Pourquoi les fréquences d’images élevées (FPS) sont-elles importantes pour l’e-Sport ?

Les joueurs adeptes de compétition et les professionnels de l’e-Sport exigent la fréquence d’images (FPS) la plus élevée possible pour prendre un avantage décisif. Pour obtenir les meilleurs résultats, ils ont besoin d’animations ultra-fluides, de la plus faible latence possible et d’un minimum d’effets de distraction. Les GPU NVIDIA les plus récents, qui permettent de bénéficier de fréquences d’images élevées, donnent à ces joueurs un avantage compétitif décisif.

Nous vous avons récemment présenté une vidéo détaillant la façon dont des fréquences de 60 FPS/Hz, 144 FPS/Hz et 240 FPS/Hz pouvaient affecter votre gameplay dans CS:GO.

Aujourd’hui, nous vous proposons d’aller plus loin et d’étudier avec nous la façon dont tout ceci fonctionne sur votre PC, de manière à comprendre pourquoi les fréquences d’images élevées offrent aux joueurs un avantage compétitif décisif en améliorant la fluidité de l’animation, en minimisant la latence du système et en réduisant les effets de tearing et de ghosting.

Dans le monde des jeux vidéo, la fréquence d’images (FPS) et la fréquence de rafraichissement (Hz) sont souvent confondues et interverties. La fréquence de rafraichissement correspond à un nombre de cycles par seconde. Elle est le plus souvent associée à votre écran. La fréquence d’images et de rafraichissement désignent toutes les deux un taux d’achèvement, mais elles sont liées à différents composants du système de rendu de votre PC. Pour faire simple, la fréquence d’images (FPS) fait référence à la fréquence selon laquelle votre système - et plus particulièrement votre GPU - génère les images, tandis que la fréquence de rafraichissement (Hz) fait référence à la fréquence selon laquelle votre écran affiche les images finales.

Dans l’animation ci-dessous, les cases grises du haut représentent les images affichées par le moniteur et les cases vertes représentent les images générées par le GPU.

Ces fréquences ne sont pas les mêmes. En effet, le GPU est susceptible de générer des images plus rapidement ou plus lentement que l’écran ne peut les afficher. Cette variation du délai est due aux différences de complexité que peut présenter une scène en 3D. Une explosion met par exemple plus de temps à être affichée qu’une scène standard. La fréquence de rafraichissement (Hz) correspond le plus souvent à une fréquence fixe, qui ne change pas selon la complexité d'une scène. 60 Hz signifie que l’image est rafraichie 60 fois par seconde, 144 Hz correspond à 144 fois, et ainsi de suite. Certains écrans possèdent une fréquence de rafraichissement variable mais, à des fins de simplification, nous traiterons ici des écrans à fréquence de rafraichissement fixe.

La fréquence d’images (FPS) désigne généralement une moyenne mobile calculée sur plusieurs secondes, étant donné que les délais de génération de l’image peuvent varier d’une image à l’autre. Une bonne manière d’envisager les FPS serait la suivante : « Combien d’images, en moyenne, mon GPU peut-il générer chaque seconde ? »

Lorsque les FPS et les Hz diffèrent, vous pouvez expérimenter des effets graphiques indésirables tels que le tearing, mais nous y reviendrons plus loin dans cet article. Au final, il faut retenir que le CPU correspond aux FPS et que votre écran correspond aux Hz. Pour des performances optimales, ces deux valeurs doivent être les plus élevées possibles.

Regardons maintenant à quel point les animations peuvent être fluides grâce aux fréquences d’images élevées. Commençons par des concepts de base avant de nous intéresser à des concepts plus avancés.

La vidéo ci-dessous démontre que les animations deviennent plus fluides avec l’augmentation des FPS/Hz. À 60 FPS/Hz, les animations semblent saccadées - comme si l’image passait d’un point à un autre de manière peu naturelle. À 240 FPS/Hz, quelques étapes apparentes semblent subsister, mais l’animation devient plus fluide.

Avant d’étudier plus en avant ce concept, il convient de lier les FPS aux Hz. Même si cela ne se produit pas dans le monde réel, il sera plus facile d’expliquer ces concepts si le GPU et l'écran fonctionnent à la même fréquence.

Si vous regardez l’animation ci-dessous d’une sphère qui rebondit, vous comprendrez pourquoi les animations sont plus fluides.

Alors que l’animation à 60 FPS/Hz s’appuie sur une étape, l’animation à 240 FPS/Hz en comporte quatre. Ces étapes supplémentaires contribuent à parfaire les mouvements, c’est pourquoi les images à 240 FPS/Hz semblent toujours nettement plus fluides. En effet, à 240 FPS/Hz, l’animation inclut 3 images additionnelles - ce qui fait que vous percevez trois fois plus d'informations dans le même laps de temps.

Des animations plus fluides vous aident à mieux identifier et suivre vos cibles. Lorsque vous apportez des micro-corrections à votre visée pour ajuster la hauteur de vos tirs, la fluidité de l’animation vous permet de renforcer la précision de vos attaques et, par conséquent, de toucher vos cibles avec davantage d’efficacité.

Le ghosting est un facteur de distraction qui peut se produire avec les écrans LCD. Lors du rafraichissement de l’écran, les couleurs ne changent pas instantanément. Il existe un délai nécessaire au changement des pixels, notamment lorsque la gamme chromatique est grande.

Si vous regardez la vidéo de CS:GO ci-après, vous vous apercevrez qu’il subsiste une sorte de « traînée fantôme » à l’endroit où se trouvait l’objet dans l’image précédente.

Si nous étudions à nouveau l’animation de la sphère qui rebondit, nous pouvons apercevoir l’effet de ghosting derrière la forme sphérique.

À chaque étape d’animation, une traînée fantôme demeure là où la précédente animation a eu lieu. À 60 FPS/Hz, le changement de distance entre chaque étape d’animation est plus important, c’est pourquoi la traînée est plus visible. À 240 FPS/Hz, le changement de distance entre chaque étape d’animation est moins important, la traînée est donc moins visible.

Plus les fréquences d’images et de rafraichissement sont élevées, plus l’animation est fluide lorsque votre personnage se déplace ou qu’un objet est en mouvement. De même que la fluidité de l’animation présente des avantages significatifs, la réduction des effets de ghosting permet une meilleure identification des cibles dans les jeux compétitifs, en aidant votre regard à se porter sur la cible et non sur sa traînée fantôme.

Le tearing est un artefact d’affichage qui se produit lorsque votre écran affiche différentes images générées par le GPU au même moment, ce qui entraîne une déchirure horizontale ou un décalage de l’image au travers de l’écran. Dans l’exemple ci-dessous, la déchirure est visible sur le modèle du joueur.

Le tearing est un artefact d’affichage qui intervient lorsque la fréquence d’images du GPU ne correspond pas à la fréquence de rafraichissement de l’écran. Pour prévenir les phénomènes de tearing, il est possible de désactiver la synchronisation verticale (V-SYNC). La V-SYNC permet de verrouiller la fréquence d’images du GPU sur la fréquence de rafraichissement de l’écran. Une fois la V-SYNC activée, le GPU peut uniquement générer une image par cycle de rafraichissement de l’écran.

Bien que cette méthode supprime le tearing, cela peut augmenter le délai d’affichage et donner l’impression que votre jeu devient moins réactif car le GPU doit parfois attendre avant de présenter le résultat de vos actions. En raison de ce délai indésirable, certains joueurs préfèrent ne pas activer la V-SYNC et se résolvent à accepter le tearing.

Dans l’exemple ci-dessous, les FPS sont plus élevées que les Hz tandis que le V-SYNC est désactivée.

Comme vous pouvez le voir, les déchirures semblent moins importantes à 240 FPS/Hz. Tâchons maintenant de comprendre pourquoi !

L’animation ci-dessous présente un homme qui court de gauche à droite de l’écran. Un phénomène de tearing finit par intervenir.

Lorsque la déchirure se produit, nous voyons que le bas de l’objet continuer d’avancer vers la droite, tandis que le haut semble rester bloqué. Étant donné que la fréquence du GPU n’est pas verrouillée sur la fréquence de rafraichissement de l’écran, le GPU ne procèdera pas au rendu de l’image qui est pourtant prête au milieu du cycle de rafraichissement. Une fois que cette image est éludée, la portion restante de l’image est affichée avec l’image suivante, ce qui crée l’artefact visuel que nous identifions comme une déchirure.

Tout comme les étapes d’animation que nous avons précédemment étudiées, il s’avère que la distance parcourue par l’objet entre chaque image est supérieure à 60 FPS/Hz, c’est pourquoi le déplacement dans ce laps de temps est trop important et entraîne la formation d’une déchirure. À 240 FPS/Hz, le déplacement de l’objet entre les deux images est moins important car le délai d’affichage des deux images est plus rapide, ce qui engendre une déchirure moins visible. La réduction du tearing contribue à minimiser les effets de distraction et aide les joueurs à rester concentrés sur leur partie.

Comme mentionné précédemment, certains périphériques d’affichage utilisent une technologie de rafraichissement variable (telle que G-SYNC) pour conserver les avantages de la synchronisation verticale tout en supprimant les effets de tearing. Les écrans G-SYNC attendent que l’image suivante soit générée par le GPU avant de procéder au rafraichissement de l’écran, ce qui permet au GPU de procéder plus rapidement au rendu des images.

La vidéo ci-après démontre à quel point un joueur à 240 FPS/Hz semble avoir de l’avance sur un joueur à 60 FPS/Hz.

Ce phénomène est provoqué par la latence du système.

Lorsqu’on évoque la latence du système pour les jeux vidéo, de nombreux joueurs pensent au ping ou au lag du réseau. Cette source de latence, ou « latence réseau », désigne le temps nécessaire pour que les informations de votre PC atteignent le serveur de jeu et reviennent vers votre PC.

La latence système, quant à elle, fait référence au temps nécessaire pour que vos actions (clics de souris, mouvements de souris, saisie au clavier) se traduisent de manière visuelle à l’écran. On désigne parfois ce phénomène sous le terme de « latence mouvement-photon », c'est-à-dire le délai entre un clic de souris et le tir de votre arme.

Par quoi est causée la latence système ? Intéressons-nous maintenant au pipeline de rendu.

Dans l’exemple ci-dessous, nous avons simplifié le pipeline en trois principales étapes. En partant de la gauche, nous avons le CPU - représenté par la barre bleue - qui permet d’interpréter les données d’entrée, de mettre à jour l’état du jeu, de préparer les images que le GPU va générer puis de les placer dans la file de rendu du GPU. Le GPU - représenté par la barre verte - récupère ensuite les images préalablement préparées et placées dans la file d’attente avant de procéder à leur rendu. Une fois que le GPU a terminé, l’écran - représenté par la barre grise - affiche l’image finale lors du cycle de rafraichissement suivant.

Toutes ces actions prennent du temps, et la latence du système constitue la somme de ces différents délais.

Ces actions sont traditionnellement traitées graduellement par le biais d’un pipeline, ce qui signifie que chaque étape va commencer sur l’image suivante une fois son traitement terminé. Le traitement par pipeline affecte le taux d’achèvement de la fréquence d’images, mais ne modifie pas nécessairement la latence du système car l’ensemble de vos actions restent prises en compte à chaque étape.

Comparons maintenant un pipeline de 60 FPS/Hz avec un pipeline de 240 FPS/Hz.

Nous pouvons constater qu’un système à 60 FPS/Hz affiche les images avec un retard significatif. Il nous suffit d’observer une image unique sur chaque système pour voir la différence de latence.

Au début de la séquence, le CPU de chaque système reçoit la position des joueurs au même moment. Dans cet exemple, le CPU et le GPU mettent approximativement la même durée pour préparer l’image et procéder à son rendu. La section du pipeline affectée au CPU sur le système à 60 FPS s’avère quatre fois plus lente que sur le système à 240 FPS. De même, le délai de rendu lié au GPU est également quatre fois plus long sur le système à 60 FPS. Enfin, la section du pipeline affectée à l’affichage est elle aussi 4 fois plus chronophage sur le système à 60 FPS, car le cycle de rafraichissement est 4 fois plus lent que sur un écran à 240 Hz.

Sur un système à 60 FPS/Hz, le traitement des informations est moins rapide, c’est pourquoi nous constatons de la latence dans le jeu. À 240 FPS/Hz, le rendu est bien plus proche de l’état réel du jeu, même si de légères différences subsistent encore.

Dans l’exemple ci-dessous, nous pouvons constater la différence de latence entre les deux systèmes. La différence de position à l’écran entre les deux systèmes est directement liée à la latence du système. L’utilisation d’une règle verticale - telle qu’une barre noire - permet de comparer assez facilement les décalages provoqués par la latence du système.

En outre, la réduction de la latence du système renforce nettement la réactivité du jeu, car le délai entre vos mouvements de souris et les résultats à l’écran est bien plus court.  Grâce à ces avantages, la réduction de la latence du système peut vous donner un avantage compétitif décisif sur le champ de bataille.

Il convient de conclure en soulignant qu’une fréquence d’images plus élevée présente des avantages aussi significatifs que visibles : des animations plus fluides qui améliorent le suivi des cibles, une nette réduction des effets de ghosting et de tearing qui diminuent les facteurs de déconcentration, et une latence du système minimisée qui vous aide à voir vos cibles plus rapidement avec une meilleure réactivité. Grâce à tous ces avantages, l’augmentation de la fréquence d’images vous permet de prendre l’ascendant sur vos concurrents.

Mais à quel point pouvez-vous prendre un avantage déterminant ? Grâce aux données collectées lors d’une étude que nous avons menée en début d’année 2019, nous sommes parvenus à mettre en exergue le lien la fréquence d’images moyenne et le ratio Kill/Death (K/D), une valeur de mesure fréquente pour évaluer les aptitudes des joueurs dans des jeux compétitifs tels que Fortnite ou PUBG.

En examinant le graphique, nous voyons qu’il existe une corrélation directe entre la fréquence d’images moyenne et le ratio K/D des joueurs dans PUBG et Fortnite. À 180 FPS, le ratio K/D des joueurs s’avère supérieur de 90 % à celui des joueurs dont le système n’est pas capable de faire tourner les jeux à plus de 60 FPS !

Bien entendu, une corrélation n’est pas synonyme de causalité.  Cependant, si l’on s’attarde sur les avantages d’une haute fréquence d’images - tels qu'une meilleure fluidité de l’animation, la minimisation du ghosting et du tearing ou bien encore la diminution de la latence du système - cette corrélation est clairement positive.

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