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. 

Esimerkiksi elokuvaprojektorit näyttävät yleensä 24 kuvaa sekunnissa, mutta sama kuva näytetään kahteen tai kolmeen kertaan ennen kuin uusi kuva heijastetaan käyttäen suljinta lampun edessä. Täten elokuvaprojektorin kuvataajuus on 24 kuvaa sekunnissa, mutta sen virkistystaajuus on 48 tai 72 Hz. 

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

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

Kuvaputkinäyttöjen virkistystaajuus 

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 mitä suurempi kuvatarkkuus on, sitä enemmän pyyhkäisyviivoja kuvaputkella on. 

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 videopuskuria muulloin kuin pystysuuntaisen paluun (elektronisuihkun ylös siirtymisen) aikana. Tämä on tarpeen kuvan välkkymisen ja kuvan repeilyn välttämiseksi. Välkkyminen johtuu kehyksen puolivälissä olevan kuvan muuttumisesta ja repeily siitä, että grafiikat muuttuvat nopeammin kuin elektronisuihku ehtii niitä hahmontaa. Joissakin pelikonsoleissa, kuten Famicomissa tai Nintendo Entertaiment Systemissä grafiikat eivät muutu muulloin kuin paluun aikana. (Paluussa elektronitykit sammuvat ja palaavat näytön vasempaan yläkulmaan.)

Nestekidenäyttöjen virkistystaajuus 
Vastoin yleistä luuloa nestekidenäytöillä ei ole välkyntäongelmia. On kuitenkin tarpeen välttää grafiikoiden muuttamista muulloin kuin paluun aikana, jotta vältetään kuvan repeäminen hahmonnettaessa kuvaa 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).

Tietokonenäyttöjen virkistystaajuus 
Pienissä (korkeintaan 15 tuuman) kuvaputkinäytöissä vain harvat huomaavat epämukavuutta virkistystaajuudella 60-72 Hz. Suuremmissa (vähintään 17 tuuman) kuvaputkinäytöissä useimmilla käyttäjillä on pientä epämukavuutta ellei virkistystaajuus ole 72 Hz tai enemmän. Sadan hertsin virkistystaajuus on miellyttävä lähes missä koossa hyvänsä. Asia ei kuitenkaan koske nestekidenäyttöjä. Nestekidenäytön virkistystaajuudeksi sopii sama taajuus kuin kuvataajuudeksi (usein 60 Hz). Tämä ei ole kuitenkaan ongelma, koska nestekidenäytöissä taustavalo on ainut osa, joka voisi tuottaa kuvaputken kaltaista välkyntää ja taustavalojen taajuutena on tavallisesti 200 Hz tai enemmän. 

Eri käyttöjärjestelmissä käytetään erilaisia virkistystaajuuden oletusarvoja. Microsoftin Windows 95:ssä ja Windows 98:ssa virkistystaajuuden oletusarvona on suurin arvo, jota näytön uskotaan tukevan. Windows NT -pohjaisissa käyttöjärjestelmissä, kuten Windows 2000:ssa ja sen seuraajissa Windows XP:ssä, Windows Vistassa ja Windows 7:ssa, oletusarvona on vakioarvo: yleensä 60 Hz. Monissa Linuxin versioissa käyttäjä voi valitavirkistystaajuuden näytönhallinnan alkuasetusten aikana (xfree86:een sisältyy usein myös esiasetettu virkistystaajuus). Joissakin koko näytön ohjelmissa, kuten monissa peleissä, käyttäjä pystyy valitsemaan virkistystaajuuden ennen koko näytön tilaan siirtymistä. Useimmissa peleissä on kuitenkin esiasetettu kuvatarkkuus ja virkistystaajuus, mutta niitä voi muuttaa pelin asetuksista. 

Vanhat kuvaputkinäytöt voivat vaurioitua, jos käyttäjä asettaa näytönohjaimen virkistystaajuuden näytön tukemaa enimmäisarvoa suuremmaksi. Osa näyttömalleista tunnistaa, jos kuvalähetteen virkistystaajuutta ei tueta.

Dynaaminen virkistystaajuus 
Osassa nestekidenäytöistä virkistystaajuuden pystyy sovittamaan näytönohjaimelle saapuvan lähetteen kuvataajuuden mukaiseksi. Tämän mahdollistavia tekniikoita ovat FreeSync ja G-Sync.

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 

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

Televisiotekniikka
Näyttötekniikka