【影格速率】何謂 FPS (Frames Per Second) 為什麼電影 24 格就行，但遊戲卻要 60 格？

大家玩遊戲這麼多年，或許都會有那麼幾個疑問：為什麼 2D 圖像化的古董超級瑪莉不卡，但 3D 遊戲卻卡了？為什麼電影每秒 24 格不覺得卡？但遊戲沒 30 格就卡得受不了？雖然網上有各種各樣的回答，但很多都不盡科學不夠全面，所以筆者還是來全面科普一下吧。

生理基礎

▲ 電影膠捲記錄的逐格資訊。

所有的故事都要從人類肉眼的「視覺暫留」和「腦補」現象說起，前者是指人類視網膜在光訊號消失後，殘像還會保留一定時間的現象；後者是大腦自行補足畫面中間隔的「腦補」功能。它們的混合作用，讓我們誤以為每秒 24 格重播的照片是「連續」的。

而至於為什麼要把數字定在 24，這裡面更多是約定俗成和玄學，電影規格本身也經歷了 16 到 24 格的轉變，這個數字以後估計也會繼續增長。而 PAL / NTSC / SECAM 三種電視訊號規格，把格數定在每秒 25 格和 30 格的原因，其實只是因為不同地區的供電頻率不同（50Hz 和 60Hz）……為了方便計算，採用 NTSC 制式的美國和日本，在遊戲中很自然地了沿用了每秒 30 格的習慣（NTSC 制式為 29.97 格）。

但為什麼看 24 格的電影毫無違和感，但 30 格，甚至 60 格的遊戲中也會出現卡頓？這裡直接說結論，決定遊戲流暢度有 4 個：動態模糊效果、操作回應、影格率和影格率均勻度，當中以動態模糊最為重要。

 

動態模糊

動態模糊，是指相機快門慢於物體運動而導致的運動軌跡拖影。3D 遊戲和電影的重要差別：電影是現實光影的記錄，而 3D 遊戲是 3D 模型形狀/位置的即時算圖，前者會有動態模糊，而後者不會。

電影是恒定頻率拍攝的膠捲 / 數位照片，它可以完整記錄一段時間內的光線資訊。一般 24 格每秒的影像，會選取高一倍的 1/50 秒的快門，可以完整記錄半秒的光線資訊。而這些「多出來」的豐富圖像資訊，會像重影一樣疊在一起而造成動態模糊 / 拖影，其原理和「光繪」一樣，只是快門不是幾秒，而是 1/50 秒。

▲ 高快門速度的樣張。

▲ 低快門速度的樣張。

在人類大腦中，動態模糊是視覺訊息量的一個重要表現，即使實際看到的格數不夠，加入動態模糊的間隔畫面也足夠我們用來進行腦補，從而實現「流暢」。另外，偏題一下，如果同樣的每秒 24 格，如果快門速度提高到 1/96 秒，那膠捲中記錄的光線資訊只有 1/4 秒（24×1/96），不見的光線資訊會讓模糊效果減弱，這樣的電影看起來也是會有卡卡的感覺。

▲ 左側為不同快門速度記錄的光線訊息量（快門越慢，記錄的光線越多），右為實際畫面。

而遊戲則是把這個「快門速度」提升到極致的產物，遊戲中的 30 格，是遊戲引擎生成的 30 個無限短的瞬間畫面，而且這些瞬間無論多快，物體本身都是清晰無比，絕對不會有模糊效果。如果這時候還以 24 格每秒播放，大腦會抗議，這東西動的這麼快，為什麼我還看得那麼清楚，完全不科學啊，結果「腦補流暢度畫面」過程就無法進行，我們就真的在看播幻燈片了。

要解決這個問題，要不提高取樣率，要不就人為增加模糊效果。前者是下面會說到的高更新率方案，而後者就是增加模糊效果欺騙大腦，讓它以為自己看到是高訊息量的畫面（然而模糊效果也很耗資源）。

畫面更新率大小

遊戲中的物體如果每秒移動 1 個畫素點，我們或許還能覺得流暢，但如果物體每秒移動 10 個畫素點，那就有明顯段落感了。這時候需要提高取樣率，把中間缺掉的畫面補出來，如果更新率提高到每秒 10 格，我們就可以看到接近剛才 1 秒 1 個畫素點的流暢度了。

透過把每秒 24 格的畫面，提升到每秒 48、甚至 60 格，雙眼接收到的訊息量大到一定程度，就足夠用來「腦補」出流暢效果了。雖然最完美的遊戲應該是要格數盡可能地多，那樣才是真正類比現實情況，但對於遊戲來說，計算格數越多，需要的性能就越高，這個方案的代價太大了。而現在大家公認的是，做到 30 格就能完成腦補過程了。

更新率均勻度

然而實際遊戲中，30 格照樣會時有卡，甚至提升到 60 格也還是會卡。平時我們看手機評測的時候，常見兩部不同 GPU 的手機，就算顯示的 FPS（每秒格數）相同，照樣也是會有流暢度差異，這是為什麼呢？

▲ 兩款顯卡的 FPS 對比。

▲ 兩款顯卡 FPS 渲染時間對比。

這裡的問題出在「格」的精確上。即使之前時間都能 30 格以上算圖，但只要有那麼幾個瞬間跌破 30 格，那依舊是卡。理想情況下的 30 格每秒，是 30 格均勻分布，但實際上有可能前半秒計算 29 格，最後的整整半秒只算了 1 格。

因為運算能力和畫面複雜度的限制（例如從平原中突然有巨大爆炸的畫面），前半秒算圖壓力小，可以滿格跑，但一到爆炸場景，運算量暴增，來不及計算，後面格數就下降了。肉眼雖然對格數的絕對值不敏感，但明顯的格數變化還是能輕易察覺的。

很明顯平時我們看的 FPS（每秒更新率）的精度完全不夠用，我們需要把精度，從每秒多少格，提升到每毫秒多少格才能精確衡量畫面更新率的穩定性。

回應時間與操作速度

遊戲和電影的最大區別是，遊戲是需要使用者做出動作並對動作進行即時回饋。除了視覺流暢，我們還需要操作流暢。大家追求 60 格高更新率的重要原因，為的就是降低回應時間。我們感知一個動作是否完成，是要機器接受操作資訊，並最終反映在下一格才算完成。而實際操作中，大多數遊戲引擎在接受操作指令後，要 3 格間隔才能呈現在畫面上。

畫面更新率速度越高，我們能感知的操作速度就越快。30 格的遊戲，即使忽略操作指令傳送速率，每個畫面持續 33 毫秒（1s/30=0.033s），一個操作需要 100 毫秒（33 毫秒×3 格）才能反映在畫面上，而 60 格的遊戲，則只需要 50 毫秒就能反應過來了。這 50 毫秒，在遊戲中很有可能決定你是爆別人頭，還是被人爆頭了。

另外，如果出現畫面壓力太大，機器來不及算出畫面，畫面出現掉格甚至卡頓，我們的操作指令也是會被順延輸入的。效果就是我們幾秒前做的操作，在幾秒後才逐一顯示在畫面上，那就會非常卡了……

（本文由 雷鋒網 轉載） 

———————————————————————-

螢幕Hz和FPS的關係

何謂Hz:
赫茲（英語：Hertz）是計算頻率的單位，屬於公制的一種，意為每秒的週期運動次數。其命名取自德國物理學家海因里希·赫茲，符號是「Hz」。
也就說他是一種頻率的計算單位，頻率越高，每秒的周期運動次數也就越高，
這邊就是螢幕的Hz更新單位，
那高Hz的螢幕有什麼好處呢?
就我個人的經驗，
不管是畫面的流暢度、眼睛的舒適度、反應、殘影，
都有十分顯著的感覺，
當然~這個部分跟每個人動態視力也有相當的關係，但就大部分的人而言，
還是能明顯的感覺出其中高、低Hz的差異，

接下來我們談談電腦的FPS
何謂FPS:
每秒顯示張數(英文:Frame per Second，FPS)一個動作、畫面，經由計算後將其連貫起來，形成一個連貫性的畫面，一般來說FPS用於描述影片、電子繪圖或遊戲每秒播放多少幀。
因此當遊戲中計算出來的FPS越高，
畫面就越順暢也越擬真，

在談到螢幕與硬體間的關係前，我先來做個簡單的比喻，
首先，我們將螢幕的Hz看成一條高速公路，
而將FPS看成車子，
當高速公路(Hz)每秒只能讓60台(FPS)通過的時候，
你有144、165、240台(FPS)甚至是更多的車子，高速公路(Hz)也是一樣每秒只能讓60台(FPS)經過而已，
因此，
Hz的最高上限，限制了你FPS顯示的最大上限，
公式是
Hz < FPS，顯示畫面等於Hz=FPS
60<100，顯視畫面等於60=100→60

同理，
這邊我們將高速公路(Hz)拓寬到每秒可以讓240台(FPS)通過，
這個時候你只有60、100、144台(FPS)車子經過，
他不會有任何的堵塞，有多少車子就過多少車子，一路順暢，
因此，
當Hz的最大上限大於FPS的最高上限，那螢幕顯示出來的Hz以FPS數字為主，
公式是
Hz > FPS，顯示畫面等於FPS=Hz
240>100，顯示畫面等於100=240→100

所以可以看得出來，Hz與FPS是禍福相倚，任何一邊偏低，另一邊就跑不出他的實力，
這邊我們就已經說出了他們之間的關係了，
現在我們來說一說它們彼此之間可能會發生的問題，
若剛剛有仔細再看我說的小兄弟就會發現

當高速公路(Hz)比較小，但車子(FPS)數量多灌爆高速公路的時候會怎樣?
會問這個問題的小朋友，真的很棒，
當你在高速公路上，前面時速100，你開120會怎樣?
當然是往前面那台車的屁股給親上去呀，
也就是發生了車禍，那發生了車禍螢幕上會發生什麼事情呢?
也就是會產生了撕裂感，
如下圖:

而為了阻止這種事情的發生，就需要打開"螢幕垂直同步"這個技術，
也就是請一個交通警察，在高速公路上面站著，控制每秒過多少車子，不准任何車子偷跑，
因此當您在遊戲中打開了垂直同步，
會將車子(FPS)數量限制在警察(垂直同步)設定的數量，
公式是
Hz<FPS帶入垂直同步，顯示畫面等於FPS=垂直同步數值
好了，已上就是Hz and FPS的因果關係，不知道此講解大家是否茅廁頓開呢?