帧数和游戏画面之间的那些事不只是“流畅”那样简单

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长久以来,国内一些游戏玩家都对游戏的帧数和流畅度之间有一些误解,甚至有些人会将帧数与网络延迟挂钩。每当我听见某些LOL玩家、甚至是游戏主播说自己“我FPS都180多了,怎么那么卡”的时候,相信除了我以外,还有许多人想一起吐槽和科普关于帧数和游戏画面的那些事


今天我们来谈谈游戏和帧数的一些原理,讲讲游戏和电影画面在帧数方面有哪些不同之处,顺便和大家聊聊被玩家所讨厌的“动态模糊”和“垂直同步”特效。许多人不知道的是,它们其实都和帧数有着剪不断理还乱的关系。


关于游戏和电影的帧率,大家可能都听说过一个观点——24帧以上的画面都可以被人眼准确认定为“动的画面”,这也是早期电影的帧数标准。


不同帧数下,人眼接收到的信息量


不过大家可能都忽略了一个事实,虽然人眼的“理论可识别帧数”是24帧,但人类视神经和大脑有着极高的动态补偿能力。也就是说,人类是可以感受到、辨别出24帧以上的画面的,而且不同帧数的画面带给人的实际体验也截然不同。不然也就不会出现类似于《比利·林恩的中场战事》这种原生120帧的电影,同样也不会有可以显示144帧的电竞级显示器了。科学角度来说,人类真正可以辨别的帧数上限其实是在100-120帧/秒的样子。

相信感受过高帧数电影和高帧率游戏的玩家一定对那种极致丝滑和顺畅的体验印象深刻,而在大多数情况下,这种高帧率画面会为PC带来很高的性能需求。从另一个角度来看,高帧率带来的体验提升并没有想象中的那么高,但它的确在有需求的人们眼中非常重要(比如电竞玩家和影音爱好者)


《霍比特人》是通过48帧技术拍摄的


于是在成本等多方面的妥协下,我们常见的电脑显示器提供的是60帧的显示性能,而多数电视主机游戏提供的是30帧的画面,绝大多数电影则是在30-60帧间徘徊(好莱坞动作场景较多的片子会有60帧,比如漫威系列超级英雄电影等,IMAX的HD新标准为48帧/秒)


由于显示设备在帧数方面的上限(显示器和主流电视的帧率上限为60帧),60帧目前被广泛认为是视频流畅的一个标准。主流的游戏电脑通常也都会满足60帧的需求,为玩家提供高水平的画面和特效显示效果。


不过不要忘了,游戏和电影在画面的生成和处理方面是完全不同的两回事——


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电影


在电影中,每一帧的画面都存在帧与帧之间的动态模糊,当你随便暂停一个画面正在移动的电影时,我们都能看见画面的模糊和“拖影”的存在。这种模糊和拖影当然也会被人眼所捕捉,成为了人脑和视神经合成画面时的高动态捕捉的一环,被认为是一种“流畅”的体现。就算是2D动画每一帧必定是完全静止的画面,画师们也会在帧和帧之间手动画出动态模糊的效果,大家随便找一部动画片暂停截图就可以发现这个小技巧了。


我们举个例子,当你拿出手机(特别是晚上光线不足、快门时间明显变长的情况下)快速移动时按下快门,所得出的“拍虚了的”画面和电影画面快速移动时的其中一帧是一个道理。他们捕捉的都是某一段时间内的一个“动态”,而非传统意义上的一个定个瞬间。


说白了,就是电影的每一帧画面并不完全定格,画面中动态的模糊欺骗了大脑,让它认为“我看到的帧数很高/感受到的信息量很足”。在这种情况下,24帧是能让人感觉比较舒服的。


《冰雪奇缘》


当然了,如果电影按照48帧、60帧甚至120帧的规格拍摄的话,观众所能够获得的体验自然会更好。不信的话,你可以去网上看看《比利·林恩的中场战事》4K+120帧电影在上海放映时的观众反馈。不过过高的帧数会带来摄像方面的一些光学技术瓶颈,一些电影迷也在追求所谓的“电影感”(就是帧率不是那么高的感觉),所以绝大多数电影并没有在帧数方面过于较真。


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游戏


游戏画面的渲染就不像电影那样简单,它的每一帧画面理论上都应该是非常清楚而且单独拿出来也可以当“照片”用的。通常情况下,游戏渲染的原生画面不存在动态模糊(也就是拖影),每一帧的画面与传统电影画面有本质的不同,人脑和视神经也没办法通过“动态补偿”捕捉到帧与帧之间的信息。这种情况下,如果游戏依旧给你的是24帧的画面,玩家就会感觉到卡顿,尤其是竞速、动作和射击类游戏。


之所以人们愿意花大把的钞票放在游戏PC的显卡、CPU和内存上面,根本原因还是为了提升特效和帧数。特别是在画面需要高速转动的游戏中,每秒帧数的高低直接决定了你所能感知到的瞬间信息量,只有你知道这些信息后,才能快速反应、击杀敌人,否则就只能卡在角落瑟瑟发抖了。


在FPS类游戏里面,相信多数玩家都有过瞬间转身寻找敌人的动作,游戏内的角色可能会在半秒内的时间来一个180°大转身。这个时候,游戏就需要在极短的时间内相应玩家的操作,渲染对应的画面,由显示器输出游戏的实时画面。如果你游戏的帧数只有30帧/秒,那在这转身的半秒内你就只有15帧的画面供视角的切换,相信但凡是个正常的人类,都会感觉到那种放幻灯片一样的不流畅感。在主机游戏中,类似的问题可以通过手柄视角转换的较低速度来勉强规避(没法转太快),但在PC上用键鼠操作就把类似的帧数弊端暴露得一览无余。


而在现在主流的一些游戏作品中,特别是主机阵营中由于机能原因无法实现60帧的那部分作品,游戏开发商们都会用两种方式规避由帧数带来的一系列问题:


1. 动态模糊


既然电影中由能够欺骗视觉系统和人脑的拖影画面,那游戏中是否可以做到类似的效果呢。答案是可以的,游戏中的动态模糊可以通过软件模拟移动方向的几何图形,比如头发、树枝、石头、地面、天空和云层等会在镜头中快速掠过的物体,使画面看起来更加顺畅。不得不说,这是一项非常聪明、而且用途很广的画面特效,我们在相当一部分游戏的设置画面中都能够找到它。


游戏中的动态模糊特效


但随之而来的也有个问题,在一些对画面清晰度较高的游戏中(比如《绝地求生:大逃杀》),“不小心做了动态模糊特效就可能找不到敌人”。只要你不是写轮眼玩家、电脑配置又不是很高、还想玩3A大作,动态模糊该开还是开了吧,毕竟它可以显著提升游戏的游玩流畅度。


不过,当你的电脑可以轻松跑出60帧以上的画面,那这个动态模糊还是建议大家关闭掉,毕竟关闭后的画面会更加清晰自然一些,那种“粘滞感”也会随之减少。目前也有一些游戏会针对不同的帧率调整动态模糊的强度,这就是厂商之间见仁见智的事情了。


2. 垂直同步


图中圈出来的部分就是画面撕裂现象,相信你也遇见过


这个游戏画面选项在几乎所有的主流游戏中都会出现,它存在的目的是同步游戏帧率和显示器的刷新频率,使画面的实际输出更加顺滑自然、没有撕裂效果。通常来说,屏幕在显示每一帧画面的时候也是从屏幕顶端逐渐向下进行刷新的,就像用滚轮在墙上刷油漆一样,屏幕顶端和底端是存在刷新时间差异的。虽然这种差异很难被人眼分辨,但在游戏这种经常出现下半屏幕还停留在上一帧,上半面屏幕已经出现下一帧画面的情况,画面动起来时就会出现强烈的撕裂感。


在这种情况下,即使你的游戏帧率非常高,也无法避免由屏幕刷新带来的画面撕裂效果,而垂直同步就是用来解决这个问题的。开启后,电脑会在某一帧完全在屏幕中显示完全后,再输出下一帧到屏幕上面去,让着急想登场的帧画面排队等着,强行对帧率和刷新率进行同步。但这种特效就会带来一些细微的画面延迟,也就是粘滞感,如果你感知不到撕裂的画面的话,这个效果同样还是不开比较好。



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结语

其实每一个视觉能力正常的人类,都可以感知到30帧、60帧、甚至100帧视频画面之间的差异,区别在于他们是否对帧数特别敏感罢了。有趣的是,一些我们自己玩的时候感觉有些“卡”的游戏在剪辑录制之后,观众反而会觉得视频非常流畅。原因就在于视频的压制过程中,帧与帧之间被视频压缩编码意外创造出的动态模糊特效,观众反而有种在看电影的错觉。


这种案例看似模糊了游戏和电影之间的差距,却引出了另一个游戏和电影之间的区别——输入&渲染延迟和显示延迟。人类的触觉感知系统和反应能力是远高于视觉处理系统的,因此玩家们通常对输入的延迟有着非常敏感的反馈。举个例子,iOS系统之所以顺滑,就是因为它在输入延迟方面快于安卓系统一个级别,所以它用起来才那么“跟手”,而他们之间的区别可能只有几毫秒而已。永远不要低估人类在感知层面上的能力,特别是触觉感知系统。


这种敏感的神经系统,也让我们玩游戏时觉得“卡、黏、不跟手”,而想要解决这个问题,最简单的方式就是提升游戏的帧率。在绝大多数游戏中,游戏都会预渲染之后3帧左右的游戏画面,当你进行操作时,所得到的反馈其实是有4帧左右延迟的(包括当前帧和不计入本次统计的显示输入延迟)。我们算一道数学题,如果游戏运行帧数是30帧,那你将面对的可能是1/10秒左右的输入延迟;而当帧数到达60帧时,你面临的延迟就会是1/20秒左右的输入延迟。同时考虑到帧生成时间等更高级别的元素的存在,一般我们还是会认为帧数越高越流畅一些。


预处理帧数和“跟手程度”有很大关系


帧数这件事看似简单,其实背后的原理是相当复杂的。通常来讲,游戏帧数(FPS,Frames Per Second)还是越高越好的,当你的帧数不能满足要求时,可以打开动态模糊挽回帧数丢失带来的卡顿;当你认为画面有撕裂时,开启垂直同步就可以解决显示刷新率带来的麻烦。当然,帧生成时间之类的参数也和画面的流畅程度有很大关系,不过它的故事我们还是日后再说吧。


对玩家来说,帧数永远是陪伴我们游戏人生的重要参数,虽然它看起来很复杂,但我们至少还是对它有一些理解、懂一些帧数背后的原理。


至少……不要把帧数和网络延迟搞混比较好,不然也太没有牌面了。


文:Key

 
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