Различия между FPS (частотой кадров в секунду), Hz (герцами) и Frame time (временем кадра)
Насколько хорошо, Вы знаете, а если знаете, то понимаете, в чем заключается различие между FPS (частотой кадров в секунду), Hz (герцами) и Frame time (временем кадра)?
Лично для себя, я решил, разобраться в данных понятиях и взаимосвязи между ними. Далее, я изложу свои мысли и наблюдения, стараясь, свои рассуждения, используя понятные и простые примеры, намеренно опуская или пренебрегая определенными деталями. Все описанное далее, может содержать неточности, ошибки, не стоит воспринимать, все описанное в качестве эталона.
В первую очередь, я отдаленно, расскажу об основных терминах и понятиях, затем, последуют примеры с конкретными значениями. Подобный подход поможет лучше, с меньшей запутанностью понять основную мысль.
Представим , что имеется некий ЖК монитор и компьютер с установленными на него приложениями.
Характеристика Hz, в данном случае будет относиться к монитору, ее числовое значение, означает, максимальное количество кадров (изображений), которых, монитор будет способен показать за одну секунду времени.
Характеристика FPS, будет относиться к приложению, установленному на компьютере, ее числовое значение, будет обозначать производительность конкретного приложения на конкретном компьютере, в количестве кадров в секунду, которые могут быть «предоставлены данным приложением» для вывода на монитор.
Hz, обладают постоянным и фиксированным значением, его величина, зависит от характеристик и технологического процесса примененного, при производстве ЖК панели, установленной в мониторе. 30, 60, 75Hz, встречается в большинстве мониторов, матрицы же с поддержкой 122, 144, 166, 200, 240Hz, получили распространение в игровых мониторах.
FPS, как правило, обладает не постоянным значением, часто данный параметр, характеризуют, как среднее, минимальное и максимальное значение кадров в секунду, за определенную сцену или промежуток времени, в пределах которого рассматривается данный параметр.
Количество FPS, напрямую зависит от производительности (мощности) компьютера. Для каждого приложения, следует индивидуально рассчитывать и рассматривать данный параметр, так как, у каждого приложения имеются свои, индивидуальные требования, к технической части пк.
Для каждой программы существуют, минимальные и рекомендуемые или максимальные системные требования к «железной составляющей компьютера», или по-другому системные требования. В первом случае, минимальные системные требования, описывают параметры, необходимые для запуска и более – менее стабильной и комфортной работы по, во втором случае, для наилучшего достижения максимальной или оптимальной производительности данного по, на каком – либо пк.
Рассмотрим еще один фактор, то как человек воспринимает изображение, состоящие из последовательности, сменяющихся друг за другом кадров.
Начнем с того, что существует миф, в котором говорится, что человек, не способен воспринимать, видеть больше определенного числа кадров в секунду (FPS), часто в качестве подобного значения приводятся цифры в 24, 30, 50, 60 кадров в секунду.
Вы когда-нибудь задавались вопросом, откуда появились, настолько точные цифры, без «разброса» или допустимой погрешности, в несколько единиц?
Почему именно конкретное фиксированное значение, ведь все люди воспринимают аналогичные зрительные явления, немного или полностью по-своему. У одних людей, зрение лучше или хуже, чем у других, тогда почему именно 24 или 50 кадров в секунду?
По моему мнению, было бы правдоподобнее и логичнее, если бы, существовал диапазон чисел, например, от 24 до 50, и утверждалось бы, что человек способен воспринимать от начала и до конца, данного диапазона, в зависимости от индивидуальных способностей. В приведенный числовой диапазон содержит немалое количество значений… и самое главное, каким образом это было настолько точно определено?
На самом деле, ответ на эти вопросы, достаточно прост. Данные значения, являются частью, стандартов, используемых, при кинопроизводстве и телевещании. Появились они, достаточно давно, еще во времена пленки и 24 кадра, это минимальное значение, при котором видео материал, воспринимается более – менее целостно и не выглядит, как слайд шоу, а звук сопровождающий происходящие нормально и без особых проблем «ложится» так, чтобы присутствовало ощущение целостности, между видео и аудио, и самое главное при съемке на пленку, ее расход должен был быть разумным, особенно при немалой длительности видео.
Конечно, данный стандарт, появился далеко не сразу…
С дальнейшим развитием технологий, когда пленка, уже была не настолько востребована и появились новые носители информации, «родились» и новые стандарты, предоставляющие зрителю большую плавность картинки и, следовательно, лучшее погружение в происходящее.
Глаз человека, это не механизм или электроника, поэтому такое понятие, как количество воспринимаемых кадров или мегапикселей, не применимы, потому что глаз видит все происходящие не по кадрово, восприятие, зависит от индивидуальных способностей конкретного человека.
Добавлю, что в видео, количество кадров фиксированное, в некоторых моментах оно может изменяться, для придания эффекта, замедленной или ускоренной съемки.
В видео глаз, привыкает к одному и тому же количеству кадров и воспринимает их плавно, а в играх, такого ощущения надолго или вообще не удается сохранить, так как в разных сценах или, при порой малейших действиях, количество кадров в секунду, может изменяться и глаз неплохо замечает изменения в 10 и более единиц, при условии, если изначально FPS, был не очень большим.
В играх, в отличие от видео, количество кадров, можно ограничить, но зафиксировать, на определенном числе надолго, практически невозможно.
Так же частое мнение, что нужно больше 30 или 60fps в играх, оправданно, далее я уделю этому внимание, рассказав, про время кадра.
Пример 01.
Предположим, что имеется монитор с частотой обновления 60Hz, приложение, установленное на пк, «вырабатывает» 80FPS. Как было отмечено ранее, 60Hz означают, что монитор способен максимум отобразить 60 кадров за одну секунду, в таком случае, появляется вопрос, что будет с оставшимися 20 кадрами?
Если речь идет о видео, где как было замечено ранее, количество кадров фиксированное, то оно будет воспроизведено с потерями, данных кадров, в большинстве случаев, это будет незаметно или почти незаметно.
Если речь идет об играх или иных приложениях с нефиксированным количеством кадров, то в дело вступает такое понятие, как время кадра. Оно выражается в миллисекундах (в 1 сек = 1000мс) и показывает, сколько потребовалось времени в миллисекундах, чтобы вывести на монитор данный кадр.
Для расчета используется следующая формула: единица делится на количество кадров в секунду, производимых приложением (fps), полученный результат умножается на одну секунду (1000мс).
1 : 60fps * 1000мс = 16.6мс
Один кадр, был отображен за 16.6мс
Если кадров, больше, чем способен отобразить монитор, то время кадра становится меньше:
1: 240fps * 1000мс = 4.1мс
Чем меньше время кадра, тем более актуальную «картинку», мы можем видеть.
Из всего изложенного, можно сделать вывод, что большее количество кадров, чем способен физически отобразить монитор, мы не увидим, из – за технического ограничения, строения его матрицы. Но, смысл иметь большее количество fps, чем может отобразить монитор, имеет смысл, так как выводится более «свежее» изображение.
Имеется еще ряд, особенностей влияющий на данные переменные и время кадра, но если их не учитывать, то зависимость остается примерно такой.
Разберёмся с кадрами в секунду
В этой заметке расскажу откуда появились 24 кадра в секунду, почему в США их 29,97. Зачем играм так много FPS и почему 25 кадр не работает.
Вступление
Любая анимация существует благодаря инертности зрения. Если изображения сменяются достаточно быстро, то мозг не видит их по отдельности, а создаёт иллюзию непрерывного движения. Скорость смены изображений должна быть выше 10-12 в секунду, иначе мозг воспринимает картинки по-отдельности. Казалось бы, вот и подходящая для человека кадровая частота — 12 FPS и больше. Но не всё так просто.
Немые фильмы
Представьте себе ленту немого фильма, в которой 1 500 отдельных изображений. Если мы покажем фильм со скоростью 12 кадров в секунду, то увидим что-то такое. Гифку сделал по ссылке, чтобы не раздражала мерцанием.
Движение есть, но мерцание в кадре всё портит. Оно появилось из-за того, что мы должны закрыть проектор, чтобы прокрутить ленту дальше и показать новое изображение. По словам Томаса Эдисона, наше зрение не заметит мерцание, если мы будем прокручивать ленту со скоростью 46 кадров в секунду. Но это не лучший вариант, и вот почему.
Сейчас у нас фильм состоит из 1 500 изображений и мы его проигрываем со скоростью 12 кадров в секунду.
Получается 1 500 кадров / 12 кадров в секунду = 125 секунд
Значит, нам достаточно 1 500 кадров, что создать двухминутный фильм.
Со скоростью 46 кадров в секунду наш фильм будет идти всего 32 секунды. То есть, чтобы восстановить хронометраж мы должны создать не 1 500 кадров, а 5 750 = 125 секунд * 46 кадров в секунду. Кинолента будет длиннее в четыре раза, количество кадров больше, а значит отснять, смонтировать и показать фильм выйдет намного дороже.
Легче изменить конструкцию проектора. Поэтому вместо обычного обтюратора поставили трёхлезвийный.
Теперь один кадр показывают три раза и только потом сменяют на новый. Получается частота кадров (хоть и одинаковых) увеличилась. Количество мерцания увеличилось по количеству, но в три раза сократилось по времени. Таким образом инертность зрения стала «съедать» мерцание в кадре.
Мы сменяем кадры со скоростью 16 FPS, но зрителям показываем один и тот же кадр три раза.
И получаем 48 спроецированных кадра в секунду = 16 кадров * 3 повторения. Прямо как и хотел Эдисон, даже лучше.
Мы взяли 16 FPS, а не 12 или 14, так как 16 — минимальное целое число, которое умножается на 3 и в результате даёт число больше 46.
Вот мы и получили первую кадровую частоту — 16 FPS для немых фильмов. Плюс немых фильмов в том, что мы можем легко увеличить или уменьшить количество кадров в секунду, это повлияет только на скорость воспроизведения. Ручку проектора крутил человек и мог варьировать скорость кадров от 14 до 26 FPS.
Звук
Всё сложнее стало со звуком. Теперь нельзя крутить фильм быстрее или медленнее. Нужно соблюдать постоянную кадровую частоту, чтобы скорость, а значит и тембр голоса не изменялся на протяжении фильма. С 16 FPS была проблема, звук не звучал точно, как задумывалось. Нужно было выбрать новую частоту, чтобы она была больше 16 и в итоге давала 48 проецируемых FPS. В итоге, вместо трёхлезвийного обтюратора стали использовать двулезвийный. И утвердили новый фрейм рейт — 24 FPS.
24 кадра * 2 повторения = 48 проецируемых кадров в секунду. Всё просто и удобно. 24 нацело делится на 2, 3 и 4. То есть мы знаем, что половина секунды — 12 FPS, треть — 8, а четверть — 6.
Тут вроде становится понятно — мы и сейчас используем 24 FPS. Тогда зачем нам 25, 30 и тем более 29,97?
Телевизор
Когда решили транслировать изображение по телевизору возникли новые проблемы. Показывать два раза один и тот же кадр было не вариант, да и технически это было сложновато. Ещё надо передать аналоговый сигнал по радиоволнам. И чем больше кадров, тем больше вес файла — значит канал передачи должен быть шире, а значит и дороже. Поэтому стали передавать кадры по половинкам — полукадрами. Разбиваем изображение на полосы и показываем сначала все нечётные, а потом все чётные. Инертность зрения делает своё дело и мы видим целый кадр.
Кадр из людей в чёрном 3
В телевизоре происходит то же самое, только намного быстрее.
По-умному, это называется чересстрочная развёртка и обозначается буквой «i», от слова «interlaced». Ролик с чересстрочной развёрткой и разрешением 1920 × 1080 будет называтся 1080i. А такой же ролик с прогрессивной развёрткой — 1080p. Это означает «progressive» или то, что кадры передаются целиком.
Чтобы не было лишних шумов и конструкция телевизора была проще, полукадры решили обновлять с частотой электросети. Для Европы это 50 Гц. Получилось 50 полукадров в секунду или 25 целых кадров в секунду. В США частота электросетей 60 Гц, значит полукадров будет 60, а кадров соответственно 30.
И вот вроде как всё хорошо, но тут появляется цвет.
Цвет
Теперь через тот же канал нужно донести больше информации. Мы должны передать чёрно-белое изображение для старых телевизоров, цветное изображение и звук. И сделать это было довольно сложно. Потому что как только мы добавляем в электромагнитный спектр информацию о цвете его частота пересекается со звуком и создаёт помехи. Чтобы чётко разделить цвет и звук решили снизить частоту полукадров на 0,1%.
60 полукадров — 0,1% = 59,94 полукадров в секунду
59,94 полукадров в секунду/2 = 29,97 кадров в секунду
Система вещания с такой странной кадровой частотой называется NTSC и использовалась в США и ещё парочке стран.
В Европе таких сложностей не было, в качестве стандарта сразу взяли PAL, который был создан, чтобы решить проблемы с цветом. Поэтому как было 25 кадров в секунду, так и осталось.
>30 FPS
Зачем же тогда делают фильмы в 60 FPS?
Дело в том, что камера размывает любое резкое движение в сторону направления объекта. Величина размытия зависит от расстояния, которое объект прошёл за 1 кадр. И чем больше количество кадров в секунду, тем меньше размытие.
1 секунда / 25 фпс = 0,04
1 секунда / 60 фпс = 0,016
Это называется моушн-блюр.
Разница между фильмами с 25 FPS и 60 FPS только в плавности движения. Резкие движения в фильме выглядят менее размытыми. За счёт этого картинка кажется более реалистичной. Вот в этом и смысл.
25 кадр
Представьте, что мы берём книгу в которой 24 страницы — 23 белые и 1 красная. Если мы пролистнём книгу за одну секунду, то точно заметим, что одна страница другого цвета. Если страниц в книге 25, то ничего не изменится. Страница не станет невидимой и тем более не будет влиять на подсознание, она просто пролистнётся не за 1/24 секунды, а за 1/25. Вот и вся разница. Даже если страниц будет больше 100 — глаз поймёт, что одна из них отличается. Абсолютно то же самое с видео.
Наше зрение не ограничивается считыванием какого-то определённого количества кадров в секунду. Различия между кадрами будут заметны и на двухстах, и на пятистах кадрах в секунду.
Слоумоушн и таймлапс
Слоумоушн это, когда мы снимаем видео с большей частотой кадров, а смотрим с меньшей — снимаем в 120, смотрим в 25.
Снимем на айфон 6 секунд в 120 FPS. Это значит, что за секунду он создаст 120 изображений. За 6 секунд — 720. А смотреть мы их будем в 25 FPS. Это значит, что 720 изображений / 25 FPS мы будем смотреть почти 29 секунд. За это время мы и рассмотрим все детали.
А если мы возьмём высокоскоростную камеру, снимем 1 секунду с фреймрейтом 5 000 FPS и посмотрим в 25 FPS.
5 000 * 1 / 25 = 200 секунд или 3 минуты 20 секунд
Одну секунду реального времени мы смотрим целых 3 минуты. Можно в деталях рассмотреть выстрел пистолета под водой.
После таких расчётов становится понятно почему Slow Mo Guys не выкладывают свои ролики в 60 FPS. Мы просто увидим меньше деталей.
5 000 * 1 / 60 = 83 секунды или 1 минута 22 секунды
Также, есть противоположность для слоумоушна — timelapse. Снимаем видео с меньшей частотой, а проигрываем с большей. Ставим штатив на балкон и делаем одну фотографию в день на протяжении года. Получается, что у нас получилось видео с частотой кадров — 1 кадр в день. За год у нас получилось 365 кадров. Теперь мы включаем скорость 25 FPS. В итоге, получаем 365 / 25 = 14,6 секунд в которые уместился целый год.
Игры
Почему тогда играм недостаточно 25 FPS? А нужно намного больше: 60 или даже 100 FPS.
Как написано в абзаце про фильмы с 60 FPS — камера всегда снимает с небольшим размытием в движении. Компьютер же создаёт абсолютно чёткие изображения. Из-за этого мозгу сложнее складывать их в непрерывную картинку. И чем больше движения в игре, тем больше чётких кадров нам нужно для корректного восприятия.
Для сапёра нам хватит и 2 FPS. Два раза в секунду компьютер будет обновлять изображение на мониторе и показывать попали мы в бомбу или нет. А для Counter-Strike не хватит и 30. Просто потому, что движения там слишком динамичные.
Конечно, игры научились включать искуственное размытие, но оно похоже только мешает игровому процессу. По крайней мере, я не знаю ни одного человека, который включает моушн-блюр в играх. Да и система лишний раз нагружается.
На восприятие также влияет то, что фильмы мы смотрим с постоянной кадровой частотой. В играх же, в зависимости от происходящего, FPS меняется. Как только FPS резко падает, мозг сразу же замечает это. То же самое было бы и с фильмами, если бы кадров в секунду было то 25, то 60.
FPS для игр важен не только для комфортного восприятия игры. Частота кадров равна частоте обновления физической модели. Это значит, чем больше FPS, тем чаще компьютер проверяет сделали вы выстрел или нет. Иногда эти доли секунды важны.
Похоже, что всё, что хотел рассказать — рассказал. Вот кратко все тезисы этой заметки.
Итоги
1) Первый фрейм рейт — 16 FPS
2) Звук увеличил кадровую частоту и сделал её постоянной — 24 FPS
3) Частота электросети определила новую кадровую частоту для телевизоров — 25 FPS и 30 FPS
4) Цвет превратил 30 FPS в 29,97 FPS из-за того, что не дружил со звуком
5) Фильмы в 60 FPS плавнее
6) Слоумоушн — снимаем с бóльшим FPS, смотрим с меньшим. В таймлапсе наоборот
7) Игры генерируют абсолютно чёткие кадры, поэтому нужно больше FPS, чтобы создать плавное движение
8) В фильмах кадры в секунду постоянные, в играх зависят от ситуации
Что означают 1 % и 0,1 % при тестировании видеокарт и процессоров в играх
Все чаще при измерении производительности ПК в играх можно заметить показатели «0.1 % Low» и «1 % Low». Большинство неопытных пользователей не придают этому значения и по старинке смотрят только на средний FPS. На самом деле эти показатели очень важны и на них стоит обращать внимание. И вот почему.
Что такое средний FPS и Frame Time
Время, требуемое для отрисовки одного кадра называется Frame time или же «время кадра». Измеряется оно в миллисекундах, но обычно используют частоту кадров (Frame rate), которая обозначает количество кадров, отрисованных за единицу времени. Частота кадров же измеряется в количестве кадров в секунду — Frames per second или же FPS.
Главная единица, используемая при измерении производительности — средний FPS (AVG FPS) за весь промежуток времени. Средний FPS находится по формуле FPS = n/t, где n — количество кадров, отрисованное за все время, а t — время проведения теста. У среднего FPS есть недостаток, который не позволяют ему быть единственной единицей измерения в бенчмарках.
0.1 % минимальный и 1 % низкий FPS
При измерении FPS его среднее значение не является точной величиной, поэтому внимание стоит уделить другим — 1 % низкий и 0.1 % минимальный FPS. В нашем случае важно понимать, что время отрисовки кадра зависит от его сложности. Во время игры могут встречаться карты с большим количеством предметов и NPC в поле видимости игрока, на отрисовку которых будет уходить больше времени. Такие кадры могут задерживаться на экране, в результате чего картинка может фризить и испортить впечатление от игры. Проблема среднего FPS заключается в том, что при замерах время «длинных» кадров усредняется с «быстрыми», поэтому информация о первых теряется.
К примеру, за секунду было отрисовано 30 кадров с таким временем отрисовки в мс:
33, 57, 23, 13, 34, 68, 34, 40, 44, 16, 90, 27, 66, 87, 23, 37, 17, 23, 31, 21, 23, 20, 37, 12, 32, 36, 22, 14, 20, 10
В данном случае средний FPS равен 30 кадрам в секунду, а среднее время отрисовки кадра — 33,3 мс. Общая картина достаточно неплоха, но если взглянуть пристальнее, то можно заметить четыре кадра, время отрисовки которых в два, а то и в три раза больше среднего. Как и было сказано ранее, при высчитывании среднего времени отрисовки кадра и среднего FPS «долгие» кадры теряются на фоне «быстрых», в результате чего значения получаются неточными.
Было принято решение как-нибудь дополнить значения среднего FPS, чтобы лучше описать все кадры.
Существует такое понятие как процентиль, с английского — percentile (в русском языке чаще встречаются персентиль или перцентиль). В нашем случае это можно трактовать как значение, ниже которого находится определенный процент данных из общего набора. У нас 99-процентиль — это значение, ниже которого находятся 99 % данных из общего числа. И, если он равен 90 мс, то 99 % значений времени кадра из примера меньше 90 мс, а 1 % больше или равен этому числу.
В бенчмарках по договоренности используются 99.9- и 99-процентили. Поскольку обычно в качестве единицы измерения применяются FPS, то в данном случае используются обратные 0.1- и 1-процентили FPS. В народе их принято называть 0.1 % минимальный и 1 % низкий FPS. Обычно эти значения оказываются ниже среднего FPS, так как это часть данных, которая описывает редкие игровые события с многочисленным количеством объектов. Это говорит о том, что сложность кадров в сцене непостоянна. Плохо это только тогда, когда 0.1 % минимальный и 1 % низкий FPS «просаживаются» до неиграбельного уровня в результате чего картинка начинает подлагивать. Правда, оценить этот неиграбельный уровень статистически невозможно — для каждого он свой в связи с особенностями человеческого глаза и привычками геймера.
Математические объяснения недостатков среднего FPS (для любознательных)
Между временем кадра и частотой кадров есть математическая связь: значение FPS после отрисовки кадра — мгновенный FPS — обратно времени отрисовки этого кадра:
Поскольку время кадра обычно измеряется в миллисекундах, а частота кадров в единицах в секунду, вышеуказанная формула будет выглядеть вот так:
Например, кадр был отрисован за 25 мс, тогда получается, что мгновенный FPS по окончании его отрисовки был равен 1000/25 = 40 FPS.
Как уже было сказано ранее, средний FPS находится по формуле FPS = n/t. Кроме нее средний FPS можно найти так:
Где t — среднее время кадра, равное t = (t1 + t2 + t3 + … + t-нное)/n
n — общее количество кадров, t1, t2, t3 и т. д. — время отрисовки каждого кадра
То есть, средний FPS — величина, обратная среднему времени кадра. Подтверждается это тем, что время бенчмарка равняется сумме времени отрисовки всех кадров:
t1 + t2 + t3 + … + t-нное = t
Но почему же средний FPS — недостаточно точный показатель измерений? Так происходит, потому что средний FPS не является средним арифметическим значений мгновенного FPS:
FPS ≠ (FPS1 + FPS2 + FPS3 + … + FPS-нное)/n
FPS ≠ (1000/t1 + 1000/t2 + 1000/t3 + … + 1000/t-нное)/n
Для подтверждения этому приведем одну из вышеперечисленных формул:
FPS = 1000/t, где t — t = (t1 + t2 + t3 + … + t-нное)/n
FPS = 1000n/(t1 + t2 + t3 + … + t-нное)
Значения среднего FPS и среднего значения мгновенного FPS будут равны только в том случае, когда все кадры были отрисованы за одинаковые промежутки времени – t1 = t2 = t3 = t-нное = t, что на практике практически невозможно. В этом и заключается главный недостаток среднего FPS.
Итог
Средний FPS далеко не идеален, и при измерении производительности системы в играх ориентироваться только на него не стоит. 0.1% минимальный и 1% низкий FPS наоборот являются очень важными единицами измерения. Если говорить простым языком, то они показывают самые большие просадки FPS за время теста, портящие общее впечатление от игры.
От чего зависит frame time ?
Планирую взять сборку c i7 8700k, а видеокарту gtx 950 оставить (затычка на время, ибо на все сразу не хватает ), но как будет показывать себя frame time по сравнению с i3 или зависит от самой карточки? Играю в основном в warface, cs и fortnite .
Дополнен 5 лет назад
Наверно вопрос напрашивается зачем такой проц? Отвечу: проц беру с заделом на будущее и видеокарту поставлю под разрешение QHD . Такжен моя нынешняя система плохо работает в пабге и батле 1-й.
Голосование за лучший ответ
Для таких игр — тебя это e6atь вообще не должно.
MAKSIM 2018Ученик (44) 5 лет назад
Я не дописал до конца, система берется не под эти игры и под разрешение qhd.
Привет, ты прикупил себе проц?
Frame Time зависит от абсолютно того-же, от чего зависит и FPS: ОЗУ, процессор, видеокарта.
Как будет — тестируй и узнаешь, или ищи тесты на ютубе.
Для warface, cs этот процессор, мягко говоря, перебор.
MAKSIM 2018Ученик (44) 5 лет назад
Не дописал, беру не для warface, ибо батла и пабг очень плохо работают на моей системе (i3 4170, gtx 950, 8 озу), рывки, торможение и тому подобное.