED-Beleuchtung verfügen.

Hersteller greifen zu kreativen Bezeichnungen wie ULMB (Ultra Low Motion Blur), LightBoost, LG Motion240, Eizo Turbo240 oder ELMB (Extrem Low Motion Blur) – um nur einige zu nennen. Damit dieses Feature sinnvoll und für die Augen verträglich arbeiten kann, braucht es hohe Bildraten ab 120 FPS und somit mindestens 120-Hz-Bildschirme. Vor allem für moderne Titel gehört ein extrem leistungsstarker PC daher zur Pflichtausstattung.

VSync scheint zunächst das einzige Mittel, um den Betrieb per Lightboost optimal zu gewährleisten. Schwankungen in der Bildrate äußern sich rasch in Mikrorucklern und Flimmern in der Darstellung. Sogar die Mausbewegung wird sichtbar in Mitleidenschaft gezogen. Die stroboskope Hintergrundbeleuchtung führt außerdem zu sichtbaren Lücken bei der Mausführung. Je höher die Polling-Rate der Maus, desto stärker sind diese Sprünge erkennbar.

Grund dafür ist der asynchrone Betrieb von Maus und Frame-Rate. Manche Engines trennen das Interface von der eigentlichen 3D-Wiedergabe, um solche Probleme auszuschließen. Eine langsame Polling-Rate führt allerdings zu erhöhtem Input-Lag bei der Bedienung, der durch Vsync ohnehin schon gegeben ist.

Nvidia empfiehlt daher trotz der Schönheitsfehler eine hohe Hz-Frequenz für die Mouse-Kommunikation. Alternativ kann ein FPS-Limiter wie der MSI Afterburner mit Rivatuner Statistics Server (RTSS) die maximalen Frames entsprechend der Bildwiederholrate begrenzen. Zwar laufen diese nicht perfekt Synchron (Tearing möglich), dafür entfällt aber auch der typische V-Sync-Lag. Einige Spiele wie CS:GO bieten dies Option sogar spielintern an.

Blurbusters Motion-Test

Die theoretische Abhandlung über Synchronisation, Verzögerung und Tearing sorgt bei Neulingen auf dem Terrain rasch für Verwirrung. Auf TestUFO kannst Du fast alle Effekte per Software-Simulation direkt an Deinem PC beobachten. Achte darauf, dass Dein Webbrowser die notwendigen Anforderungen erfüllt.

Per Drop-Down-Liste selektierst Du unterschiedliche Szenarien, die mit aktiviertem und deaktiviertem VSync auftreten können. Von leichten Mikrorucklern bis hin zum Worst-Case-Szenario ist alles vertreten. Zudem erhältst Du eine aufschlussreiche Demonstration von der Arbeitsweise der dynamischen Bildratenanpassung über GSYNC/FreeSync.

Achtung: Eine kleine Informationsleiste unterhalb der Präsentation signalisiert Dir, ob Dein Webbrowser derzeit über genügend Leistung für die korrekte Wiedergabe verfügt. Gib nach Deiner Auswahl dem Motion-Test ein paar Sekunden Zeit und beende andere Anwendungen im Hintergrund. In der Regel verfliegen anfängliche Fehler recht schnell.