为何高帧率对于电竞比赛十分重要?

由 Tony Tamasi 发表于 2019年12月3日 | Featured Stories

竞技游戏玩家和电竞专业人士都在追求超高帧率,以期为自己带来各项竞技优势。他们需要极致流畅的动画、超低延迟和极小干扰,从而取得出色结果。最新 GPU 所带来的高帧率恰好能为这些玩家提供竞技优势。

我们最近发布了一段视频,其中展示了 60、144 和 240 FPS/Hz 对“反恐精英:全球攻势 (CS:GO)”游戏体验的影响:

现在,让我们再深入了解一下这一切将如何在您的 PC 上运作,以及高帧率为何可以提升动画流畅度、减少重影和撕裂影响以及降低系统延迟,从而为玩家提供竞技优势。

FPS 和 Hz 究竟是什么?

游戏界经常混淆和误用 FPS 和 Hz。 Hz 定义为每秒的周期次数,通常和显示器相关。 二者描述的都是完成率,区别在于它们表示的是 PC 渲染系统中不同组件的完成速率。简言之,FPS 是指系统(尤其是 GPU)完成帧渲染的速率,而 Hz 是指显示器对这些已完成渲染的帧的显示刷新速率。

在下方动画中,您可以看到顶部的灰色记号以及绿色记号,其中前者表示显示器显示的帧,后者表示 GPU 正在渲染的帧。

这些帧率并不相同。GPU 的帧渲染速度可以快于或慢于显示器显示帧的刷新速度。这种帧时间变化是由所渲染 3D 场景的复杂度差异引起,例如某场景中的爆炸场面在渲染时可能要比上一个场景花费更多时间;而 Hz 通常为恒定速率,不会随场景复杂度而变化。60Hz 是每秒 60 次,144Hz 是每秒 144 次,以此类推。一些显示器可以改变自身刷新率,但为便于理解,我们假设一台显示器的刷新率恒定不变。

FPS 通常是许多秒数内的移动平均值,因为帧与帧之间的帧时间并非恒定不变。您不妨这样理解 FPS:“GPU 每秒平均渲染的帧数。”

如果 FPS 和 Hz 不一致,您就会感受到画面撕裂等影响,我们随后会介绍这一点。最后总结一下,GPU 对应于 FPS,显示器对应于 Hz。如要获得绝佳性能,我们就要提高这两个值。

高 FPS 助力打造更流畅的画面效果

我们来看一下,高 FPS 如何带来更流畅的动画。我们首先了解一些基本概念,然后在后文深入探讨一下更复杂的主题。

在下方视频中,我们可以看到画面在更高的 FPS/Hz 下更加流畅。在 60 FPS/Hz 下,画面看起来断断续续,就像是从一个点跳到另一个点。在 240 FPS/Hz 下,我们仍然可以看到画面的步进,但这些步进小了很多。

在详细介绍这个概念之前,我们先将 FPS 锁定到 Hz。虽然这种情况实际并不会发生,但如果 GPU 和显示器以相同速率运作,我们就能更容易解释这些概念。

下方的弹跳球动画清楚展示了画面为何变得更加流畅。

60 FPS/Hz 画面中的每个“步进”在 240 FPS/Hz 下都会有 4 个“步进”。多出的 3 个步进填补了动作,让 240 FPS/Hz 下的画面看起来更加流畅。在 240 FPS/Hz 下,您可以在相同时间内看到 3 个额外的信息帧。

画面越流畅,就越有助于您追踪目标。在微调准星以纠正射击越标或未达标问题时,目标的流畅显示有助于您更快锁定目标。

更高的 FPS/Hz 有助于减少重影

所有 LCD 型显示器都不能免除重影的干扰。当显示器刷新时,画面颜色不会立即变化。像素变化需要花费一些时间,尤其是当色彩变化范围很大时。

在下方“反恐精英:全球攻势 (CS:GO)”演示视频中,重影看起来就像物体后面的影迹,一般是在物体位置从上一帧切换到当前位置时出现。

若对下方的弹跳球动画分析重影,我们也可以在小球后方看到重影。

重影取决于动画步进的流畅度,并会出现在动画的前一“步”中。在 60 FPS/Hz 下,动画步进之间的距离变化较大,因此重影非常明显。在 240 FPS/Hz 下,动画步进之间的距离变化较小,因此重影较不明显。

这便解释了在更高 FPS/Hz 下,旋转角色或查看运动物体时为何会更显清晰。与流畅动画带来的益处相似,减少重影也可让您更清晰地追踪目标,帮助您聚焦目标而不是重影。

高 FPS 有助于减少画面撕裂

当显示器显示的帧与 GPU 同一时间输出的帧不一致时,就会出现画面撕裂,这会导致屏幕上出现水平撕裂或图像偏移。在下方示例中,我们可以看到贯穿玩家模型的撕裂现象。

当显示器显示的帧与 GPU 同一时间输出的帧不一致时,就会出现画面撕裂

当 GPU 的输出速率 (FPS) 和显示器的 Hz 不相符时,就会出现画面撕裂。为避免画面撕裂,我们可以开启 V-SYNC。V-SYNC 能够将 GPU 的输出速率有效锁定到显示器的 Hz。开启 V-SYNC 后,GPU 便只能按照显示器刷新周期渲染一帧画面。

该功能虽可消除画面撕裂,但会增加输入延迟,让人感觉游戏响应变慢,这是因为 GPU 通常必须要等待显示您的操作结果。由于延迟增加,很多玩家都倾向于在游戏期间关闭 V-SYNC,选择忍受画面撕裂。

在下方示例中,FPS 高于显示器的 Hz,并且已关闭 V-SYNC。

正如示例所示,画面撕裂在 240 FPS/Hz 下变得更少,这是为什么呢?让我们来细细分析一下。

在下方动画中,有一个人从屏幕左侧跑到右侧。最终,出现了一次画面撕裂。

如动画所示,当发生画面撕裂时,我们看到物体的下半部看起来像是在向前移动,但上半部却留在原地。由于 GPU 速率未锁定到显示率,GPU 会在显示器尚未完成刷新的情况下迅速交换已完成渲染的下一帧。帧完成交换后,其剩余部分将会渲染为更新的图像,从而产生名为“画面撕裂”的偏移现象。

类似于动画步进,物体在帧之间的移动距离在 60 FPS/Hz 时更大,这会增大物体在两帧之间的位移幅度,从而产生更严重的撕裂效果。在 240 FPS/Hz 下,物体在两帧之间的位移幅度更小,这是由于此帧率会缩小两帧之间的时间差,从而减小画面撕裂的影响。画面撕裂影响越小,就越有助于消除干扰因素,帮助玩家专注于赢得比赛。

如上所述,一些显示器采用可变刷新率技术(如 G-SYNC)来为玩家提供关闭 V-SYNC 的出色效果,同时消除画面撕裂。G-SYNC 显示器会等待 GPU 渲染完下一帧,然后再刷新显示器,如此便可让 GPU 尽可能以最快速度完成帧渲染。我们将在后文深入探讨这一主题。

高 FPS 有助降低系统延迟

在下方视频中,我们可以看到在 240 FPS/Hz 下,对面玩家好像居于 60 FPS/Hz 时该玩家所处的位置之前。

这是由系统延迟引起的。

谈到游戏延迟,很多玩家都会想到 ping 或者网络延迟。这种延迟来源是指 PC 上的信息到达游戏服务器并再次返回 PC 所用的时间。

与之相反,系统延迟是指从玩家作出操作(鼠标点击、鼠标移动、键盘输入)到显示器给出响应所用的时间。这种延迟通常称为“移动到显示 (motion to photon)”延迟或点击到触发射击延迟。

是什么原因引起了系统延迟?我们来深入了解一下渲染管线。

在下方示例中,我们将此管线简化成三个阶段,以便于说明。从左侧开始,CPU(用蓝条表示)用于解释出入、更新游戏状态、准备供 GPU 渲染的帧,以及将帧放入 GPU 渲染队列。之后,GPU(用绿条表示)会从队列中提取这些准备好的帧,并渲染它们。GPU 完成渲染后,显示器(用灰条表示)会在下一个刷新周期呈现最终图像。

以上所有操作都需花费时间,所需时间总和就是系统延迟。

在现实世界中,这些操作会依次进行,也就是说每一个阶段都会在这一帧结束以后的下一帧开始。管线运行会影响完成率 (FPS),但不一定会改变系统延迟,因为您的操作在任何情况下都会不断传送到每个阶段。

我们先来看一下 60 FPS/Hz 管线,然后再来了解 240 FPS/Hz 管线。

我们可以看到 60Hz 系统在显示帧时会严重滞后。在对每个系统上的单帧作出这一分析后,我们就能看到系统延迟的具体差异。

最开始时,每个系统的 CPU 都会同时收到玩家的位置。在本示例中,CPU 和 GPU 准备和渲染帧的时间几乎相等。60 FPS 系统管线的 CPU 部分所花时间是 240 FPS 系统的 4 倍。同样,60 FPS 系统上的 GPU 渲染时间也相当于 240 FPS 系统的 4 倍。最后,由于 60 FPS 系统上的刷新周期要比 240 Hz 显示器慢 3/4,因此其显示用时也是后者的 4 倍。

60 FPS/Hz 系统需要花费更多处理时间,因此会远远落后于游戏的实际状况。240 FPS/Hz 系统的渲染速度非常接近于游戏的实际状况,但仍存在一些差异。

下方示例展示了两个系统延迟之间的差异。两个系统之间的位置差异就是系统延迟差异。我们可以利用某种垂直规则(如黑条),更轻松地比较系统延迟引起的这些偏移。

系统延迟越低,您就越能更早看到玩家。此外,降低系统延迟还可缩短鼠标操作到屏幕显示结果的时间,由此提升游戏的响应速度。降低系统延迟能够集中带来以上所有优势,让您在战场上获得竞技优势。

GeForce 支持高 FPS

总而言之,更高帧率可为您带来巨大的决胜优势。它能提升动画流畅度来改进目标追踪,减少重影和画面撕裂来降低干扰影响,同时还能降低系统延迟以助您更快发现目标,从而更迅速地作出响应。高 FPS 集以上所有优势于一身,能够赋予您巨大的竞技优势。

您希望获得多大优势?在今年早期开展的一项调研中,我们能够根据所收集的数据绘制出玩家的平均 FPS 及其击杀/死亡 (K/D) 比图表。其中,K/D 是在“堡垒之夜 (Fortnite)”或“绝地求生 (PUBG)”等竞技游戏中用于衡量玩家技能的常用指标。

通过观察图表,我们可以看出玩家在“绝地求生 (PUBG)”和“堡垒之夜 (Fortnite)”中的平均 FPS 和 K/D 比之间存在关联。在 180 FPS 时,玩家的 K/D 比要比 60 FPS 时高出 90%!

就其本身而言,相关性并不等同于因果关系。但若考虑到 FPS 带来的种种优势,例如本文中介绍的提升动画流畅度、减少重影和画面撕裂以及降低系统延迟,图表中的正相关关系就颇有意义。

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