为什么游戏帧数一般要到 60 帧每秒才流畅,而过去的大部分电影帧数只有 24 帧每秒却没有不流畅感?

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  虽然电影24FPS也不如60FPS的流畅,但是24FPS不会让人觉得卡,甚至12FPS都不会让人觉得卡,而24FPS的游戏能让人很明显的感受到卡,12FPS就是幻灯片了,这是为什么呢?有两个原因。

  第一个原因就是由两者图像生成原理不同造成的。

  电影虽然只有24FPS,但是每一帧都包含了一段时间的信息,而游戏则只包含那一瞬间的信息。一个电影在一段时间内曝光,画面的每一帧,都包含有一段时间的信息,这段时间的长度由快门时间决定,最长不能超过1/24秒,所以视频中每一帧包含信息量较大。而游戏的第一帧包含第0秒的信息,第二帧包含了第1/24秒的信息,只有这一个瞬间的信息,这中间的信息完全丢失了,所以看起来会卡。

用图来解释一下,比如有一个圆从左上角移动到右下角,第一帧是这样的:

  如果是电影,第二帧可能是类似下图这样的(图画得不好但是就是这个意思):


  如果是游戏的话,第二帧就应该是这样的图:


  看出区别来了吗?这是因为电影和游戏的画面生成方式的本质不同造成的,电影的画面是拍摄的实际场景,在快门时间内胶片/传感器持续曝光,这一段时间里人物场景的变化都会被拍到胶片/传感器上,每隔一段时间换下一张胶片再曝光一段时间。

  而游戏的画面则是由显卡生成的,显卡通过计算生成一帧画面,生成完毕后再计算下一帧,这样每一帧都是清晰的,不会有模糊,像我上面图中的那个圆,不管他的移动速度是快是慢,显卡只计算两帧画面,中间的移动轨迹一概不会显示,我们看到物体就好像老版西游记里面孙悟空施一个法术“就”的一声飞过去了。

  这里大家可以花10秒钟时间做一个非常简单的实验,先缓慢的挥手,发现手的影像是很清晰的,再快速的挥手,发现手的影像不清晰了,有了残影,但是你绝对不会觉得画面卡了,这就是电影的效果。我们再来模拟游戏的效果,先缓慢的移动鼠标,再快速的移动鼠标,发现了吗,快速移动的时候鼠标卡了,鼠标是一下下的跳动过去的,这就是游戏的效果了,发现为什么卡了吗。

  游戏里无论移动速度快或慢,始终保持一秒钟60帧画面。当鼠标一秒60像素的时候,鼠标箭头是1像素1像素的移动,一秒600像素的时候,箭头就变成10像素10像素的移动了,中间10个像素的位置信息就丢失了,画面就不连贯了,就卡了。电影里里面一米一米移动的时候,每帧的画面是清晰,十米十米移动的时候,动作就会出现拖影,给人以动感的效果,连贯而不卡,看动作片时暂停就能看到拖影了。人眼的视觉暂留和相机拍摄视频的原理类似的,人的眼睛不可能在第0秒看到一副画面,到第1/24秒又看到一副画面,而是连续的接受光照在视网膜上,持续曝光,所以快速挥手,可以看到手的残影,效果跟电影里面的模糊类似的,就算FPS不高也不会卡了,而如果在游戏里面快速挥手,就只能看到手在两边来回跳,中间的画面没了,就卡了。

  在上面的实验中,如果试着更快速的移动鼠标,并且让鼠标做出更复杂的动作,例如画8字形,会发现中间丢失的关键帧更多了,越发显得卡了。这也就可以解释为什么RPG游戏以较低帧数运行的时候不觉得卡,而FPS游戏以低帧数运行的时候会卡了。这是因为FPS节奏快,人物移动迅速,甚至可以一秒钟内整个场景转上一圈,一旦帧数不高,中间的动作就会有断档,会觉得卡了,所以射击游戏对帧数的要求更高。就像不管我们怎么移动鼠标,显示器始终60FPS没变,但是快速移动就是会卡,这是游戏和电影生成影像的原理本质不同造成的。并且射击游戏对操作响应速度的要求非常高,一旦FPS低了操作也会反应不过来,RPG游戏对操作反应速度要求明显低多了,像回合制的压根就无所谓了,喝杯茶再来操作都行,射击游戏里的生死都在毫秒间,帧数一低随时挂掉,像Quake3中某个跳跃动作甚至还要求必须在125FPS以上才能完成。

  现在很多游戏特别是赛车游戏,当速度变得很快的时候,会加入一个动态模糊的特效,就是模拟电影中这种高速运动的物体有拖影的效果,打开之后会觉得画面连贯一些。但毕竟是模拟特效,还是不能和真拍出来的效果比,做得不好反而会画虎成犬。


  ↑电影《星际穿越》画面,可以看到很明显的动态模糊。

  ↑这是早期的极品飞车,没有任何动态模糊,一旦速度过快,画面就显得不流畅了。

  ↑这是现代的极品飞车,可以看到有较真实的动态模糊效果,这样就显得流畅多了。

  想要体验像游戏般卡顿感的视频,大家可以去B站体验,找一个60FPS的视频,例如科技美学的评测:一代神机 诺基亚3310复刻版 开箱上手体验测评「科技美学直播实录」。打开视频后在右下角选择清晰度,超清为60FPS,其他则为30FPS,对比一下就会发现30FPS的版本明显卡了很多,这是因为B站的30FPS就是把60FPS的去掉了一半的画面,没有动态模糊,信息量一下子少了一半,毕竟也没有一种能自动补全动态模糊的技术,这时候你就能感觉到片头的字幕和画面是跳着走的,那岩的动作也极不流畅,这和游戏中的卡顿颇有异曲同工之妙。如果这个视频一开头就是用30FPS拍的,那显然不会如此卡顿。

  第二个原因就是电影的FPS是稳定的,而游戏则是不稳定的。

  电影虽然是24FPS,但是他固定每隔1/24秒换一次画面,画面出现频率是固定的,这点雷打不动,画面之间间隔时间是稳定的。而游戏乍一看是60FPS没错,但是为什么同样是60FPS,有的流畅有的卡顿呢,有人就曾经做评测研究过,为什么一模一样的FPS,有些显卡会感到“顿卡”呢。评测是这样的,他记录了在一秒里面,每一帧都在什么时候出现,于是一下子真相大白,流畅的显卡,他60帧画面差不多是每隔约1/60秒出现一次,也就是说显卡稳定的每隔一段固定的时间生成一副画面,卡顿的显卡,可能前半秒生成了59帧画面,后半秒就只有1帧画面了,那个评测里面提到一个概念“帧间隔”,也就是说两帧之间的间隔时间,如果是稳定的,那画面就流畅,如果不稳定,就会卡,有的显卡最大可达数百毫秒,相当于一秒才几帧画面,那自然会让人感觉卡了,如果稳定在33毫秒,只需要30FPS,就会让人觉得基本流畅了。


  ↑如上图,这是AMD两个版本的驱动测试的帧间隔情况,可以看到红线和蓝线的FPS实际上没什么区别,但是明显红线的帧间隔更稳定,蓝线更容易出现顿卡的情况。

  除了显卡性能的不稳定导致上面这种情况出现,就是稳定性能的显卡,也会出现FPS不变帧间隔时间长短不一,因为每一秒里面的画面有很多帧,每一帧的画面复杂程度都不一样。而且不管是PC还是主机,除非显卡性能大大超越游戏硬件需求,否则FPS都不可能稳定在某一数值,游戏评测里都会有平均FPS和最低FPS,最要最低FPS低于了某一数值,游戏自然会在某一时间顿卡。例如最近的大作仙剑6,显卡吧有人测试过用四路泰坦X,依然会在某一时刻FPS跌到0,这种游戏体验无疑是毁灭性的。

  大家都知道,游戏的卡顿分很多原因。RTS游戏中单位出现过多,CPU计算能力不够,会卡,游戏特效变好,显卡算不过来,会卡,切换地图读硬盘,会卡,场景太大内存放不下,会卡。如果我们把FPS(每秒帧数),换成每分钟帧数,可能会发现,一个游戏每一分钟的帧数都会大于3600,也就是每秒都大于60,那这样就不卡了?可能前面30秒每秒有100帧画面,后面30秒每秒只有20帧画面,那后面30秒无疑很卡了。这样来看完全就是耍流氓呀,回过头再来看每秒帧数难道不也是在耍流氓吗?我们只看一秒钟总共有多少帧,而不去看更小的单位,每100毫秒有多少帧,这也是在耍流氓,在一秒钟内整体似乎是流畅的,可是分割到百毫秒十毫秒的时候,并不是每百毫秒十毫秒都是流畅的。所以光看一秒钟有60帧就认为不卡,是错误的,就像我们不能说一分钟有3600帧就不卡了一样,“卡”是发生在更短的时间内,而不是一秒。

  所以,60FPS的游戏会卡。

  并且在游戏中,丢失的帧很可能是动画的关键帧,碰上这种情况,不仅卡,还会显得动作不真实,突然一下子跑了一大步。玩2D游戏就会感受到,即使帧数不高,也不会这样,因为2D游戏的人物动作一般是事先绘制的,游戏中人物做动作实际上是播放动画,不管帧数多低,都“不卡”,有些无良游戏商制作的2D游戏,人物动作一秒就几帧画面,虽然看起来卡卡的,也不是3D游戏的那种卡顿感。因为动作是稳定播放的,不是即时生成的,动作的速度是固定的,就不会出现原因一中动作过快“看不清”的情况,也不会出现原因二中FPS不稳定的情况。同时由于2D游戏是事先绘制的,关键帧都会画出来,人物的动作就是连贯的。当然有些2D游戏里面也有即时生成的光影,当硬件机能不够的时候,即时演算的速度跟不上了,依然会“卡”。