Что такое «частота кадров в секунду»? В чем разница между 24, 30 и 60 FPS

Частота кадров в секунду — ключевая метрика для любого геймера при оценке мощности ПК. Зачастую покупки дорогостоящих видеокарт и процессоров направлены именно на улучшение этого параметра. Разбираемся, от чего зависит и на что влияет кадровая частота в играх, кино и мультипликации.

Научись разработке игр

Кадровая частота (англ. frame rate) — это количество кадров, сменяющих друг друга за секунду. В кино, анимации или видеоиграх термин зачастую используют, чтобы пояснить, насколько изображение получилось «плавным». Единица измерения такой частоты тоже есть — это буквально кадры в секунду (англ. frame per second, или FPS). Чем их больше, тем «плавнее» изображение: если для фильмов норма — 24 кадра в секунду, то в разговорах про игры обычно упоминают цифры от 30 до 60.

Это, впрочем, не предельные значения. Так, в классических мультфильмах Уолта Диснея кадровая частота — 12 FPS, но картинка всё равно достаточно «плавная», чтобы не раздражать зрителей, — всё благодаря приёмам аниматоров. А вот профессиональный киберспортсмен, играя на самом современном компьютере, вполне может увидеть до 300 кадров в секунду. Рассказываем, откуда такой разброс и что в этом «фреймрейте» важного.

24 кадра в секунду

24 FPS — стандарт в кинематографе. Показатель, наиболее комфортный для зрителя.

Впервые частоту киносъёмки осознанно выбрали пионеры кинематографа — братья Люмьер. Она тогда составляла 16 кадров в секунду. Это был строгий расчёт — расход 35-миллиметровой киноплёнки составлял ровно один фут (0,3048 метра) в секунду.

Во времена немого кинематографа скорость показа фильма нередко превышала частоту съёмки. Киномеханик, который вращал ручку проектора, подбирал темп в зависимости от настроения фильма и «темперамента» публики — от 18 до 30 кадров в секунду.

Ситуация изменилась с появлением звукового кино. Поскольку разная скорость воспроизведения меняла частоту звука и голоса становились выше, американские кинокомпании задумались о стандарте фреймрейта. В 1926 году таким стандартом стал показатель в 24 FPS — создатели кино выбрали его как компромисс между «плавностью» картинки, расходом плёнки и возможностями техники. Как раз с этой частотой мы смотрим фильмы по сей день. Хотя исключения тоже бывают.

Кто-то снимает быстрее?

Современные режиссёры иногда проводят эксперименты с увеличением кадровой частоты, чтобы сделать изображение «плавнее» и тем самым усилить погружение. Один из самых известных примеров — «Хоббит» Питера Джексона, снятый с частотой 48 FPS.

Другой пример — фильм «Гемини» Энга Ли, снятый с частотой и вовсе 120 кадров в секунду.

Правда, чтобы увеличить в фильме кадровую частоту, вовсе не обязательно снимать его с высоким фреймрейтом — порой достаточно и современного телевизора с функцией «сглаживания движения» (англ. motion smoothing).

Дело в том, что частота обновления экрана у нынешних ТВ превышает общепринятую кадровую частоту кино — это может быть и 50 Гц против 24 FPS, и даже 120 Гц против тех же 24 кадров. Иногда это приводит к тому, что изображение начинает дёргаться и дрожать. Чтобы решить проблему, изобрели «сглаживание движения» — эта технология анализирует движение объектов и создаёт дополнительные кадры, будто бы заполняя ими «пустые» места.

Звучит здорово, однако на деле motion smoothing только портит изображение. Резкость картинки заметно увеличивается, порой возникают артефакты изображения, а естественная «смазанность» сцены, специально созданная режиссёром, становится едва заметной, сбивая фокус. И в результате возникает «эффект мыльной оперы».

По этой причине режиссёры и актёры выступают против технологии, называя её проклятием кинематографа. Хорошо, что пока это лишь опция, которую при желании можно просто отключить.

А что с кадрами в мультфильмах?

Сегодня во время съёмок кино оператор выставляет на камере нужную частоту. Всё сложнее, если речь идёт о мультипликации, ведь каждый кадр необходимо нарисовать вручную. По кадровой частоте анимация делится на несколько видов:

1s — когда каждое изображение уникально. 2s — когда каждый из 12 кадров показывают дважды. 3s — когда зритель видит 8 сменяемых кадров за секунду. 1/3 1s — когда каждое изображение уникально. Источник: manga-home.com

Чтобы снять 20 минут мультфильма в анимации вида 1s, необходимо нарисовать порядка 28 000 уникальных рисунков. Это весьма непростая задача, и потому мультипликаторы идут на всевозможные уловки, чтобы зритель не заметил недостающих кадров. Так, анимацию 1s чаще всего применяют только в активных сценах — например, если персонаж бежит.

Постепенно в создании анимации появились новые секреты. Первым работу мультипликаторов оптимизировал Уолт Дисней: ведущие художники сперва рисовали основные кадры (англ. keyframes), а после этого в дело вступали художники-фазовщики — они рисовали «промежуточные фазы движения» (англ. in-between) и доводили анимацию до финального вида. Эти термины остаются актуальными для аниматоров и сегодня.

Для экономии кадров художники идут и на другие хитрости. Скажем, рисуют фон и на статичный рисунок накладывают прозрачные целлулоидные плёнки с подвижными элементами. А ещё аниматоры зацикливают кадры или же «раскладывают» персонажей и объекты в несколько слоёв — например, анимируют только губы на неподвижном лице.

В японской анимации — аниме — художники для упрощения своих задач зачастую пропускают промежуточные рисунки — фазовки. Из-за этого эмоции на лице персонажа меняются моментально.

В аниме также существует термин sakuga — это моменты, когда качество картинки возрастает и доходит до стандарта 1s. Приём используют для заставок, сюжетных поворотов или экшн-сцен.

Сколько кадров в видеоиграх?

Оптимальный фреймрейт в играх выше, чем в кино, — он начинается с 30 кадров в секунду. С точки зрения технологий кадровая частота в игровой индустрии работает иначе, нежели в кино, однако суть та же — чем больше FPS, тем лучше. Кроме того, именно счётчик FPS — главный показатель производительности той или иной игры.

Частота в 60 FPS обеспечивает куда более «плавное» изображение. Впрочем, важнее стабильная производительность. Высокий фреймрейт, который время от времени неожиданно «падает» до 35–45 кадров, игрок воспринимает хуже, чем стабильные 30 FPS. Любой такой сбой воспринимается как лаг, ведь мозг игрока «настраивается» на определённую кадровую частоту.

Кадровая частота игры во многом зависит от того, на какой платформе она запущена. Так, на ПК единственное ограничение в большинстве случаев — мощность «железа», которое может быть очень разным. Зачастую это вызывает дополнительные проблемы при оптимизации игры: сделать так, чтобы она работала одинаково на всех компьютерах, попросту невозможно — комбинаций «железа» слишком много.

При создании версий для игровых приставок, где установлены фиксированные комплектующие, ситуация немного проще — оптимизировать игру приходится под тот или иной «стандарт» (в зависимости от конкретной приставки). В этом случае, правда, возникает другая проблема: нередко мощности устройства не хватает для частоты в 60 кадров, и тогда разработчики искусственно ограничивают фреймрейт на отметке в 30 FPS. Это компромисс — низко, зато стабильно.

Правда, с появлением консолей нового поколения — Xbox Series X и PlayStation 5 — многие компании и студии при разработке стали целиться именно в 60 FPS, поскольку «железо» позволяет. По крайней мере, пока. Если верить рекламе, новые консоли способны выдавать и 120 FPS, но это, конечно, касается относительно «лёгких» с точки зрения графики игр.

Фил Спенсер, глава Xbox:

«Мы никогда не пытались ограничить разработчиков в том, чего они пытаются добиться на нашей платформе, будь то 60 FPS на Xbox 360 или 4K и 60 FPS на Xbox One X. Мы хотим дать им инструменты для того, чтобы они создавали свои игры на любой из наших платформ. В поколении Xbox One X мы уже достигли момента, когда игры выглядят потрясающе, но у нас есть простор для того, чтобы сделать их ещё лучше. Я хочу, чтобы игры ощущались столь же здорово, как и выглядят. Думая о будущем, мы хотели сосредоточиться не только на количестве пикселей, но и на ощущениях от игр, которые обеспечивает высокий фреймрейт».

Похожего мнения придерживаются и разработчики, которые сотрудничают с Sony.

Кадзунори Ямаути, руководитель разработки серии Gran Turismo:

«Разрешения 4K достаточнo, его хватит надолгo. Но мне хочется вместо того, чтобы оставаться на уровне 60 кадров в секунду, поднять частоту до 120 или даже 240 кадров в секунду. Я думаю, это то, что изменит игры».

И если в одиночных играх кадровая частота играет роль важную, но всё-таки не принципиальную, то в киберспорте высокий показатель FPS — залог успеха.

И не только он: ещё при подборе техники для соревнований профессиональные игроки учитывают частоту обновления экрана монитора. От неё зависит, как часто и быстро обновляется изображение на дисплее каждую секунду. Так, при частоте 60 Гц кадр меняется каждые 16 миллисекунд, при 144 Гц — каждые 6 миллисекунд.

Когда монитор обновляется с такой скоростью, разница не видна глазу, всё дело в мелкой моторике. После нескольких лет тренировок киберспортсмен в той же Counter-Strike: Global Offensive использует лишние 10 миллисекунд для более точного наведения прицела. Для реализации своего потенциала профессиональным игрокам необходима техника с максимальными характеристиками, даже несмотря на то, что упомянутая Counter-Strike — не слишком требовательная к «железу» игра.

Ещё один пример — Call of Duty: Black Ops — Cold War. Компания NVIDIA, которая выпускает видеокарты, в 2019 году провела исследование «фликшотов» — этим термином обозначают ситуации, когда игрок в шутере очень резко целится во врага и метко стреляет. В случае с Black Ops частота обновления 360 Гц улучшает качество стрельбы на 4% — по сравнению с монитором на 240 Гц. И этот небольшой перевес может оказаться решающим во время соревнования.

Стоит ли беспокоиться о низком фреймрейте в играх и фильмах?

О низком фреймрейте в фильмах беспокоиться точно не стоит — как мы отметили выше, 24 FPS — общепризнанный стандарт, наиболее комфортный для зрителя. С играми сложнее, особенно если вы играете на ПК и разрабатываете для этой платформы. Добиться максимально комфортной кадровой частоты — это в первую очередь задача разработчиков. А игрокам о ней заботиться нужно в последнюю очередь.

Автор: Дмитрий Землянкин