Latence, Hz, framerate, input lag : quels sont les paramètres réellement importants dans un jeu vidéo

 

Vous êtes joueuse ou joueur ? Alors vous savez sans doute que la latence est l’ennemi juré, nous donnant un coup de retard sur nos adversaires et impactant l’expérience de jeu tout autant que l’immersion. Outre le ping sur les jeux multijoueur en ligne, il y a bien d’autres paramètres qui entrent dans l’équation : l’heure est venue de les passer en revue !

Latence, Hz, framerate, input lag : quels sont les paramètres réellement importants dans un jeu vidéo

Dans les jeux vidéo, il nous est souvent nécessaire de trouver le bon équilibre entre qualité d’image et performances afin d’obtenir la meilleure expérience de jeu possible. La balance diverge assez largement selon les exigences et les matériels de chacun, mais aussi selon le type de jeu visé. En règle générale la réactivité et la fluidité extrême sont privilégiées par les joueurs compétitifs, parfois quitte à tirer la qualité d’image vers le bas, voire même à la sacrifier. Dans le cas inverse, on se contente de peu en matière de performances lorsque l’on cherche à pousser la qualité et autres détails graphiques au maximum, pour tirer parti d’un jeu à haut budget, du ray-tracing, ou encore d’un moniteur ou d’un téléviseur 4K !

Comment évaluer les performances dans un jeu vidéo ? Il y a encore beaucoup de confusions sur ce que sont fluidité, réactivité, temps de réponse, input lag, etc., ainsi que sur les facteurs prépondérants qui peuvent affecter l’expérience de jeu, qu’ils se trouvent du côté de votre machine de jeu, des périphériques (souris, clavier, manette), de la connexion, ou de l’affichage. Le moment est donc venu pour nous de faire le point sur ce sujet, avec à la clé une meilleure compréhension de tous ces éléments, quelques conseils pour optimiser votre système et au final saisir pourquoi les acteurs du marché gaming mettent le paquet à propos des performances, sans pour autant nous dépeindre de manière fiable et précise l’intégralité du tableau.

Latence : de quoi parle-t-on ?

À entendre le mot latence, on pense généralement d’abord au ping et à la latence réseau : le fameux lag en pleine session sur un jeu en ligne. Ce n’est toutefois pas de cette latence réseau que nous souhaitons parler ici, mais bien de la latence système. Dans les deux cas le terme désigne une même notion, à savoir le délai nécessaire à ce que votre système génère un rendu et que vos actions s’y répercutent, ou le délai de transmission des données entre votre PC et le serveur dans le cas de la latence réseau.

La latence réseau, ou lag, est le temps de réponse entre le jeu et le serveur

La latence réseau, ou lag, est le temps de réponse entre le jeu et le serveur

Exprimée en milliseconde, la latence se retrouve un peu partout dans l’univers hardware et est particulièrement mise en avant lorsqu’il s’agit de proposer des composants et des périphériques aux joueurs. On parle ainsi de latence en matière de mémoire RAM et mémoire vidéo pour le GPU, mais aussi en ce qui concerne le stockage avec les disques durs et SSD, les moniteurs (et téléviseurs), et bien sûr les périphériques.

Écrans, périphériques, composants : qui est responsable de quoi ?

La latence système peut être divisée en trois parties distinctes : celle liée aux périphériques, aux composants de la machine, et enfin à l’affichage. Pour résumer brièvement, nous sommes d’abord contraints par la latence du pipeline de rendu, autrement dit le temps nécessaire à votre machine pour exécuter une tâche et afficher le résultat à l’écran, et une latence qui fait directement référence à l’utilisateur avec l’input lag, ou décalage d’entrée, qui désigne le temps entre une action de l’utilisateur et sa répercussion à l’écran.

De la souris aux pixels, la latence vient de multiples sources

De la souris aux pixels, la latence vient de multiples sources

Carte graphique, processeur et mémoire vive ne sont pas les seules responsables de la latence système ! Le système d’exploitation et le support de stockage sont également deux éléments déterminants : du côté logiciel, une latence supplémentaire peut par exemple être observée avec des pilotes obsolètes, tandis qu’un mode d’affichage fenêtré fait appel au gestionnaire de fenêtres du bureau (Desktop Window Manager), ce qui risque d’ajouter à la latence par rapport au mode plein écran. Les performances liées au stockage ont quant à elles significativement été réduites depuis la démocratisation des SSD. Alors qu’un disque dur mécanique fonctionnant à 7 200 tr/min présente une latence moyenne de 18 ms, un SSD se trouve lui sous la barre des 100 microsecondes, un large fossé qui montre bien pourquoi le SSD est si populaire, pour les PC de bureau comme les machines pour joueurs et les consoles !

De nombreuses optimisations peuvent être mises en place pour réduire la latence système, mais au final le constat est toujours le même lorsque l’on se penche sur le matériel : moins il est performant et véloce, plus il faudra faire de concessions pour réduire la latence au minimum. Cela signifie qu’il sera préférable d’abaisser la qualité graphique du jeu au profit des performances ; notons par ailleurs qu’un overclocking GPU et CPU peut se révéler utile pour gagner quelques millisecondes et réduire la latence système. Logiquement, la latence générée par le système, ainsi que celle inhérente au moteur de rendu du jeu, est bien plus importante que ce que l’on constate avec les périphériques et moniteurs de jeu. Le tout reste cependant intimement lié, ce pour quoi il est nécessaire de bien choisir ses composants, par exemple en préférant installer l’OS et les jeux sur un SSD, en optant pour le bon couple CPU/GPU afin d’éviter tout bottleneck (goulot d’étranglement), ou encore un moniteur avec une définition cohérente par rapport à ce couple.

Un composant sous performant peut créer un goulot d’étranglement

Un composant sous performant peut créer un goulot d’étranglement

Nous n’allons pas entrer davantage dans les détails concernant le fonctionnement d’un PC et la façon dont carte graphique et processeur agissent de concert pour effectuer les tâches qui leur sont confiées, mais regarder de plus près ce qu’est l’input lag et pourquoi est-il aussi important. En fin d’article, nous prendrons un peu de recul sur le sujet afin de voir si des solutions s’offrent à nous pour réduire la latence.

Ce qu’il faut savoir sur l’input lag

La première chose à savoir est bête et méchante : l’input lag ne peut être éliminé ou amené à zéro, il est juste possible de le diminuer via certaines optimisations, en améliorant sa configuration, ou en choisissant du matériel adéquat.

Le polling rate : des Hertz par milliers

Ci-dessus, nous avons volontairement fait la distinction entre input lag et latence système, mais ces deux éléments sont bien les deux faces d’une même pièce. On entend beaucoup parler d’input lag en ce qui concerne les souris gaming et les moniteurs. Dans le cas d’une souris, le délai pour enregistrer et transmettre un clic s’ajoute au délai nécessaire au système pour traiter cette action. Il en va de même pour l’écran : il reçoit et traite les informations fournies par le GPU afin de mettre en mouvement les pixels à l’écran. Moins la latence système est élevée, plus ces deux périphériques réaliseront leur tâche rapidement. Ils conservent toutefois un délai qui leur est propre, c’est ici que l’on parle de polling rate pour une souris.

Le polling rate influence la latence du périphérique

Le polling rate influence la latence du périphérique

Exprimé en Hertz, il indique le taux d’interrogation (la fréquence) par seconde auquel la souris transmet sa position au CPU. Plus ce taux est élevé, plus le décalage d’entrée est court. Les souris bureautiques ne montent généralement pas à plus de 125 Hz, tandis que le standard pour une souris gaming est aujourd’hui fixé à 1 000 Hz : elles sont interrogées pas moins de 1 000 fois par seconde, soit à chaque milliseconde !

Une telle souris requiert des ressources CPU supplémentaires, chose qui pouvait poser des problèmes de surconsommation lorsque cette cadence élevée est apparue sur le marché à l’époque. Aujourd’hui, les fabricants tendent à toujours aller plus haut avec une cadence de 2 000 Hz pour certains, voir 8 000 Hz pour la Razer Viper ! Inutile de préciser que le processeur sera d’autant plus sollicité avec ce rythme d’interrogation de 1/8e milliseconde. Chose moins évidente : une souris à 1 000 Hz est loin d’être l’élément le plus impactant de la chaine de la latence système, dans tous les cas le gain entre une souris gaming classique et celle de Razer par exemple est inférieur à une milliseconde, au mieux préviendra-t-elle les effets de micro-stutterring. Profitons-en pour embrayer sur la question du moniteur : la grande majorité des moniteurs gaming affiche une cadence de 144 Hz, ce qui correspond à un affichage rafraîchit toutes les 7 millisecondes. Des éléments à garder en tête pour mieux comprendre le discours marketing qui entour les périphériques « gaming ».

Framerate, refresh rate, temps de réponse, overdrive : performances à tout prix

L’avalanche de termes, de technologies et d’autres solutions peut s’avérer troublante pour les novices. Il s’agit de savoir à quoi tout cela correspond et en quoi c’est important. L’écran PC, comme le téléviseur, est déterminant pour les joueurs : c’est le dernier maillon de la chaine, celui qui est directement devant nos yeux.

Le moniteur est sujet à l’input lag, sa principale composante étant le délai entre l’envoi d’une image par la carte graphique et son affichage à l’écran. C’est néanmoins sur le décalage lié au moniteur lui-même sur lequel nous allons nous concentrer, à commencer par son fameux temps de réponse.

Quelle est la différence entre input lag et temps de réponse ?

Car il faut bien faire la différence entre l’input lag et le délai lié au temps de réponse. Le premier est une latence ressentie (délai entre un clic et sa répercussion à l’écran) qui peut affecter notre réactivité. Il peut provenir du temps de traitement de l’image envoyée par le PC ou la console par le moniteur, notamment les téléviseurs avec beaucoup d’électronique. Le second est davantage une latence visuelle que l’on constate au niveau de la sensation de fluidité et de notre perception du flou de mouvement et des artefacts qui s’y rapportent. Plus précisément, le temps de réponse est le délai nécessaire aux pixels pour passer d’un état à un autre, par exemple pour passer du noir au blanc, puis du blanc au noir.

Le temps de réponse : une course à la milliseconde

Les fabricants n’hésitent pas à afficher des temps de réponse très courts pour leurs moniteurs, à 1 ms, voire moins. Sans outil de mesure spécialisé, le consommateur ne peut pas vérifier la pertinence de ces affirmations, seuls les tests et revues techniques permettent de savoir plus précisément à quoi s’attendre pour un modèle donné.

Nous avons donc des fabricants qui cherchent à afficher le chiffre le plus bas possible sur les fiches techniques des produits, mais des mesures qui, en réalité, sont généralement moins flatteuses. La raison est simple : il n’existe à l’heure actuelle aucun standard de mesures pour les fabricants, certains évoquent donc un temps de réponse GtG (gris-à-gris), autrement dit le temps pour un pixel de passer d’une nuance de gris à une autre, là où d’autres affichent une valeur MPRT (Motion Picture Response Time) qui mesure la persistance d’un pixel à l’écran.

Aucune de ces deux valeurs n’est idéale ou représentative d’un usage réel, pourquoi ?

Le temps de réponse MPRT se rapproche plus de ce que l’utilisateur final pourra obtenir, en prenant en compte le taux de rafraîchissement de l’écran, tout autant que ses technologies : les différents types de rétroéclairage des dalles LCD ou l’insertion d’images noires. Il ne permet toutefois pas de déterminer les performances de la dalle sans toutes ses technologies, qui ne sont pas toujours désactivables.

Le temps de latence d’un écran se réfère à la persistance des pixels, créant le flou de mouvement.

Le temps de latence d’un écran se réfère à la persistance des pixels, créant le flou de mouvement.

Le temps de réponse GtG est tout aussi éloigné de la réalité, il ne considère que les transitions de gris-à-gris et non du noir (pixel éteint) à blanc ou inversement. La valeur affichée est généralement la plus flatteuse : celle mesurée avec un overdrive, overdrive qui gomme certes le ghosting (la persistance des pixels qui crée une image fantôme), mais induit souvent du reverse ghosting. En clair, toutes les transitions de pixels ne se produisent pas à la même vitesse, si certaines transitions entre différents niveaux de gris atteignent sans doute le chiffre indiqué par le fabricant, les autres sont généralement plus lentes.

Pour résumer, disons que l’on peut se fier aux chiffres annoncés par la marque en sachant à quoi s’en tenir : une valeur imprécise, qui manque de représentativité. Si l’écart se réduit de plus en plus à mesure que les technologies évoluent, le choix d’un moniteur devrait toujours se porter d’abord sur son type de dalle : IPS, VA, TN, ou même OLED. Il existe en effet de fortes disparités entre ces dalles, au niveau du contraste, de la luminosité, des angles de vue, mais aussi en matière de vitesse et de transition de pixels.

L’intérêt de l’overdrive

Difficile de clore ce paragraphe sur le temps de réponse sans évoquer l’overdrive, aujourd’hui présent sur une grande majorité de moniteurs estampillés gaming. Il permet de diminuer le temps de réponse et donc la rémanence d’un écran grâce à un système qui applique une surtension électrique aux cristaux liquides dans le but de les faire changer d’état plus rapidement. Accessible au sein de l’OSD des moniteurs qui en sont équipés, il peut généralement être ajusté sur plusieurs paliers.

La gestion de l’overdrive n’atteint toutefois pas la même qualité selon les marques et les moniteurs. L’augmentation de la tension électrique implique parfois un overshoot, il s’agit d’une situation où le pixel dépasse l’état souhaité et se retrouve dans une position trop éloignée. Ce phénomène se traduit par un reverse ghosting plus ou moins important selon la surtension appliquée, il en résulte des artefacts parfois plus gênants que le ghosting lui-même.

L’activation de l’overdrive peut créer des problèmes d’overshoot

L’activation de l’overdrive peut créer des problèmes d’overshoot

Ce qu’il faut retenir ici, c’est que plus l’overdrive est ajusté sur une valeur haute, plus vous avez de chances de constater du reverse ghosting. Dans la plupart des cas il est préférable de paramétrer l’overdrive un peu plus bas afin d’éviter tout artefact.

TN, OLED, IPS, VA : c’est quoi le plus rapide ?

Les dalles TN sont encore à l’heure actuelle les plus rapides en matière de temps de réponse sans overdrive. Les dalles IPS et VA parviennent à combler leur retard en appliquant justement un overdrive parfois trop agressif. Les dalles OLED présentent quant à elles un temps de réponse quasi instantané grâce aux pixels autoémissifs, mais les moniteurs de ce type sont encore très rares et onéreux, ce pour quoi beaucoup de joueurs, consoles comme PC, se tournent vers les téléviseurs OLED.

Un mot sur les téléviseurs

Concernant le temps de réponse, les téléviseurs sont soumis aux mêmes problématiques que les moniteurs PC et on retrouve donc les mêmes faiblesses et qualités suivant le type de dalles utilisé. Mais en matière d’input lag, c’est une autre histoire. L’input lag sur un téléviseur peut parfois être dix fois plus important qu’avec un moniteur, pour la simple raison qu’il applique de nombreux traitements à l’image comme les moteurs de compensation de mouvement et de mise à l’échelle, et toutes autres fonctionnalités d’amélioration de l’image. Outre cette problématique, celle du taux de rafraichissement intervient également, avec une majorité de téléviseurs qui se contente de 60 ou 50 Hz.

L’input lag mesuré en mode Jeu sur le LG

L’input lag mesuré en mode Jeu sur le LG

Les processeurs qui animent les téléviseurs apportent des arguments importants pour la visualisation de contenus vidéo par rapport à un simple moniteur, mais beaucoup de joueurs consoles continuent de privilégier le moniteur afin d’obtenir un meilleur rapport entre performances, prix et diagonale. La chose est cependant de moins en moins vraie, si bien que même certains joueurs PC privilégient désormais le téléviseur.

La réponse des grands noms du téléviseur pour séduire davantage les joueurs a d’abord consisté au déploiement d’un mode jeu. Celui-ci désactive tout ou en partie les traitements d’image, ce qui a pour résultat de faire chuter drastiquement l’input lag.

Latence, Hz, framerate, input lag : quels sont les paramètres réellement importants dans un jeu vidéo

 

L’arrivée de l’HDMI 2.1 et sa bande passante de 48 Gbps a également modifié la donne : cette nouvelle norme permet de profiter de la définition 4K à 120 Hz et du VRR, ou encore de l’ALLM (Auto Low Latency Mode) qui détecte consoles et PC pour passer automatiquement en mode jeu. Il existe toujours un certain fossé entre téléviseur et moniteur dans le cadre d’un usage compétitif, mais force est de constater que bien des efforts ont été fournis, autant du côté de la plateforme avec les PlayStation 5 et Xbox Series X|S, que du téléviseur en lui-même.

Hélas, bon nombre de téléviseurs bon marché ne disposent pas de ces arguments et restituent une mauvaise expérience gaming. On ne va pas se cacher que la plus importante problématique reste aujourd’hui le tarif : les meilleurs téléviseurs gaming, OLED ou non, demandent généralement un investissement conséquent !

Taux de rafraichissement et nombre d’images par seconde

Nous n’en avons pas terminé avec latence et input lag ; derniers éléments à saisir et sans doute les plus importants : le taux de rafraichissement, ou refresh rate, et le nombre d’images par seconde, que l’on connait surtout sous l’abréviation FPS pour Frame Per Seconds.

Dans l’absolu, les choses semblent très simples : un écran avec une fréquence de 60 Hz peut afficher au maximum 60 images par seconde. C’est vrai, mais il y a des subtilités à connaitre.

À l’instar du polling rate de la souris, le taux de rafraîchissement de l’écran s’exprime en Hertz et résulte sur une latence inhérente à cette cadence. Un écran de 60 Hz présente par exemple une latence de 16,66 ms, un chiffre qui tombe à 6,94 ms pour une dalle 144 Hz, 4,16 ms pour 240 Hz, ou encore 2,77 ms pour un écran de 360 Hz.

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Plus la valeur en Hertz est haute, plus le moniteur est capable de proposer un affichage fluide. Faut-il encore que le PC ou la console connectée au moniteur parvienne à suivre la cadence, d’où l’intérêt de choisir son écran en fonction de son matériel et vice-versa. Pour profiter pleinement du refresh rate de 240 Hz d’un moniteur gaming, la carte graphique doit être capable de calculer et transmettre 240 images par seconde. Autant dire que selon les jeux et la qualité graphique définie, la plupart des cartes graphiques peineront à atteindre cette cadence. Alors, pourquoi choisir un tel moniteur ?

Plus il y a de hertz mieux c’est ?

Tout simplement, car en jouant sur la fréquence de rafraichissement du moniteur, on réduit l’input lag qui lui est associée. Cela signifie que même si votre jeu ne tourne pas à plus de 100 FPS, vous profitez d’un décalage d’entrée plus court avec un moniteur qui présente des capacités supérieures. Une fréquence de rafraichissement élevée, appelée HFR (High Frame Rate), ne présente donc pas comme seul intérêt de pouvoir pousser toujours plus loin le nombre d’images par seconde, mais aussi de réduire l’input lag. On le constate d’ailleurs avec les dernières consoles de Sony et Microsoft : alors que la grande majorité des jeux ne tournent pas à plus de 60 fps, on profite tout de même d’une sortie HDMI à 120 Hz.

Latence ressentie et visuelle se rejoignent ici et c’est bien la raison pour laquelle refresh rate et nombre d’images par seconde sont très importants pour les joueurs. Le fait est que le taux de rafraichissement d’un écran est une valeur fixe, alors que le nombre d’images par seconde varie selon de nombreux facteurs : votre configuration d’un côté, les éléments graphiques que le GPU doit calculer en temps réel de l’autre (textures, ombres, détails, etc.). Autrement dit : il suffit de faire bouger la vue de votre personnage de gauche à droite et inversement pour que le nombre d’images varie plus ou moins fortement. Attention toutefois à ne pas confondre ce phénomène tout à fait normal avec les chutes de FPS, qui résultent davantage d’une surcharge au niveau CPU/GPU ou d’autres problèmes d’optimisations.

Cette variation entre le refresh rate et le nombre d’images par seconde peut être problématique, tant pour le confort visuel que le gameplay. Le volume variable et irrégulier de données que traite le GPU peut produire des artefacts en raison du balayage fixe et régulier du moniteur.

Le tearing peut gêner l’affichage

Le tearing peut gêner l’affichage

L’exemple le plus connu étant sans doute le tearing, un déchirement d’image qui résulte du décalage entre temps de calcul du GPU et refresh rate. Plusieurs solutions ont été déployées pour contrer ces phénomènes indésirables, on pense d’abord à la V-Sync qui permet à la carte graphique d’appâter ses calculs en fonction de l’écran. Si elle prévient le tearing, elle engendre cependant du stuttering, ou bégaiement, avec un usage finalement loin d’être idéale.

Le VRR, ou taux de rafraichissement variable, avec G-Sync pour Nvidia et FreeSync pour AMD, a tout changé : c’est désormais l’écran qui s’adapte en temps réel au nombre d’images par seconde délivrée par le GPU, une fonctionnalité qui permet d’obtenir un affichage fluide en toute circonstance et que l’on retrouve même sur les dernières consoles de salon !

Des solutions pour réduire la latence ?

Comme nous l’avons vu au travers de cet article, il est possible de réduire la latence ressentie (input lag) et la latence visuelle en choisissant du matériel adéquat pour jouer : le bon couple CPU/GPU, une définition d’écran appropriée, et des périphériques taillés pour le jeu vidéo.

D’un autre côté, bon nombre de solutions ont vu le jour et continuent d’arriver sur le marché. Nous avons notamment cité la hausse de la fréquence de rafraîchissement des moniteurs, qui va de pair avec la montée en puissance des GPU, mais aussi des technologies comme G-Sync et FreeSync. À côté de cela, on peut également évoquer l’ALLM avec l’HDMI 2.1 pour ceux qui jouent sur téléviseurs.

Côté périphérique, les claviers et manettes ont toujours eu un décalage plus important que les souris gaming, chose qui tend à s’effacer, par exemple avec le DLI “Dynamic Latency Input” pour les manettes qui accompagnent la Xbox Series X et qui profitent d’un input lag de seulement 2 ms, contre 8 ms auparavant.

Enfin, Nvidia est particulièrement actif lorsqu’il s’agit de développer des technologies ciblant les joueurs. Nous les avons évoquées à maintes reprises sur Frandroid, par exemple avec le DLSS, une technologie d’upscaling du rendu par intelligence artificielle qui permet notamment de profiter du ray-tracing bien plus confortablement, une chose sur laquelle AMD travaille également avec son FidelityFX SR.

La dernière technologie en date permettant directement de diminuer la latence ressentie est cependant Nvidia Reflex. Accessible avec les cartes RTX 3000, Reflex nécessite d’être implémenté directement dans le jeu par les développeurs ; naturellement, les optimisations dont il profite sont donc pour le moment pris en charge par une poignée de jeux seulement, majoritairement de titres compétitifs comme Apex Legends, Fortnite, Valorant, Overwatch et autres Call Of Duty: Black Ops – Cold War.

Latence, Hz, framerate, input lag : quels sont les paramètres réellement importants dans un jeu vidéo

Nvidia a également pensé à ceux qui ne sont pas équipés d’un GPU de dernière génération, des cartes touchées par une forte pénurie à leur sortie. Il est ainsi possible d’activer l’option Ultra Low Latency depuis le panneau de configuration Nvidia, une option similaire à Reflex, mais qui influe sur la file d’attente de rendu à partir du pilote et non directement du jeu.

En résumé

Pour réduire la latence, aussi bien ressentie que visuelle, voici quelques pistes à explorer :

  • Choisissez des périphériques avec un taux d’interrogation de 1 000 Hz, ou plus si vous trouvez cela pertinent, mais gardez à l’esprit que le périphérique est très rarement le maillon faible de la chaine de la latence
  • lancez vos jeux en mode plein écran afin de contourner le gestionnaire de fenêtres de Windows
  • Activez les fonctionnalités qui permettent de jouer sur la latence ressentie, Ultra Low Latency et Nvidia Reflex par exemple, et sur la latence visuelle : G-Sync et FreeSync. L’activation du mode jeu au sein de Windows 10 peut également aider.
  • Optez pour un moniteur à taux de rafraichissement élevé dont les tests ont démontré ses performances en matière de temps de réponse. Plus le taux de rafraichissement est élevé, plus le jeu se sentira fluide, même si celui-ci ne dépasse 60 fps.

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