【球盟会】【游戏杂谈】影视帧率与游戏帧率的差距有多大？

摘要

       众所周知，视频其实是多张静态画面在时间上连续所给人带来的动态假象，这一张张画面就是所谓的帧(Frame)，它是视频的基本单位。

球盟会官网报道

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前言：帧与帧率

       众所周知，视频其实是多张静态画面在时间上连续所给人带来的动态假象，这一张张画面就是所谓的帧(Frame)，它是视频的基本单位。

帧(Frame)最早来源于对胶卷单格画格的称谓。

最紧张的一帧

       将帧与时间进行绑定，就得到了我们熟悉的帧率(Frame rate)，其单位是帧每秒(Frame per second，下文简称为”X帧”)，即每秒所呈现的画面数量。

1895年12月28日于巴黎大咖啡馆放映的，由卢米埃尔兄弟拍摄的10部影片被认为是世界上最早的电影，这一天也被认为是电影的诞生日，当时影片的帧率只有16帧。每段影片受胶卷长度限制，最长仅有一分钟。

10部影片之一的《火车进站》

       如今我们所接触的大部分影像视频帧率基本上都是24帧、29.97帧、30帧以及60帧等，其背后还有一段进化史，这里不多赘述。

       而游戏的帧率，特别是3D游戏，却是一个十分特殊的存在，因为它的每一帧画面都是动态生成的。

       游戏帧率高的有两三百帧，低的时候一二十帧，它与传统影视频的帧率有又有着什么不同之处，背后的原理值得我们每个活在视频与电子游戏时代的人们对其有所了解。

 

从图片静像到视频幻觉

       在对比游戏画面与影视画面之前，我们还需要回顾一下人是如何将不断突变的图片误认为承载运动的视频的。

视觉暂留

       视觉残留(Persistance of vision)，你只需在面前快速地挥动手掌，就能够体会到视觉暂留所带来的“残影”，这对于任何相对你进行快速运动或变化的对象来说都是同理的。

       这是由于光对视网膜所产生的图像在光消失后并不会立刻消失，而是留下大约0.1秒-0.4秒的虚像。

       类比摄像机的话，视觉暂留就是眼睛的曝光。

长曝光下的摄像奇观

临界闪烁融合

       临界闪烁融合(Critical flick fusion)，指的是当进入眼睛的光以足够的频率(约50Hz，也称临界闪烁频率)闪烁时，人眼就会将其视为一束持续的光，而不是闪烁的光。

我国采用50Hz交流电，意味着每盏灯都会以每秒一百次的频率达到亮度峰值，人眼基本无法察觉到如此高频的闪烁。而高精度的摄影设备却可以轻松地捕捉到“闪烁”的灯光，如何消除拍摄过程中的频闪问题则是一门复杂的学问。

为了能够不间断地放映每一帧胶片的同时达到临界闪烁频率，胶片电影放映机通过巧妙的三叶片设计，使得24帧的电影能够以每秒72次的频率闪烁放映，每一帧画面都能够快速的进行三次闪烁放映。来自油管"How a Film Projector Works"：

胶片电影放映机的三叶片结构

似动现象

       除了上述两个生理层面的视觉机制，人类还需要两个重要的心理机制实现从图片变化到逻辑理解的转化。

       似动现象(Phi phenomenon)，指当两个相似对象以一定的空间和时间间隔相继呈现在眼前时，我们就会接收到物体在运动的幻觉。

尽管你知道底层逻辑就是几张不同图片按照顺序进行连续切换，但你任然难以摆脱似动现象给你带来运动的幻觉。

似动现象

心理补偿

       心理补偿(Compensation)是一个重要的心理学概念，在视频的范畴下，概念就比较泛泛并不标准，这里可以简单的理解为人在潜意识影像下，不自觉的联想，这种联想基于每个人的日常生活经验有所差异，它使得观众能够在观看过程中，对视频画面之间的断裂或是不完整信息作出某种补偿。

       补偿内容可以是方方面面的，时间、环境或动作比较常见，听觉、嗅觉或触觉也都可以是补偿的一部分。最普遍也是最容易被人忽视的其实是：二维图像向三维空间与环境的补偿。

2019年由拉斯·冯·提尔导演的《狗镇》(Dogville)通过几条白线与简单的道具勾勒出了整个“狗镇”，在一片空旷场地上完成所有的拍摄，观众需要自行脑补出大部分的环境与空间。

Dogville

 

游戏与影像的成像区别

       介绍完人类认知视频的原理之后，我们来试图解释一个问题：为什么仅有24fps的电影给人自然和流畅的感觉，而30帧的游戏却会给人相当的卡顿感？为了更好地回答这个问题，我们还需要简单地理解两者在成像原理上的区别。

游戏成像原理

       简单来说，游戏成像以游戏图形数据为输入，利用GPU的高速并行计算能力，进行快速地位图(Bitmap)绘制与输出。

位图(Bitmap)，也就是指以像素为单位的点阵图像。与之相对应的则是矢量图(Vector Images)，该类图像在放大后也不会有任何的细节丢失。

位图与矢量图

       这些作为输入的游戏图像数据包括当前帧下，游戏场景中的所有的光源、摄像机、模型以及相对应的材质参数，它们将通过CPU送到GPU，并在一条渲染管线中进行逐像素绘制，将生成的位图存储在帧缓冲区(Frame Buffer)。

来自learnopengl：

简易的GPU渲染管线

       如果游戏帧率固定，当下一帧到来时，帧缓冲区与屏幕缓冲区(前缓冲区与后缓冲区)进行交换，而屏幕缓冲区的内容就是我们所看到的由显示屏显示的画面，它会按照显示屏刷新率进行更新。

双缓冲于缓冲区交换

计算机三维成像底层的图形学原理要比我这里讲的要复杂得多，感兴趣的话可以去看看相关的视频和书籍。

       有时，开发者还会对输出前的图像进行一定的后处理(Post Processing)，通过特定的算法来达到不同的滤镜效果，例如调色、景深效果、泛光以及抗锯齿等都是后处理效果的一种。

《奥伯拉丁的回归》中，开发者Lucas Pope就实现了不同的后处理，为玩家提供了多种复古像素风的画面效果。

Return of the Obra Dinn

影像成像原理

       如果说游戏是靠数据与GPU绘图，那么影像就是依靠光线借助小孔成像原理通过感光元件实现绘图，无论是早期的胶卷还是如今的CMOS，其实都是光的画板。

世界上第一幅可永久保存的照片被认为是由法国人约瑟夫·尼埃福斯·尼埃普斯于1826年拍摄的《窗外的景色》。他将稀释后的沥青涂抹在一块金属板上，将其放入一个用于小孔成像的简易暗箱中，在经历长达8个小时的曝光后得到。

《View from the Window at Le Gras》

       摄像机的光圈会控制光线的进入量，而快门控制光线照射在感光元件上的时长。人们常认为摄影记录的是瞬间，但对于一张照片来说，它承载了的是快门开启时间范围内所有光线的总和，它是一个“光的过程量”。

       正因为影像是光的过程量的特点，在曝光时长足够的情况下，影像可以得到运动对象动态模糊(Motion blur)效果，这与视觉暂留影响下人眼所看到的动态模糊极其相似。

来自《愤怒的公牛》:

动态模糊

动与静-影视帧率VS游戏帧率

       影像通过曝光成像，其结果为光线在曝光时间内累计的过程量，看似静实则动。

       游戏尽管也需要一定的时间用来计算图像，但不同于曝光成像，实际图像上承载的是固定输入下通过计算得到的瞬间量，每一帧的画面都是静止的。

       正是这微妙的差别使得低帧率下的游戏表现要远低于同等帧率下影视的表现。

游戏中的每张图片都是瞬间量

       24帧的电影之所以看起来无比流畅，要归功于适当快门下每一帧画面的动态模糊，以及人本身无论是生理层面还是心理层面都极其强大的适应能力与想象力。

影视上，为了使得拍摄的视频看上去流畅自然，衍生出了“180度快门法则”，通常认为当“快门速度=1/(帧率*2)”时，拍摄出每帧的动态模糊让画面看起来是自然流畅的。

       有研究表明，在几乎没有动态模糊的情况下，视频帧率大于60帧，人眼就会难以察觉出卡顿感。如今60帧也成了大量玩家对游戏对帧率的最低要求。

24帧与60帧对比

       对于影视而言，更高的帧率是否有实际意义一直是一个有争议的话题。

李安导演实验性的在《双子杀手》中采用120帧进行拍摄，快门速度1/250，这使得每一帧的动态模糊效果极其有限，观感上少了传统24帧动态模糊下的电影感，打斗过程流畅的像是电子游戏。

《双子杀手》

 

游戏中的动态模糊

       前文所涉及的游戏画面都是以没有加动态模糊为前提讨论的，而如今大部分游戏都有支持实时动态模糊技术。

       前面提到过，后处理会发生在游戏输出画面的最后阶段，而动态模糊其实也是后处理效果的一种，文章的最后，我将简单介绍一下游戏中的动态模糊。

为什么游戏需要动态模糊

       有不少游戏玩家其实是十分讨厌动态模糊的，究其原因大概率是由于这类玩家所游玩的游戏对摄像机控制精度有较高的要求，特别是FPS和TPS这类需要频繁定位的游戏，动态模糊会在定位过程很大程度地影响玩家的判断与定位，这使得动态模糊在需要高速定位的竞技类游戏中显得十分多余。

VALORANT的图形设置中完全不提供动态模糊的选项

       如今大量游戏都支持PC平台，而大量基于鼠标的摄像机转动与我们现实中的头部转动有很大差距，由于鼠标足够轻，游戏内摄像机的加速与减速过程都能够以极快的速度实现。

只要灵敏度足够高，你我都是大陀螺。

对面先开的

       所以为什么还需要动态模糊？游戏动态模糊技术的早期其实是为了缓解由于帧率不足而导致的卡顿感，起到补帧的作用。

PS2时代《合金装备2》的播片为30帧，采用了早期的累积动态模糊，为播片增添了一定电影感的同时使得低帧率显得并不是特别卡。

Metal Gear Solid 2

       而在帧数可以轻松达到60帧的今天，动态模糊又使得游戏在高帧率运行的同时为玩家提供了电影感，使得动态画面符合现实逻辑，是许多单机叙事游戏玩家以及低性能玩家的福音。

累积动态模糊

       累积动态模糊(Accumulat motion blur)，作为早期的动态模糊，其实现原理简单来说就是前后画面的堆叠，需要使用到前面所提到的帧缓冲区的概念。

       通过将最新渲染的画面投入到一个先进后出的累积缓冲区(Accumulate buffer)，该缓冲区会根据需要保存最新进入的三四张画面，这些画面会根据生成的先后顺序以不同的透明度权重与最新渲染的画面进行混合以得到最终效果。

       由于累积动态模糊实际上只是画面的堆叠，既不符合现实逻辑也经不起细看，除了能够表现一些极端的晕眩感，基本上是被淘汰了。

用PS自制累积动态模糊

逐像素与逐对象动态模糊

       逐像素动态模糊(Per-pixel motion blur)，基于现实逻辑实现，该方法会利用渲染过程中的空间转换矩阵以及深度图计算渲染结果每一帧像素在上一帧的屏幕位置，基于像素前后帧位置的距离以得到该像素移动的速度值从而得到速度图，最后根据速度图得到模糊效果。

       逐对象动态模糊(Per-object motion blur)的原理与逐像素类似不多赘述。

来自油管 Per Object Motion Blur：

速度图下的逐像素动态模糊

总结

       相信看到这里，大家对影视帧率与游戏帧率的作用原理和差别都有了基本的认识，核心围绕在人脑强大的自适应能力与动态模糊上，希望本文能对大家理解视频与游戏帧率有所帮助。

第一次写科普文，能力有限，有不对的地方还谅解指出，最后求电个。