Почему в играх так важны значения частоты кадров и разрешения?

---

Так называемая "графика" всегда была, есть и, наверное, будет главным фактором во всех спорах среди геймеров. Часто участники дебатов на тему "эта игра/консоль лучше" приводят доводы в пользу своей точки зрения, используя сухие цифры, и, чтобы доказать визуальное превосходство того или иного проекта/консоли, приводят данные о частоте кадров в секунду (fps) и разрешении (resolution).

Но что в действительности означают эти термины, мало кто из участников этих дебатов знает в точности. В чем отличие между 720р и 1080р, или между 30 fps и 60 fps?

Давайте для начала определимся, что же все-таки означают эти вышеуказанные понятия.

Частота кадров 

Стандартное видео и телепередача - это большое количество статичных изображений, которые в определенной последовательности объединены и быстро воспроизводятся одно за другим. "Кадр" - это одно из этих самых изображений, а "частота кадров" - это значение, показывающее как часто кадры сменяются, образуя движение. Конкретно для нашего случая, для видео игр, частота кадров - это значение того, как часто игра меняет кадры на экране/мониторе. Это значение измеряется "частотой кадров в секунду" (frames per second, fps).

Чтобы игрок видел движение в игре, кадры должны сменяться очень часто. Насколько часто, спросите вы? К примеру, в фильмах стандартом является 24 fps (кадра в секунду), для игр разработчики стараются сделать стабильные 30 fps. Если меньше, то игра становится дёрганой и играть становится некомфортно. Это как слушать музыкальную кассету, на которой вырезаны мелкие участки пленки.

Частота кадров в играх и на мониторах - это разные значения. У мониторов есть своя частота, она означает как часто монитор сменяет свою картинку. Она измеряется в герцах (Hz), где 1 герц (Hz) - это один цикл смены картинки. Абсолютное большинство современных мониторов работает при 60 Hz, так что оптимально игра должна тоже работать при 60 fps. Чтобы было проще - стандартный телевизор, обновляющий изображение при 60 Hz покажет все 60 кадров из 60 fps за одну секунду.

Таким образом, некоторые игры могут столкнуться с проблемой с большинством дисплеев, если не будут работать при 30 или 60 fps. Дело в том, что, если игра игнорирует эти значения (30/60 fps) и работает с такой частотой кадров в секунду, с которой она может справиться (PC-геймеры наверняка знакомы с такой опцией, как "V-Sync off"), это вызывает "разрыв экрана" (screen tearing), при этом несколько кадров видны в одном кадре. Включая V-Sync (вертикальную синхронизацию), вы заставляете игру и монитор работать при одной частоте и избегаете "скрин-тиринга".

Разрешение 

Размер изображения - это его "разрешение". Современные широкоформатные дисплеи поддерживают соотношение вертикальных и горизонтальных сторон 16:9. А разрешение - это соотношение у изображения количества пикселей (точек) по горизонтали и вертикали. Разрешение чаще используют в значениях HD (High Definition, высокое разрешение) - 1280х720 пикселей, или просто 720р, а также FullHD - 1920х1080р, или 1080р.

Изображение формата 1080р содержит в 2,25 раз больше пикселей (разноцветных точек, которые составляют картинку), чем 720р, так что для игры заметно тяжелее сгенерировать изображение в 1080р, чем в 720р. Стоит это учитывать, когда сообщается, что игра на одной консоли работает в разрешении 1080р, а на другой - в 720р. При этом и PS4, и Xbox One способны выдавать изображение в 1080р в играх, однако сейчас, в самом начале жизненного цикла новых консолей, существует не очень много игр, способных работать в 1080р-разрешении, особенно это относится к консоли Xbox One. Поэтому, чтобы продемонстрировать визуальную красоту картинки, добавить больше деталей и пр., некоторые игры сейчас работают в разрешении ниже, чем 1080p, но выше, чем 720p. Один из примеров: PS4-версия игры Watch Dogs работает в 900р (1600x900), а XOne-версия - в 792p (1408x792).

Как разработчики расставляют приоритет между fps и разрешением?

Сотрудник студии Naughty Dog Корт Стрэттон (Cort Stratton) занимает еще и должность в группе ICE Team компании Sony. Это группа элитных программистов, создающих новые графические технологии, которые распространяются среди студий разработчиков первого ранга (first-party-студии).

Согласно заявлению Стрэттона, разрешение и частота кадров в секунду связаны между собой. Как правило, разрешение полностью зависит от работы GPU (графического ядра консоли). Вот как Стрэттон это очень просто объясняет:

- CPU (центральный процессор консоли) отправляет на GPU список объектов, которые должен отрисовать графический чип, а также техническую информацию о том, в каком разрешении он должен их отрисовать, GPU "напрягается" и начинает выполнять головокружительное количество вычислений, чтобы определить, какого цвета должен быть каждый из пикселей (точек, из которых состоит одно изображение). Поэтому, увеличив разрешение изображения вдвое, с 720р до 1080р, мы никак не повлияем на работу CPU, так как CPU просто направляет данные для обработки, а обработкой занимается GPU. Но при таком увеличении GPU придется производить примерно в 4 раза больше вычислений, чтобы просчитать больше пикселей. Это и влияет на количество кадров в секунду. Однако часто можно увеличить разрешение (до определенной точки, конечно), не влияя при этом на частоту кадров в секунду.

Питер Томан (Peter Thoman), который известен тем, что сделал впечатляющий мод, улучшающий графику в РС-версии игры Dark Souls, согласен с этими высказываниями:

- Увеличение разрешения повышает нагрузку на GPU, а увеличение частоты кадров влияет на нагрузку на CPU. Так что в случаях, когда разработчики ограничены в возможностях CPU (или по каким-то особенным причинам - в возможностях GPU), вы сможете увеличить разрешение, не повлияв при этом на частоту кадров. 

Стрэттон рассказал, что его опыт работы подсказывает, что чаще всего разработчики решают сделать ставку на частоту кадров, а не на разрешение, и исходить уже из этого приоритета. Нельзя просто начать делать игру и ждать, когда же вы достигнете пределов возможностей железа, дойдя до определенных высот разрешения и частоты кадров. Все это зависит от возможностей железа и движка игры, креативности художников студии, качества игр конкурентов и прочего.

- Во всех играх, над которыми я работал, сначала определялась желаемая частота кадров, от которой уже зависели все остальные аспекты и решения, - говорит Стрэттон. - Многие разработчики решают перейти с 60 fps на 30 fps вместо того, чтобы резать те или иные визуальные эффекты. Но обычно частота кадров - это линия, которую разработчики не переступают.

- Лично я считаю приоритетным высокое разрешение, а не высокую частоту кадров. Я не придаю особого значения частоте кадров, которая выше, чем 30 fps.

Однако и тут есть некоторые особенности. К примеру, чем выше частота кадров, тем ниже input lag, то есть время (в миллисекундах), за которое действия игрока (нажатие на кнопку геймпада/клавиатуры) отображаются на экране (задержка действия).

Здесь мнения Стрэттона и Томана расходятся, хотя в чем-то они и схожи. Томан говорит: 

- Все зависит от жанра игры. В играх, основанных на активных действиях, я не воспринимаю ничего, что ниже, чем 45 fps. Я уверен, что геймерам обязательно стоит обращать внимание на разрешение и частоту кадров, потому чторазрешение делает игру красивее, а частота кадров делает игру более восприимчивой и играбельной. Я всегда удивляюсь, когда издатели говорят, что разрешение не имеет значения. Если это так и есть, то почему они все размещают рекламные скриншоты в 8К-разрешении?!.

Стрэттон поясняет свою позицию:

- Посмотрите на две игры - Uncharted: Drake's Fortune (2007) и The Last of Us (2013) - они обе сделаны одной и той же командой разработчиков в студии Naughty Dog, они сделаны на железе одной и той же консоли, PS3, но между ними огромная визуальная разница. Напоминаю, что консоли PS3 уже почти 10 лет. Теперь взгляните на РС-игры, созданные 10 лет назад, и сравните их с PS3-играми, выпущенными сегодня. Вот чего можно добиться, когда набираешься опыта при работе с определенной платформой, у которой не меняется железо. Разработчики постоянно учатся работать с железом, изобретают новые трюки, оптимизируют процессы, чтобы достичь оптимально возможного быстродействия на платформе на данный момент. Спустя 6 месяцев после выхода PS4/Xbox One невозможно достичь оптимальных 1080р/60fps, но все это будет, когда со временем разработчики обзаведутся необходимым опытом.