VRR (Variable Refresh Rate) : le guide complet pour tout comprendre

Que signifie VRR ? C’est quoi le FreeSync ? Comment l’activer ? Le Variable Refresh Rate (VRR) s’est largement démocratisé avec l’arrivée des Xbox Series X et Xbox Series S. Cette « nouvelle » technologie apporte avec elle nombre de termes barbares (FreeSync, G-Sync, Adaptive Sync…) et autant d’interrogations. À quoi ça sert ? Comment ça marche ? Que faut-il faire pour en profiter ? Voilà donc le guide complet qui répond à vos questions.

À quoi sert le Variable Refresh Rate (VRR) ?

Avant toute chose, pour bien comprendre l’objectif et les avantages du VRR, il est nécessaire de s’attarder sur les problèmes que la technologie est censée résoudre. C’est parti pour la minute (ou deux) technique.

On parle ici jeu vidéo. On a donc d’un côté une source (PC, console) et de l’autre un afficheur (moniteur, TV).

Côté source, les PCs et consoles doivent calculer chaque image avant de les envoyer à l’afficheur. Le temps nécessaire à ce calcul dépend de la puissance de la machine et du volume de données à calculer. Ce volume varie constamment au cours du jeu, potentiellement d’une image à l’autre selon que l’on regarde un simple mur ou que l’on assiste à une bataille avec plein d’effets, d’IA, etc.

Côté afficheur, tout écran quel qu’il soit affiche le flux qu’il reçoit à une fréquence fixe qui dépend de ses caractéristiques et de son réglage. Par exemple, un écran 60Hz rafraîchit l’affichage 60 fois par seconde. Chaque image est ainsi affichée en 1/60e de seconde, soit 16,67ms, au cours desquelles l’écran balaye progressivement l’image reçue de haut en bas, une ligne après l’autre (balayage vertical).

Pour résumer, nous avons donc d’un côté une source qui envoie des images à intervalles irréguliers, et de l’autre un écran qui affiche ces images à intervalles parfaitement réguliers. En résultent des phénomènes de désynchronisation auxquels des systèmes tels que V-Sync, G-Sync et FreeSync, ou VRR de manière plus générale, tentent de remédier.

Voici comment devrait s’afficher une image à l’écran

Dans un monde idéal, un développeur arriverait à faire rentrer tout ce qu’il est nécessaire de calculer dans le temps qu’il est nécessaire à l’écran pour afficher chaque image, quoiqu’il se passe dans le jeu. Ainsi, pour un écran 60Hz, chaque image serait calculée en 16ms puis envoyée à l’écran, qui l’afficherait tandis que l’image suivante est calculée dans le même temps, et ainsi de suite. Il en résulterait un jeu tournant parfaitement à 60 images par seconde.

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C’est là tout l’enjeu de “l’optimisation”, si souvent décriée. Mais si le sacro-saint 60fps n’est pas la priorité du développeur, celui-ci peut envisager l’alternative non moins optimisée d’une image calculée tous les 2 rafraîchissements d’écran, et profiter du double de temps, soit 32ms, pour effectuer davantage de calculs. En résulte un jeu tournant à 30 images par seconde, avec potentiellement plus de choses à l’écran, une meilleure IA, une meilleure physique (aaaahhh la physique), mais une image moins fluide en mouvement, l’afficheur répétant alors chaque image une fois.

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L’essentiel est que la source soit synchrone avec l’afficheur, que chaque image soit envoyée en début de rafraîchissement d’écran, même une fois sur deux, mais donc à intervalles parfaitement réguliers.

Le défaut à éviter : le tearing

Que se passe-t-il donc lorsque ce temps de calcul n’est pas stable et se termine au beau milieu d’un cycle de rafraîchissement d’écran ? La source et l’afficheur ne sont plus synchronisés. La source envoie une image alors que l’écran est en train de balayer la précédente. Lorsque l’image en sortie de calcul n’est pas prête en début de rafraîchissement de l’écran, celui-ci commence à balayer à nouveau l’image précédente (restée en mémoire tampon, “framebuffer” en anglais, qui commande l’affichage entre le GPU et l’écran), et finit son balayage avec les informations de l’image suivante lorsque celles-ci sont envoyées. Il en résulte une “déchirure” (“tear” en anglais, ou effet de “tearing”) à l’écran qui affiche à la fois le haut de l’image précédente et le bas de l’image suivante.

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V-Sync : la synchronisation verticale

C’est pour éviter ce phénomène particulièrement désagréable qu’a été conçue la V-Sync, (pour synchronisation verticale, relativement au sens du balayage). Naturellement il a d’abord été souhaité régler les choses côté source plutôt que faire évoluer les normes de l’industrie des moniteurs et TV. À la source de se caler sur l’écran, et pas l’inverse. A donc été créée une technologie retenant simplement chaque image jusqu’au cycle de rafraîchissement d’écran suivant avant d’envoyer l’image. Faisable avec une simple horloge calée sur le rafraîchissement d’écran (réglable par l’utilisateur en PC du fait de la multiplicité des moniteurs ou prédéfini en console car invariable en TV), cela crée néanmoins des micro-saccades et du retard.

• Des micro-saccades, ou “stutter” en anglais, traduit de façon assez imagée par “bégaiement” car chaque image peut alors être répétée plus ou moins de fois que la précédente ou la suivante, nuisant fortement à l’impression de fluidité.
• Du retard, “lag" en anglais, car c’est tout le cycle de calcul qui s’en trouve retardé, attendant que l’image précédente soit envoyée avant d’entamer le calcul de l’image suivante. On est là dans une autre forme d’input lag que celle fréquemment rencontrée dans les spécifications d’écran. Ces derniers (hors cathodiques) mettent en effet un certain temps pour traiter ce qu’ils reçoivent avant d’entamer le balayage. Ces deux formes de retard sont donc malheureusement bel et bien à additionner.

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Comment fonctionne le VRR ?

Rappelons ici que le principe de fréquence de rafraîchissement fixe sur nos moniteurs et TV est un vieil héritage de l’ère des tubes cathodiques, et de leur nécessaire compatibilité avec les réseaux de distribution électrique. D’où les écrans 50Hz en France du fait du réseau EDF et 60Hz aux Etats-Unis par exemple. Cela fait pourtant déjà quelques années, surtout depuis l’avènement du numérique et des écrans LCD en fait, dont la technologie permet de retenir une image à l’écran sans la rafraîchir (contrairement aux tubes cathodiques), que les écrans savent prendre en charge différentes fréquences en entrée. Mais personne ne s’était jusque-là penché sur la possibilité de modifier cette fréquence de rafraîchissement “à la volée”.

C’est alors que, voyant dans l’industrie du “gaming” toujours plus florissante une nouvelle source de clientèle, le monde des TV et moniteurs s’est décidé à sortir de son carcan suranné.

Arrive enfin le VRR, pour Variable Refresh Rate (Fréquence de Rafraîchissement Variable, FRV en bon François), la technologie amie des gamers, ou presque. Rappelez-vous le principe illustré plus haut : “à la source de se caler sur l’écran”. So 2017… Il est désormais possible de faire communiquer ensemble source et afficheur, afin que ce dernier ne rafraîchisse l’affichage que lorsque la source le lui ordonne, donc dès qu’une image est prête. Qu’en résulte-t-il ? Plus de désynchronisation possible. Plus de “tearing”, plus de “stuttering”, pour une impression de fluidité grandement améliorée, et un retard largement diminué.

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Avantages du VRR

Outre les défauts de synchronisation que la techno renvoie au rang de mauvais souvenirs, le VRR permet également des fréquences d’images plus variées ! En effet, si les développeurs visaient jusqu’à aujourd’hui dans leurs jeux des performances (en images par seconde) compatibles des écrans 60Hz, ils n’avaient comme choix que de viser 30 ou 60 fps et faire appel à la V-Sync pour rattraper les aléas. Maintenant nous pouvons voir naître toutes sortes de fréquences d’images intermédiaires ! Imaginez qu’un développeur, pour quelque raison que ce soit, n’arrive pas à faire rentrer tous ses calculs dans les 16ms que requiert le fameux 60fps, mais nécessite continuellement 17ms.

Il proposait jusqu’alors soit un jeu au tearing permanent (injouable), soit un titre bourré de micro-saccades et de lags (inconfortable), ou se rabattait alors sur un mode en 30 fps ultra stable car avec une énorme marge. Eh bien il peut désormais ne plus se casser la tête et lâcher les chevaux, car son jeu tournera dans un parfait 58 fps (17ms par calcul). On ne verra même plus la différence avec le 60 fps !

Réserves à propos du VRR

Ce nouveau paradigme déplace sensiblement l’enjeu de l’optimisation que tout joueur attend d’un développeur, ou tout du moins le VRR peut contribuer à réduire le travail nécessaire en la matière. Toujours est-il que l’on espère que cette technologie ne sera employée que pour rattraper les dérives du code ou les surcharges temporaires, et que la stabilité demeurera un objectif prioritaire des développeurs. On espère également que les studios maintiendront suffisamment d’énergie pour atteindre les meilleures performances possibles, que ceux-ci ne se contenteront pas de ce que permet la technologie pour nous dire que « 50 fps c’est déjà pas mal, c’est toujours mieux que 30 » là où ils auraient avant cela fait la chasse au superflu et réussi à sortir un jeu en 60 fps.

Bonus : le HFR, alias le High Frame Rate

Petit détail qui n’en est pas un, sorti de l’exemple du 60Hz/60fps, la techno embarque avec elle le fameux HFR pour High Frame Rate (Fréquence d’Images Elevée) et peut alors emmener les jeux vers de nouvelles sphères de fluidité, jusqu’à plus de 120 fps !

Amis pro-gamers bonjour ! Oui toi, DarkSephiroth666, qui chantais tes propres louanges à faire tourner CSS à 120 fps sur ton PC master race, avec un écran 60Hz… Tu ne seras plus jamais ridicule ! Enfin presque, car voilà le temps de réponse (temps nécessaire à un pixel pour changer d’état) que les écrans devront atteindre pour n’afficher qu’une seule image à la fois à 120Hz : 8ms, grand max (à ne pas confondre avec l’input lag, rien à voir) ! On oublie donc direct les dalles IPS (+/-16ms) et VA (+/-12ms), soit 90% des afficheurs du marché, on se tourne vers les dalles TN (+/-5ms) mais avec les défauts qu’on leur connait (la luminosité, les angles de vision, etc.), ou alors on met de côté pour un futur écran OLED (<0,1ms) ! Sinon bonjour le ghosting (dédoublement d’image) et autres artefacts en tous genres lors de séquences en mouvement.

Le VRR en application : c’est encore compliqué

Pour en revenir à nos moutons, le principe de VRR est mis en oeuvre de façons somme toute très différentes selon que l’on s’appelle NVIDIA ou AMD, les principaux constructeurs de GPU à même donc d’employer ce nouveau canal de communication entre source et afficheur.

De son côté, NVIDIA propose le G-Sync, un système propriétaire de bout en bout. Cela signifie que l’afficheur doit être équipé d’une puce NVIDIA réceptionnant les données du GPU et commandant l’affichage à l’écran. Les Xbox Series X|S ne sont donc pas compatibles G-Sync.

Ce parti pris de NVIDIA induit une offre d’écrans plus limitée, car il n’est pas gratuit pour un constructeur d’inclure cette technologie dans son produit. Mais cela permet une plus grande maîtrise du catalogue d’écrans en regard de leurs capacités, pour des résultats potentiellement possibles sur une plus grande gamme de fréquences que son concurrent. Aussi, cela permet à NVIDIA d’ajouter des fonctions à son système, comme ils l’ont fait d’emblée avec leur ULMB (Ultra Low Motion Blur) améliorant significativement l’impression de fluidité à de très faibles taux d’images par seconde.

AMD quant à lui répond avec le FreeSync, un système employant un canal de communication totalement ouvert pour faire communiquer ses GPU et les afficheurs : l’Adaptive Sync. Derrière ce nom se cache un standard permettant à une source de commander le rafraîchissement d’écran, et donc la mise en oeuvre du VRR. Supporté par les interfaces DisplayPort dès 1.2a et HDMI dès 2.0 (avec quelques réserves pour le moment que l’on vous détaille juste après), ce standard VESA (Video Electronics Standards Association) a l’énorme avantage d’être ouvert et de n’imposer quasiment aucun surcoût au constructeur souhaitant le proposer. Ainsi, tous les moniteurs employant l’une ou l’autre de ces interfaces, de plus en plus nombreux, se retrouvent de facto potentiellement compatibles FreeSync. L’offre est donc très large, mais le cahier des charges moins maîtrisé, avec donc une efficacité du système davantage dépendante des caractéristiques des moniteurs. AMD tient ainsi sur son site une liste des appareils compatibles et de leurs gammes de fréquences de rafraîchissement utiles au FreeSync.

Côté HDMI, le débit de sa version 2.0 est limité de par sa structure à un flux 4K HDR @60Hz. Il faut donc posséder un écran disposant d’une connectique HDMI 2.1 pour profiter des jeux en 4K HDR et 120Hz. Les Xbox Series X et PS5 sont compatibles avec cette technologie, pourvu que les jeux en tirent profit.

Les consoles Xbox compatibles VRR

Et la Xbox, parlons-en justement, car c’est bien l’arrivée de la prise en charge du VRR sur One qui a motivé la rédaction de ce dossier. En mars 2018, Microsoft annonçait en effet l’arrivée prochaine du VRR sur toutes les consoles de sa gamme, Xbox One X, Xbox One S et Xbox One originale. Chacune d’entre elles embarquant des GPU AMD, c’est donc le FreeSync qui est de la partie, et même FreeSync 2 (compatible HDR) sur One S et One X ! Et c’est une excellente nouvelle, car comme vu précédemment, du fait de l’emploi d’une interface open source, l’offre compatible FreeSync est potentiellement bien plus variée et la techno plus applicable à l’industrie TV !

Depuis, les Xbox Series X et Xbox Series S sont pleinement compatibles avec la technologie VRR.

Quel écran/moniteur compatible VRR choisir ?

La question que vous devez sûrement vous poser maintenant est : mais du coup, avec quel écran est-il possible de profiter de tout ça ?

Vous l’aurez sans doute compris si vous êtes arrivés jusque là, si vous souhaitez profiter du VRR sur moniteur, deux solutions s’offrent à vous, celle de NVIDIA ou celle de AMD. Le choix est donc assez varié, et vous ne devriez pas avoir trop de mal à trouver du matériel compatible.

Côté NVIDIA donc, avec son G-Sync imposant un certain surcoût au constructeur qui doit implanter le module de la marque dans son écran, la gamme ne débute qu’à des prix allant de quelques centaines d’euros et s’étend jusqu’à du haut de gamme à plus 1000€. Attention, nous rappelons que ces produits ne sont pas compatibles VRR sur Xbox, pour cela rendez-vous directement à l’offre compatible FreeSync d’AMD. Vous pouvez retrouver la liste de tous les écrans G-Sync sur le site de NVIDIA.

Côté AMD, du fait de l’emploi d’une interface open source pour leur FreeSync, la gamme est bien plus vaste et plus étendue. Elle débute à à peine plus de 100€ pour aller jusqu’à plus de 2000€ ! Mais attention à la tenue du cahier des charges alors très fluctuante, nous ne saurions que trop vous conseiller de consulter les tests des références qui vous intéressent car la mise en oeuvre du FreeSync peut avoir des limitations très variables d’un modèle à un autre (plage de fréquence utile limitée, seulement disponible en Full HD même sur écran 4K, etc.). Vous pouvez également commencer par la page AMD recensant tous les moniteurs compatibles (voir ici) avec leurs principales caractérisques (dalle, taille, résolution, fréquence de rafraîchissement), elle est très bien faite.

SAMSUNG F22T350FHR - 140€ - Entrée de gamme de la marque mais déjà compatible FreeSync jusqu’à 75Hz, ce moniteur seulement Full HD embarque une dalle IPS et un temps de réponse présenté à 5ms, à faire confirmer par les tests. Mais à 140€, difficile de demander mieux !

LG UltraFine 27UL550 - 300 € - Et voilà un bon début pour profiter du FreeSync avec un écran 4K. LG nous propose ici un écran de 27 pouces avec une dalle IPS compatible avec la technologie HDR 10, et bien sûr, FreeSync.

SAMSUNG ODYSSEY G5 - 460 €

Samsung nous propose ici un écran incurvé de 34 pouces en résolution UHD ultra-large (3440x1440) et allant jusque 165Hz. Une belle pièce !

SAMSUNG ODYSSEY G9 - 1499 €

Et enfin, pour le plaisir, on ne résiste pas à mentionner la dernière bête de Samsung, qui propose ici un écran Extra Large 240 Hz de 49 pouces (!) en 32:9 (!!) et FreeSync Premium Pro (!!!) équipé de leur dernière technologie QLED, et démontrant tout l’intérêt que porte la marque coréenne à la communauté Gaming. Le lien est tout trouvé pour aborder l’offre TV.

Quel écran TV VRR choisir ?

Si vous souhaitez en revanche un téléviseur qui gère toutes ces technologies, le choix est beaucoup plus restreint. Longtemps réservé au PC, le VRR a débarqué dans le monde des consoles via la Xbox One, et maintenant les Xbox Series X|S.

Avec leur port HDMI 2.1, la grande majorité des TV récents permettent de profiter du VRR sur Xbox Series X et Xbox Series S. Les bons modèles de TV Samsung disposent le plus souvent d’un input lag très faible, ce qui est clairement un avantage pour les joueurs. Vous pouvez également foncer sur les modèles OLED de LG qui disposent d’un rapport qualité prix imbattable avec le contraste infini que l’on adore sur les dalles OLED.

L’un de nos coups de coeur est assurément le LG 55C1 qui dispose d’un rapport qualité/prix incroyable. Il est par exemple disponible en promotion chez Fnac ou Cdiscount.

Lexique et définitions

VRR : Variable Refresh Rate, Fréquence de Rafraîchissement Variable, aussi appelé FRV. Nom du principe permettant à un afficheur d’ajuster sa fréquence de rafraîchissement à la volée. Attention ceci n’est pas une norme. Apposé sur un produit, ce terme ne présente aucune garantie de la technologie employée ou des capacités du système.

G-Sync : C’est le nom de la technologie de NVIDIA permettant le VRR à travers un canal de communication propriétaire entre source et afficheur. Source et afficheur doivent être compatibles.

FreeSync : C’est le nom de la technologie de AMD permettant le VRR à travers un canal de communication open source entre source et afficheur. Source et afficheur doivent être compatibles.

Adaptive-Sync : standard VESA (Video Electronics Standards Association) du canal de communication permettant à un afficheur de se synchroniser à la source. Nécessaire pour le FreeSync de AMD.

HFR : High Frame Rate, Fréquence d’Images Élevée. Désigne des fréquences d’images supérieures à 60 images par seconde. Disponible uniquement sur des écrans aux capacités de rafraîchissement supérieures à 60Hz (communément 75Hz, 100Hz, 120Hz, 144Hz).

V-Sync : Synchronisation Verticale. Technologie permettant d’éviter les déchirures d’image à l’écran (aussi appelé communément “tearing”).

Adaptive V-Sync : non abordé dans ce dossier et à ne pas confondre avec Adaptive Sync. Il s’agit de la V-Sync “dynamique" de NVIDIA dont il est possible de régler la plage de fréquence où l’on souhaite qu’elle s’active ou se désactive.

Conclusion

Qu’il est fascinant le monde de l’industrie vidéoludique par moments. Le VRR n’intéressera probablement pas la majorité des joueurs, ses effets ne seront peut-être réellement appréciés que par une minorité d’entre eux, mais force est de constater que nous vivons là une petite révolution. Jamais l’industrie du jeu vidéo n’avait jusqu’alors tant fait bouger les lignes d’une autre industrie aussi grand public et massive que celle des téléviseurs (dans une moindre mesure celle des moniteurs). On assiste ici à la naissance d’un nouveau paradigme, fait de la prise en compte des besoins des joueurs, et uniquement des joueurs, à la base de la conception d’afficheurs, et jusque dans la remise en cause de celle-ci. Une nouvelle démonstration s’il en fallait une de l’ampleur qu’a pris l’industrie vidéoludique ces dernières années.

Comme à notre habitude chez Xboxygen, ce dossier a été préparé avec passion et est le fruit de nombreuses recherches et réflexions sur le sujet. Nous espérons qu’il suffira aussi bien à répondre aux interrogations des plus technophiles qu’à étancher la soif des plus curieux. N’hésitez pas à faire part de vos remarques ou expériences dans les commentaires !