帧数,从入门到入土

原创 作者:孟德尔 2019-05-07 4.1k

帧数是游戏圈的日经话题,也是最容易引起混乱的话题之一,部分原因是缺少必要的基本知识,另一部分原因是个人评价标准不同,这涉及到审美、阅历甚至是视力,大家的观点差异太大,经常是聊到一半就聊不下去了。个人因素没办法,但是基础知识还是可以补习的,今天我们就把这个问题谈透。

1为什么3D游戏30帧都觉得卡,动画和真人电影只有24帧反而流畅?

关于人类为什么会将连续播放的静止图片看成动态的图像,目前科学还不能完全解释清楚,涉及到视觉暂留、似动现象等一大堆科学概念。我们今天不需要研究那么深,我们要讨论的问题很简单:为什么同样的帧数下,电影看上去比游戏流畅?

因为动态模糊。

电影的本质,是一堆连续播放的照片,而照片有快门时间/曝光时间的概念。电影的一帧,记录的不是现实的瞬间,而是现实中一段时间内的信息。而游戏画面受限于原理,每一张图像都是绝对的瞬间,相比电影图像缺失了很多信息。

电影是每秒24张,但电影每张的曝光时间并不是1/24秒,因为胶片卷动和摄影机快门是两回事。看过一张“索尼影视专业制作乐园”做的教学图,一般的摄影机,1/200秒快门就已经有明显的跳跃感了,要保证流畅最好用1/50秒或者说1/48秒的快门,即所谓的180度快门(摄影我是纯小白,行家轻喷)

没有动态模糊的24帧啥样,我刚好找到个20帧的例子。

http://www.bilibili.com/video/av30916121

话说回来,电影卡不卡要看跟谁比,24帧这个标准太老了,在一些高动态的片子里已经有明显的卡顿感,如果游戏能有240帧,就算不带动态模糊也能吊打24帧的电影了。好莱坞也认识到了24帧的局限性,所以才会有杰克逊的48帧电影和李安的超高帧电影出现,希望高帧率电影未来有一天能普及吧。

伯恩的电影截图,慢快门高动态让很多观众都感到不适


王家卫标志性的偷帧。


有人会问了,皮克斯的3D动画电影也是24帧,为什么不卡呢?因为预渲染3D动画会模仿电影摄制过程,加入动态模糊的信息,3D动画的一帧,并不是只包含了一帧的信息。专业3D动画软件有非常复杂的算法实现动态模糊,反正人家几分钟甚至几小时才出一帧,有无穷无尽的算力可以浪费。而游戏中的实时动态模糊特效当然不可能那么讲究,多数仅仅是高斯模糊的变体,这就是为什么很多游戏开了动态模糊效果反而让人觉得卡。

理论上,如果机器算出120帧画面,然后合成到30帧,那么30帧的游戏画面会有巨大的提升,然而有那功夫把120帧原样放出来就行了,没必要脱了裤子放屁。当然,如果显示设备或者接口受限于60帧的限制,也可以使用帧合成的动态模糊算法,这应该是未来算力富裕之后的事了。

这是实拍的截图,注意看左侧,图像模糊的方式非常复杂,车不是作为一个整体模式,而是要考虑到各部分在画面上移动的速度。


这是GT赛车的片头预渲染CG动画,很有点意思了。


这是GT赛车的游戏画面,绝对清晰。


这是GT赛车游戏画面在照相模式下进行后期渲染的效果


显然预渲染动画的效果要比游戏机实机画面好得多,哪怕加上后期处理也是专业软件更好。

然后再说动画。动画是人手画的,按理说不会有动态模糊(后期特效另说)。而且日本动画为了节省成本,一般是不会画足24帧的,比如一拍三就是24帧只画8帧,但是我们在看8帧的日本动画的时候,并没感觉特别的卡,这是怎么回事呢?

其实动画师在绘制时,已经考虑到了动画的劣势,做了大量的变形加工。包括迪士尼的十二法则,本质上也是为了弥补手绘的缺陷,才故意做出夸张的处理。

像京都这个手部的动态模糊,就完全是手工画出来的。


而结合变形后就是这样了。


有一种特殊情况是转描动画,就是先用真人拍一遍然后照着描成动画,转描时很难加入动态模糊,所以转描方式的动画往往给人以非常楞的感觉。24帧的转描动画本身效果就不好,如果是恶之华那种减帧的转描,就非常恶心了。


2帧数、刷新率、动画张数

刷新率是一个硬件概念,指的是信号本身和显示器的特征,与游戏无关。之所以很多人搞混,是因为在模拟时代,游戏的帧数与信号刷新率是绑定的。

美日的N制每秒是29.97帧图像,每个图像480行,受限于带宽,实际传输时每帧拆成2组240行的隔行信号,计算时一般取整到60,与59.94大约一分钟差2帧。而早期街机和游戏机输出的是逐行信号,第一帧和第二帧都是奇数行,偶数行空着,CRT游戏特有的扫描线其实就是解析度不足出现的空行。也就是说老游戏机每秒输出60张不同的图片。

3D时代初期的游戏机开始采用480I信号,输出时是隔行的,也就是说奇数偶数帧的图像是不一样的,这就是为什么PS2的游戏画面在逐行设备上会出现拉丝的现象。

欧洲与中国大陆的电视标准为PAL,频率50HZ,也就是50帧。老式游戏机的运行方式是行扫描,在使用欧亚版游戏机运行日美版本游戏时,游戏内部机制仍然以60HZ为基准,这就导致了图像压扁(因为P制信号行数更多)和拖慢。不仅是图像,连声音也是一样,我们之前玩的FC上的盗版游戏,由于没有修改游戏内部时钟机制,图像和音乐都是比原版慢的。

老游戏机的2D在遇到运算不过来的情况时,往往会采取拖慢的方式,这就是STG游戏中著名的“处理落”,而运算3D游戏时采用跳帧还是拖慢由设计者决定。像DC上的莎木1,场景人数一多就会拖慢。

帧数(FPS),指的是游戏内部运算每秒产生多少张图像,与刷新率是完全不同的概念。

帧数不足是“卡”,突然掉帧也是“卡”,两者本质上是一样的。比如游戏输出信号是60hz,而游戏画面是30帧,那么显卡就会把同一张图输出2次。如果游戏突然掉到15帧,显卡会继续输出缓存中的上一张图,也就是一张图输出4次。

萌新常犯的一个错误是,认为卡顿是帧数不均匀造成的,这是不对的,30帧的游戏卡,30帧突然掉到15帧更卡,你觉得30帧不卡仅仅是因为你弱。

动画张数,这是一个让很多人糊涂的概念。

像街头霸王2,角色一个动作也就3、4张动画,每秒还不到8帧,为什么远比3D游戏的15帧要流畅呢?因为2D游戏的帧数与动画张数是完全无关的两件事,虽然角色的动作没有变化,但是角色仍然在画面上运动,游戏仍然是60帧的。所以你并不会产生3D游戏的卡的感觉,只会觉得角色动作有点生硬。

比如这3张截图,只有2张角色动画,但实际上是3帧不同的画面。


越新的格斗游戏,角色动画张数越多,有时候会在原有基础上增加中间帧,目前为止角色动画张数最多的应该还是街霸3,也并没有达到全动画的水平,有的必杀技每秒只有6张图,换算到动画仅仅是一拍四而已,

3影响帧数的因素

在2D游戏时代,游戏机游戏的帧数基本是由CPU决定的。这是因为游戏机的图像运算完全由显卡负担,2D显卡采用硬件活动块+硬件卷轴的原理,画面上能同时出现多少个元素都是硬件定死的。如果画面上元素太多,不好意思,只能轮流显示了,所以FC游戏经常发生画面缺损。而2D游戏的拖慢,一般是因为CPU无法负担逻辑运算造成的,典型的就是STG游戏的大量活动物体轨迹运算导致的拖慢。

同期的PC游戏则不一样,PC的图像运算由CPU生成,2D显卡只是一个简单的合成单元,这就是为什么早期PC的CPU性能是游戏机的几十倍,画面却不如游戏机。

3D游戏画面的生成原理与2D完全不同,在光栅化体系下,图像运算分为空间坐标变换+光影效果,以及光栅化渲染两部分。早期的3D显卡比如VOODOO只负责光栅化的像素纹理填充,3D运算的主体由CPU完成。同期的游戏机比如N64也是一样的结构。SS和PS结构更加奇葩一些,不过基本也是分成前后两步。

之后来到以GeFore 256为代表的第二代显卡,卖点是硬件T&L,也就是显卡接手空间坐标变换+光影效果的工作,CPU从图形处理中解放了。而PS2之所以被骂,也是因为它在任天堂和微软确定采用第二代显卡的情况下,仍然使用上代游戏机的结构。(DC推出的早,没用硬件T&L不怪世嘉)

由于CPU负担的工作越来越少,导致游戏机的CPU越来越弱。帧数不足的问题,CPU和GPU都有责任,但是GPU可以通过降低特效降低解析度等一系列方法减轻负担,而CPU的运算是不能打折扣的,所以现在的游戏机游戏帧数不足一般都是CPU背锅。

至于下一代光线追踪游戏机谁背锅,再说吧。

4游戏画面多少帧才算流畅?

经常有人说自己10帧以下也能接受,15帧就不卡,进而得出结论“帧数不重要”。

来来来,给你看看16位机的3D赛车,你要还能嘴硬我服你。

http://www.bilibili.com/video/av30915947

游戏圈把60帧定为标准,有一定的历史因素。在80、90年代动作射击游戏的黄金时代,大部分街机和游戏机都是输出逐行信号的,每秒有60帧不同的画面。游戏界所有关于手感、反馈、打击感的概念,都是在60帧的情况下定义的,包括了从马里奥到魂斗罗,从街霸2到KOF的一系列经典大作。如果新游戏不够60帧,老玩家很快就能发觉,然后在媒体上批判一番。

为什么很多人觉得30帧也能凑合呢?因为你们跟人家大佬玩的根本不是同一类游戏。90年代兴起的RPG AVG AADV这些类型,以及21世纪兴起的沙盘游戏(AADV或者ARPG),对动作性的要求远不如早期的游戏,所以30帧也能凑合玩。

同为后起之秀的FPS,对于帧数的要求比老街机游戏还高,所以你看到PC上的FPS玩家都声称非60帧不玩,120帧最佳。

至于现在遍地的30帧,一方面是大部分玩家玩的游戏类型对帧数要求不高,另一方面是3D时代硬件性能跟不上画面的发展速度,厂商只能做到30帧。如果游戏公司真的认为30帧够用,就不会把60帧特意当作优点吹嘘了。厂家认为大多数玩家更在意画面的特效,解析度和帧数属于可以牺牲的范畴,所以你看PS3和PS4两代主机,越到后期解析度和帧数越糟糕。

为什么最低标准是30帧不是20帧或者25帧呢?很简单,因为90年代大家把各种帧数都试过了,典型就是我上面发的那个梦游美国的20帧。经过实战检测,20帧和25帧连小白玩家都受不了。

除了画面本身,游戏的反馈延迟也影响到玩家的感受。FTG玩家要求60帧,是因为游戏的判定以1/60秒为单位,比如A招在输入后3/60生效,B招4/60生效,那么A招就会有优势。格斗游戏的制作公司会主动向玩家灌输这些专业的概念,比如VR战士中结城晶的提膝弹腿,明确要求按某个键1/60秒,超过这个时间就无效,所以格斗游戏玩家也被称为“生存在1/60秒世界的人”。

当然,人的反应速度是绝对到不了1/60秒的,一般比较快的人有1/10就不错了,但是实际游戏过程中,我们的动作都不是凭借临时的反应,而是条件反射,如果游戏反馈慢,会明显影响感受,真的是1/10秒的话这游戏也就不用玩了。如果游戏空有120帧,操作要延迟4帧才能反应到画面上,那跟30帧就没有太大差别了。

由于现代电视大多带有图像信号强化功能,又进一步引入了新的延迟,有些电视的高级功能(比如补帧)会让延迟高到难以置信的程度,所以玩游戏时尽量关掉这些东西。像XRGB这类模数信号转换设备也有专门的低延迟游戏模式。


作者:孟德尔
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