Почему FPS важен в Esport-играх?

Участники киберспортивных соревнований и профессиональные игроки стремятся обеспечить максимум FPS и получить преимущество в играх. Чтобы достичь высоких результатов, им требуется плавная графика, минимальные задержки и сокращение артефактов.  Современные GPU обеспечивают высокую частоту смены кадров и необходимое преимущество в играх.

Недавно мы выпустили видео о влиянии 60, 144 и 240 FPS/Гц на игровой процесс в Counter-Strike: Global Offensive:

Теперь рассмотрим подробнее, почему FPS повышают результаты в играх, улучшая плавность графики и сокращая разрывы, шлейфы и задержки системы.

Игроки часто путают FPS (кадры в секунду) и Гц (частота дисплея) и подменяют эти понятия. Частота (Гц) определяется как число циклов в секунду и в основном связана с дисплеем. Оба показателя обозначают частоту, но для разных компонентов ПК. Проще говоря, FPS – это частота, с которой система, и в частности GPU, формирует кадры, а Гц – частота, при которой дисплей воспроизводит эти кадры на экране.

На анимации ниже серые метки обозначают кадры, воспроизводимые монитором, а зеленые – кадры, которые формирует GPU.

На графике видно, что их частота не совпадает. GPU может формировать кадры быстрее или медленнее, чем дисплей воспроизводит их. Эта разница во времени кадров обусловлена сложностью рендеринга 3D-сцен, например, рендеринг взрыва занимает больше времени, чем для предыдущей сцены. Частота монитора же, как правило, постоянна и не зависит от сложности сцены. 60 Гц – это 60 обновлений экрана в секунду, 144 Гц – 144 обновления в секунду и так далее. Существуют дисплеи, которые могут менять частоту обновления, но для простоты мы рассматриваем дисплеи с постоянной частотой.

FPS, как правило, обозначает среднее количество кадров в секунду, так как время формирования кадра меняется от кадра к кадру. Удобно представить FPS как «среднее количество кадров, которое GPU формирует в секунду».

Если частота монитора и GPU отличаются, могут возникать такие эффекты, как разрывы, но мы вернемся к ним позже. Итак: GPU -> FPS, дисплей -> Гц. Для максимальной производительности необходимы высокие значения для обоих показателей.

Посмотрим, как FPS влияет на плавность графики. Мы начнем с базовых понятий и будем двигаться к более сложным темам.

На видео ниже можно посмотреть, как FPS и Гц влияют на плавность графики. При 60 FPS/Гц изображение выглядит прерывистым, как будто скачет от точки к точке. При 240 FPS/Гц прерывистость все еще можно увидеть, но она гораздо менее заметна.

Прежде чем рассмотрим эту идею, ограничим частоту смены кадров частотой монитора. Хотя в жизни такого почти не бывает, гораздо проще объяснять, если видеокарта и дисплей работают синхронно.

На примере анимированного мячика ниже четко видно, почему изображение становится более плавным.

На каждый «шаг» анимации при 60 FPS/Гц приходится 4 таких «шага» при 240 FPS/Гц. Эти шаги как бы заполняют разрывы в движении, и избражение становится более плавным. При 240 FPS/Гц появляются еще три дополнительных кадра за тот же отрезок времени.

Чем выше FPS, тем точнее попадание в цель. При отклонении от цели плавная графика помогает быстрее вернуться к цели.

Шлейфы изображения – это эффект, который возникает на всех ЖК-дисплеях. При обновлении экрана цвета не меняются мгновенно. На изменение цвета пикселю требуется некоторое время, особенно если цвет сильно отличается.

На примере из Counter-Strike: Global Offensive можно увидеть шлейф, который выглядит как тень объекта и остается на предыдущей позиции объекта.

На примере ниже у мячика также появляется шлейф.

Обратите внимание, что он возникает на месте предыдущего «шага» анимации. При 60 FPS/Гц мячик преодолевает большое расстояние шагами анимации, поэтому шлейф более заметный. При 240 FPS/Гц это расстояние сокращается, и шлейф становится не таким видимым.

Именно поэтому чем выше FPS/Гц, тем плавнее движение объектов. По аналогии с плавностью изображения сокращение шлейфов облегчает отслеживание цели, позволяя глазу фокусироваться на цели, а не на шлейфе.

Когда дисплей одновременно отображает разные кадры из GPU, возникают горизонтальные разрывы или сдвиг изображения. На примере ниже разрыв появляется прямо на модели игрока.

Разрыв появляется, если частота GPU (FPS) не совпадает с частотой дисплея (Гц). Избежать разрывов позволяет технология V-SYNC. Она ограничивает производительность GPU частотой дисплея. С V-SYNC GPU формирует только один кадр за один цикл обновления экрана.

Хотя разрывы исчезают, но могут возникнуть задержки ввода, а игровой процесс стать менее отзывчивым, так как видеокарте приходится ждать, чтобы отобразить результаты действий. Из-за задержек многие геймеры отказываются от V-SYNC и мирятся с разрывами.

На примере ниже частота смены кадров выше частоты дисплея, и V-SYNC отключена.

И при 240 FPS/Гц, как мы видим, разрывов становится меньше. Почему? Попробуем разобраться.

На сцене ниже персонаж бежит слева направо, и возникает разрыв.

Мы видим, что нижняя часть объекта продолжает двигаться вперед, а верхняя остается на месте. Так как частота GPU не синхронизирована с частотой дисплея, видеокарта отправляет кадр, как только завершает рендеринг. После смены кадра на экране появляется часть старого кадра и часть нового, что создает смещение или разрыв.

Как в случае с шагами анимации, при 60 FPS/Гц объект успевает преодолеть большее расстояние между кадрами, поэтому больше и смещение изображения – появляется большой разрыв. При 240 FPS/Гц смещение изображения меньше, так как кадры сменяются быстрее, поэтому разрыв получается не таким большим. Чем меньше разрывы, тем они меньше отвлекают внимание, благодаря чему игроки лучше концентрируются на игровом процессе.

Мы упоминали выше, что есть дисплеи с переменной частотой обновления экрана, например, с технологией G-SYNC, которая позволяет играть с высоким FPS и устранять разрывы и без VSYNC. Дисплеи с G-SYNC обновляются по мере формирования полных кадров в GPU, и это обеспечивает максимальную производительнось видеокарты. В следующей статье мы подробно рассмотрим эту технологию.

На видео ниже видно, что персонаж движется быстрее при 240 FPS/Гц, чем при 60 FPS/Гц.

Это вызвано задержками системы.

Говоря о задержке в играх, геймеры часто имеют в виду пинг или лаг. Это задержка сети, которая возникает при передаче информации с ПК на игровой сервер и обратно.

Задержки системы – это время, которое проходит между действием игрока (клик, движение мышкой, ввод с клавиатуры) и его результатом на экране. Такие задержки часто возникают между кликом мышью и выстрелом или сменой изображения.

Но что приводит к задержкам системы? Рассмотрим подробно процесс рендеринга.

На примере ниже мы свели весь процесс к трем этапам. Синим отрезком слева обозначен CPU, который обрабатывает ввод (с клавиатуры и мыши), обновляет состояние игры, подготавливает кадры и размещает их в очереди рендеринга на GPU. Затем GPU (зеленый отрезок) берет подготовленные кадры из очереди и осуществляет рендеринг. После этого дисплей (серый отрезок) отображает финальное изображение при следующем обновлении экрана.

Все эти шаги занимают время и в сумме создают задержку системы.

На самом деле эти действия образуют конвейер: этапы непрерывно повторяются для каждого кадра. Этот процесс влияет на скорость смены кадров, но необязательно меняет задержку системы, так как действия игрока в любом случае проходят все этапы.

Посмотрим на этот процесс при 60 и при 240 FPS/Гц.

На картинке видно, что при 60 FPS/Гц система воспроизводит кадры гораздо позже. Сравним разницу в задержках систем на примере одного кадра.

CPU во всех системах получают данные о позиции игрока одновременно. В этом примере для CPU и GPU требуется примерно одинаковое время для подготовки и рендеринга кадров. При 60 FPS работа CPU занимает в 4 раза больше времени, чем при 240 FPS. Аналогично и рендеринг на GPU длится в 4 раза дольше при 60 FPS. Наконец, работа дисплея также занимает в 4 раза больше времени, так как экран с частотой 60 Гц обновляется в 4 раза медленнее, чем с частотой 240 Гц.

При 60 FPS/Гц системе просто требуется больше времени на обработку, а следовательно, она еще больше отстает от игры. При 240 FPS/Гц рендеринг гораздо ближе к текущему состоянию игры, но небольшая разница все равно остается.

Разницу в задержках систем можно увидеть на примере ниже. Персонаж на системе вверху движется быстрее, чем на нижней. Если провести черную линию, сравнить задержки системы будет еще проще.

Низкие задержки позволяют реагировать быстрее. Они также повышают отзывчивость, так как уменьшается время между движением мышью и действием на экране. Вместе все это создает конкурентное преимущество в соревновательных играх.

Итак, высокая частота смены кадров и обновления экрана имеют вполне определенные измеримые преимущества: плавная графика, сокращение шлейфов и разрывов помогают уменьшить отвлекающие эффекты, реагировать быстрее и повысить отзывчивость. Сочетая все эти аспекты, высокий FPS обеспечивает необходимое конкурентное преимущество в играх.

Как велико это преимущество?  Используя данные исследования, проведенного в начале 2019 года, мы составили график соотношения FPS и показателя по kill-death –популярного индикатора навыков игрока в таких соревновательных играх, как Fortnite и PUBG.

На графике можно увидеть корреляцию между средним FPS и показателем K/D игрока в PUBG и Fortnite. При 180 FPS результаты игроков на 90% лучше, чем при 60 FPS!

Разумеется, корреляция не демонстрирует причинно-следственной связи. Однако с учетом преимуществ FPS, таких как плавность графики, сокращение шлейфов, разрывов и задержек системы, рассмотренных в данной статье, связь между FPS и результатами становится более очевидной.

На странице #FramesWinsGames можно прочитать о видеокартах GeForce, которые обеспечивают необходимый FPS для ощутимых преимуществ в соревновательных играх.