Warum ist eine hohe Framerate für E-Sports wichtig?

Multiplayer Spieler und E-Sport-Profis setzen auf höchstmögliche Framerates, um sich einen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen. Für optimale Ergebnisse benötigen sie reibungslose Animationen, eine niedrige Latenz und eine geringstmögliche Anzahl von störenden Effekten.  Hohe Framerates auf Basis der neuesten Grafikprozessoren verschaffen diesen Spielern den entscheidenden Vorteil.

Wir haben kürzlich ein Video veröffentlicht, das zeigt, wie 60, 144 und 240 FPS/Hz das Gameplay in CS:GO beeinflussen:

Sehen wir uns nun genauer an, wie das alles auf dem PC funktioniert und warum die Framerate Spielern einen entscheidenden Vorteil bietet, indem sie die Reibungslosigkeit der Animation verbessert, den Effekt von Ghosting und Tearing reduziert und die Systemlatenz verringert.

Die Begriffe FPS und Hz werden in der Gamingwelt oft vertauscht und falsch verwendet. Hz ist definiert als Zyklen pro Sekunde und wird am häufigsten mit dem Bildschirm in Verbindung gebracht. Sie beschreiben beide eine Abschlussrate, jedoch anhand unterschiedlicher Komponenten im Renderingsystem des PCs. Einfach ausgedrückt: FPS beschreibt die Geschwindigkeit, mit der das System und insbesondere der Grafikprozessor Frames fertigstellt, wohingegen Hz die Geschwindigkeit ist, mit der der Bildschirm diese fertigen Frames anzeigt.

In der Animation unten stellen die grauen Häkchen oben Frames dar, die vom Monitor angezeigt werden, und die grünen Häkchen stellen Frames dar, die vom Grafikprozessor fertiggestellt werden.

Diese Raten sind nicht identisch. Der Grafikprozessor kann Frames schneller oder langsamer fertigstellen, als sie auf dem Bildschirm angezeigt werden können. Diese Abweichung in der Frame-Zeit wird durch Unterschiede in der Komplexität der gerenderten 3D-Szene verursacht. Beispielsweise kann das Rendering einer Explosion in einer Szene mehr Zeit in Anspruch nehmen als bei der vorherigen Szene. Hz ist auf der anderen Seite in der Regel eine konstante Rate und variiert nicht je nach Szenenkomplexität. 60 Hz entspricht 60 Mal pro Sekunde, 144 Hz entspricht 144 Mal pro Sekunde usw. Es gibt Bildschirme, die ihre Bildwiederholrate variieren können, aber der Einfachheit halber gehen wir hier von einem Bildschirm mit konstanter Bildwiederholrate aus.

FPS stellt typischerweise einen kontinuierlichen Durchschnitt über viele Sekunden dar, da die Frame-Zeiten von Frame zu Frame nicht konsistent sind. Eine gute Möglichkeit, sich FPS vorzustellen, ist: „Wie viele Frames stellt der Grafikprozessor pro Sekunde im Durchschnitt fertig?“

Wenn FPS und Hz voneinander abweichen, können Effekte wie Tearing auftreten, aber darauf gehen wir später ein. Die Faustregel lautet also: Grafikprozessor –> FPS, Bildschirm –> Hz. Für eine optimale Leistung sollten beide Werte hoch sein.

Sehen wir uns an, wie Animationen bei einer hohen Framerate reibungsloser wirken. Wir beginnen mit grundlegenderen Konzepten und gehen später in diesem Artikel zu komplexeren Themen über.

Im Video unten sehen wir, wie die Animation bei höheren Werten für FPS/Hz reibungsloser aussieht. Bei 60 FPS/Hz sieht die Animation ruckartig aus, als ob sie von einem Punkt zum anderen springt. Bei 240 FPS/Hz sind immer noch kleine „Schritte“ sichtbar, aber sie sind viel kleiner.

Bevor wir dieses Konzept erläutern, stimmen wir die FPS und Hz aufeinander ab. Obwohl dies in der realen Welt nicht wirklich möglich ist, ist es einfacher, diese Konzepte zu erläutern, wenn Grafikprozessor und Bildschirm mit der gleichen Geschwindigkeit arbeiten.

Anhand der unten stehenden Animation eines hüpfenden Balls können wir visualisieren, warum die Animationen reibungsloser sind.

Für jeden „Schritt“ in der Animation bei 60 FPS/Hz sind es bei 240 FPS/Hz 4 „Schritte“. Diese zusätzlichen Schritte füllen die Bewegungslücken aus, wodurch 240 FPS/Hz viel reibungsloser wirken. Bei 240 FPS/Hz gibt es 3 zusätzliche Frames, die das Auge in derselben Zeitspanne erfassen muss.

Reibungslosere Animationen helfen dir dabei, dein Ziel zu verfolgen. Wenn du beim Anvisieren zum Overshooting oder Undershooting mikrokorrigierst, hast du mit einem reibungslosen Ziel mehr Erfolg.

Ghosting ist ein störender Effekt, der bei allen LCD-Bildschirmen auftritt. Wenn die Anzeige aktualisiert wird, ändern sich die Farben nicht sofort. Es dauert einige Zeit, bis sich die Pixel ändern, insbesondere wenn der Bereich der Farbänderung groß ist.

Im folgenden CS:GO-Video sieht der Ghost wie eine Spur hinter dem Objekt aus, die sich typischerweise an der Position des Objekts im vorherigen Frame befindet.

Wenn wir das Ganze auf unsere hüpfende Ballanimation unten übertragen, können wir nun auch sehen, wie der Ghost dem Ball folgt.

Ausgehend von den Animationschritten für Reibungslosigkeit erscheint der Ghost im vorherigen „Schritt“ der Animation. Bei 60 FPS/Hz ist die Veränderung des Abstands zwischen den Animationsschritten viel größer, sodass der Ghost viel stärker sichtbar ist. Bei 240 FPS/Hz ist die Veränderung des Abstands zwischen den Animationsschritten viel kleiner, sodass der Ghost weniger sichtbar ist.

Deshalb wirkt bei höheren Werten für FPS/Hz das Drehen des Charakters oder das Betrachten eines bewegten Objekts viel präziser. Ähnlich wie die Vorteile der Reibungslosigkeit der Animation ermöglicht das reduzierte Ghosting eine bessere Zielverfolgung, sodass sich dein Auge auf das Ziel und nicht auf den Ghost konzentriert.

Als Tearing bezeichnet man die gleichzeitige Anzeige verschiedener Frames vom Grafikprozessor, wodurch ein horizontaler Einschnitt oder eine Bildverschiebung über den Bildschirm verursacht wird. Im folgenden Beispiel sehen wir den Einschnitt direkt durch das Spielermodell.

Tearing tritt auf, wenn die Ausgaberate des Grafikprozessors (FPS) nicht mit dem Hz-Wert der Anzeige übereinstimmt. Um Tearing zu vermeiden, kann V-SYNC aktiviert werden. V-SYNC synchronisiert effektiv die Ausgaberate des Grafikprozessors mit dem Hz-Wert des Displays. Wenn V-SYNC aktiviert ist, darf der Grafikprozessor nur ein Frame pro Erneuerungszyklus des Bildschirms rendern.

Obwohl dadurch das Tearing vermieden wird, kann es sein, dass die Eingabe verzögert wird und das Spiel nicht mehr so schnell reagiert, da der Grafikprozessor oft warten muss, um die Ergebnisse der Aktionen anzuzeigen. Aufgrund der zusätzlichen Verzögerung entscheiden sich viele Gamer dafür, ohne V-SYNC zu spielen und das Tearing in Kauf zu nehmen.

Im folgenden Beispiel ist der FPS-Wert höher als der Hz-Wert der Anzeige, und V-SYNC ist deaktiviert.

Offenbar ist das Tearing bei 240 FPS/Hz reduziert, aber warum? Eins nach dem anderen.

In der folgenden Animation läuft ein Mann von links nach rechts über den Bildschirm. Am Ende ist Tearing zu sehen.

Wenn das Tearing auftritt, sieht die untere Hälfte des Objekts aus, als ob sie nach vorne verschoben wurde, während sie den ursprünglichen Teil hinter sich lässt. Da die Grafikprozessorrate nicht an die Anzeigefrequenz gebunden ist, tauscht der Grafikprozessor während der Aktualisierung effektiv den nächsten Frame aus, für den das Rendern abgeschlossen ist. Sobald der Frame ausgetauscht wurde, wird der restliche Teil des Frames mit dem neueren Bild gerendert, wodurch die Verschiebung entsteht, die als Tearing bezeichnet wird.

Ähnlich wie bei den Animationsschritten ist der Abstand, den das Objekt zwischen den Frames zurücklegt, bei 60 FPS/Hz größer, sodass die Verschiebung des Objekts zwischen den beiden Frames größer ist, wodurch ein stärkerer Tearing-Effekt entsteht. Bei 240 FPS/Hz ist die Verschiebung des Objekts zwischen den beiden Frames kleiner, da der Zeitunterschied zwischen den beiden Frames kleiner ist, wodurch ein geringerer Tearing-Effekt entsteht. Durch kleinere Tearing-Effekte lassen sich störende Effekte vermeiden, sodass sich Spieler darauf konzentrieren können, das Spiel zu gewinnen.

Wie bereits erwähnt, gibt es Bildschirme, die eine Technologie der variablen Bildwiederholrate verwenden, z. B. G-Sync. Dadurch können Gamer die Vorteile von deaktiviertem V-SYNC bei gleichzeitiger Vermeidung von Tearing nutzen. G-Sync-Bildschirme warten vor der Aktualisierung der Anzeige darauf, dass der Grafikprozessor den nächsten Frame fertigstellt. So kann der Grafikprozessor Frames so schnell wie möglich fertigstellen. In einem späteren Artikel werden wir näher auf dieses Thema eingehen.

Im Video unten sieht man, wie der gegnerische Spieler mit 240 FPS/Hz vor dem Spieler mit 60 FPS/Hz positioniert zu sein scheint.

Dies wird durch die Systemlatenz verursacht.

Bei Latenz in Spielen denken viele Gamer an Ping- oder Netzwerkverzögerung. Diese Latenzquelle beschreibt, wie lange es dauert, bis die Informationen vom PC auf den Spieleserver und zurück auf den PC übertragen werden.

Die Systemlatenz hingegen beschreibt die Zeit, die man für Aktionen benötigt (Mausklicks, Mausbewegungen, Tastatureingaben), um zur Anzeige zu gelangen. Dies wird häufig als „Motion-to-Photon“-Latenz oder „Click-to-Muzzle-Flash“-Latenz bezeichnet.

Doch was sind die Ursachen für Systemlatenz? Werfen wir einen Blick auf die Rendering-Pipeline.

Im folgenden Beispiel haben wir die Pipeline für eine einfache Erläuterung auf drei Stufen vereinfacht. Von links beginnend, haben wir den Grafikprozessor (blauer Balken), der die Eingaben interpretiert, den Spielstatus aktualisiert, die Frames für den zu rendernden Grafikprozessor vorbereitet und sie in die Renderwarteschlange des Grafikprozessors stellt. Der Grafikprozessor (grüner Balken), nimmt dann die vorbereiteten Frames aus der Warteschlange und rendert sie. Sobald der Grafikprozessor fertig ist, zeigt die Anzeige (grauer Balken) das endgültige Bild im nächsten Erneuerungszyklus an.

Alle diese Aktionen nehmen Zeit in Anspruch. Die Summe dieser Zeit ist die Systemlatenz.

In der realen Welt befinden sich diese Aktionen in einer Pipeline, was bedeutet, dass jede Phase für den nächsten Frame gestartet wird, sobald sie abgeschlossen ist. Das Pipelining wirkt sich auf die Fertigstellungsrate (FPS) aus, ändert aber nicht unbedingt die Systemlatenz, da die Aktionen die jeweilige Phase ohnehin durchlaufen.

Werfen wir einen Blick auf eine Pipeline mit 60 FPS/Hz im Vergleich zu einer Pipeline mit 240 FPS/Hz.

Wir sehen, dass beim System mit 60 FPS/Hz die Frames viel später anzeigt werden. Wenn wir einen einzelnen Frame auf jedem System betrachten, können wir den Unterschied bei den Systemlatenzen erkennen.

Ab Spielbeginn empfängt der Grafikprozessor jedes Systems gleichzeitig die Position des Spielers. In diesem Beispiel brauchen beide Grafikprozessoren etwa gleich lang, um den Frame vorzubereiten und zu rendern. Der Grafikprozessorteil der Pipeline auf dem 60-FPS-System ist vier Mal länger als der auf dem 240-FPS-System. Auch die Renderzeit des Grafikprozessors ist beim 60-FPS-System vier Mal länger. Schließlich ist auch der Anzeigebereich beim 60-FPS-System vier Mal länger, da der Erneuerungszyklus um das Vierfache langsamer als bei einer 240-Hz-Anzeige ist.

Bei einem System mit 60 FPS/Hz dauert die Verarbeitung einfach länger und liegt damit weiter hinter dem aktuellen Stand des Spiels. Bei 240 FPS/Hz ist das Rendern dem tatsächlichen Spielstand sehr viel näher, aber es gibt noch einen Unterschied.

In diesem Beispiel unten sieht man den Unterschied zwischen den Latenzen der beiden Systeme. Der Positionsunterschied zwischen den beiden entspricht dem Unterschied der Systemlatenz. Durch die Verwendung einer vertikalen Regel, wie einem schwarzen Balken, ist es einfach, diese durch die Systemlatenz verursachten Verschiebungen zu vergleichen.

Durch eine geringere Systemlatenz kannst du den Spieler früher sehen. Zusätzlich sorgt die Reduzierung der Systemlatenz dafür, dass das Spiel schneller reagiert, da die Zeit zwischen den Mausbewegungen und den Ergebnissen auf dem Bildschirm kürzer ist.  Durch die Kombination dieser Vorteile bietet dir eine geringere Systemlatenz den entscheidenden Vorteil im Gameplay.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine höhere Framerate definitive, messbare Vorteile hat: Reibungslosere Animationen verbessern die Zielverfolgung, weniger Ghosts und Tearing reduzieren störende Effekte und eine geringere Systemlatenz hilft dir, Ziele schneller und mit einem besseren Reaktionsvermögen zu sehen. Durch die Kombination dieser Vorzüge bietet dir eine hohe Framerate einen Vorteil gegenüber den Gegenspielern.

Wie groß dieser Vorteil ist?  Anhand der Daten aus einer Studie, die wir Anfang 2019 durchgeführt haben, konnten wir die durchschnittlichen Framerates von Spielern ihrem K/D-Verhältnis (Kill/Death) gegenüberstellen. Dabei handelt es sich um eine gängige Kennzahl für die Spielerleistung in Wettbewerbsspielen wie Fortnite oder PUBG.

Bei der Betrachtung des Diagramms sehen wir, dass es einen Zusammenhang zwischen der durchschnittlichen Framerate und dem K/D-Verhältnis der Spieler in PUBG und Fortnite gibt. Bei 180 FPS ist das K/D-Verhältnis der Spieler um 90 % besser als die der Spieler bei 60 FPS!

Hinter dieser Korrelation verbirgt sich jedoch nicht unbedingt eine Kausalität. Aber im Kontext der FPS-Vorteile wie Reibungslosigkeit der Animation, reduziertes Ghosting und Tearing und geringere Systemlatenz, wie im Artikel beschrieben, macht die im Diagramm dargestellte positive Korrelation Sinn.

Auf der neuesten Seite #FramesWinsGames erfährst du, wie unsere GeForce-Grafikprozessoren die Framerate bieten, die du brauchst, um in Battle-Royale-Games und Egoshootern deine Spielerleistung zu maximieren.