Различия между FPS, Hz и Frame Time: почему плавность изображения – это больше, чем просто кадры в секунду

Каждый, кто выбирал монитор, ноутбук, смартфон, телевизор или увлекается видеоиграми, вероятно, сталкивался с терминами: частота обновления экрана (измеряемая в герцах, Гц), количество кадров в секунду (FPS) и время отрисовки кадра (Frame Time).

Возникали ли у вас ситуации, когда при высоком FPS (например, 140+) игра ощущалась некомфортно? Появлялось ощущение недостаточной плавности, размытия в динамичных сценах или ощутимой задержки отклика на действия в игре? Парадокс, но причина часто кроется в комплексном взаимодействии этих характеристик.

Эта статья расскажет, как Hz, FPS и Frame Time влияют на плавность изображения, почему высокий FPS – это не всегда гарантия комфортного гейминга, и как добиться по-настоящему идеальной картинки. Материал будет полезен не только геймерам, но и всем, кто хочет лучше разбираться в характеристиках дисплеев.

Герцы (Гц) в характеристиках монитора: что это такое и на что влияют

Герц (Гц) – это единица измерения частоты, равная одному полному циклу какого-либо периодически повторяющегося процесса в секунду. Она широко используется в различных областях науки, инженерии и техники. Один герц означает один цикл в секунду.

В контексте мониторов и дисплеев, герц (Гц) характеризует частоту обновления экрана, то есть, сколько раз в течение секунды экран способен физически обновить отображаемое изображение.

Рассмотрим как пример 60 Гц – значение, часто встречающееся в мониторах ПК, ноутбуках, смартфонах, телевизорах и других устройствах, оснащенных дисплеями. Оно означает, что экран может обновлять изображение до 60 раз в секунду. Данный параметр напрямую влияет на визуальную плавность и четкость отображаемой картинки в движении: чем выше это значение, тем более плавным оно может быть.

В настоящее время экраны с частотой от 90 до 144 Гц и выше становятся все более популярным решением среди производителей и выбором пользователей как для развлечений, так и для рабочих задач, хотя ранее стандартом де-факто считались дисплеи с частотой обновления 60 и 75 Гц, которые по-прежнему составляют значительный процент рынка. Почему это происходит?

Причин несколько. Во-первых, снижение стоимости производства матриц с более высокой частотой обновления по мере роста их популярности и развития новых технологий.

Во-вторых, визуально ощутимое улучшение плавности изображения в динамике, что важно для профессионалов, работающих с видео, 3D-графикой и, конечно же, видеоиграми. В видеоиграх повышенная частота обновления может обеспечить некое конкурентное преимущество, позволяя быстрее реагировать на события. Кроме того, это также позволяет снизить усталость глаз, хотя насколько заметен этот эффект – индивидуально.

Не всегда имеет смысл "гнаться" за монитором с самой высокой герцовкой. Первая причина – это рост стоимости. Вторая, при высокой частоте обновления иногда приходится идти на компромиссы в отношении качества изображения, что может быть некритично для игр, но важно для работы с цветом. Компромиссы могут касаться точности цветопередачи, контрастности или времени отклика пикселей.

Зачастую, для достижения большой скорости обновления картинки жертвуют точностью воспроизведения цветов или резкостью деталей. На наш взгляд, для среднестатистического геймера достаточно 144-240 Гц, а 360 Гц имеет смысл рассматривать только в исключительных случаях, если позволяют финансовые возможности и существует реальная необходимость в такой высокой частоте. Для простого офисного использования вполне достаточно монитора от 75-100 Гц.

Впрочем, чтобы в полной мере оценить преимущества дисплея с высокой частотой обновления, необходимо, чтобы компьютер, ноутбук или другое устройство обладало соответствующими техническими возможностями.

В случае с ПК, прежде всего, необходимо убедиться, что видеокарта поддерживает вывод изображения с частотой обновления и разрешением, необходимым для выбранного монитора. Некоторые устаревшие модели графических адаптеров не способны обеспечить частоту выше, например, 75-100 Гц. Важно также учитывать возможности интерфейса подключения монитора (DisplayPort, HDMI и т.д.), так как разные версии интерфейсов поддерживают разные максимальные частоты обновления при определенных разрешениях.

FPS (Frames Per Second): Определение, Визуальное Восприятие и Факторы Влияния

FPS (Frames Per Second) или количество кадров в секунду – параметр, определяющий плавность отображения движения в видео, играх и графических приложениях. FPS показывает, сколько кадров сменяются на экране за секунду, создавая иллюзию непрерывного движения. Для ПК, ноутбука или консоли FPS напрямую отражает производительность в конкретной игре или графическом приложении.

Например, 60 FPS означает, что вы видите 60 разных изображений за секунду. Это можно сравнить с мультфильмом, нарисованным от руки, где каждый рисунок – кадр. Чем больше кадров в секунду, тем плавнее воспринимается движение. Это справедливо как для видео, так и для игр.

Минимальный приемлемый FPS, при котором движение воспринимается как достаточно плавное и комфортное – около 24-30 кадров в секунду. На этот диапазон повлияли как особенности зрительного восприятия человека, так и ранние технологические ограничения. Например, именно поэтому исторически 24 кадра в секунду стало стандартом в кинематографе.

В сфере видеопроизводства частота кадров обычно постоянна в пределах одного ролика, но может различаться между разными. Выбор FPS зависит от цели видео. Например, для замедленной съемки используется более высокий FPS. Распространенные значения: 24 FPS, 30 FPS и 60 FPS. Некоторые форматы поддерживают 120 FPS и выше.

В играх и графических приложениях FPS, как правило, является переменной величиной, зависящей от множества факторов:

• Сложность визуализируемой сцены;
• Производительность видеокарты (GPU) и центрального процессора (CPU);
• Объем и скорость оперативной памяти;
• Эффективность оптимизации кода игры/приложения;
• Драйверы видеокарты и версия операционной системы;
• Настройки графики;
• Разрешение экрана.

Низкий FPS в играх может вызывать замирания, "рывки" изображения, что портит впечатление от игрового процесса. Особенно это критично в динамичных играх, где требуется быстрая реакция.

Стабильный FPS – ключ к комфортной игре и работе с графикой. Он достигается балансом между настройками и возможностями ПК.

Время кадра (Frame Time)

Frame time (время кадра) — это время в миллисекундах (мс, англ. ms), которое требуется графическому процессору (видеокарте) для отрисовки одного кадра в игре или графическом приложении. Эта метрика является одной из ключевых, характеризующих производительность ПК в конкретной игре или графическом приложении. Чем меньше время кадра, тем быстрее отрисовываются кадры, и тем больше кадров в секунду (FPS) может выдать ваш ПК.

Для определения времени отрисовки одного кадра необходимо разделить одну секунду (1000 миллисекунд) на количество кадров в секунду (FPS): Frame Time = 1000 мс / FPS. Для мониторинга времени кадра можно использовать специализированные программы (например, MSI Afterburner, RivaTuner Statistics Server) или встроенные инструменты мониторинга, которые есть во многих играх.

Примеры расчета времени кадра для различного FPS:

• 1000 мс / 60 FPS = 16,6 мс;
• 1000 мс / 120 FPS = 8,3 мс;
• 1000 мс / 144 FPS = 6,9 мс;
• 1000 мс / 250 FPS = 4 мс.

Более низкое время кадра соответствует более высокому FPS и положительно влияет на плавность и отзывчивость игрового процесса, что делает игровой процесс более комфортным и приятным.

Однако не менее важна стабильность времени кадра. Нестабильное время кадра, особенно изменяющееся в широком диапазоне, будет характеризоваться резкими скачками, микрофризами, статтерами и заметной задержкой ввода (Input lag), что негативно сказывается на общем восприятии игры. Все это может происходить даже при достаточно высоком показателе среднего FPS. Причины нестабильности времени кадра могут быть разными, но обычно они связаны с недостаточной производительностью ПК (например, слабый процессор или видеокарта), перегревом отдельных компонентов или c проблемами оптимизации игры.

Разрешение экрана: влияние на FPS и детализацию изображения

Разрешение экрана – это количество пикселей (точек) по горизонтали и вертикали, из которых состоит матрица дисплея, формирующая изображение. Разрешение обычно указывается в виде двух чисел, например, 1920x1080.

Восприятие четкости изображения зависит не только от разрешения матрицы экрана, но и от его физического размера (диагонали). Эти два параметра определяют показатель плотности пикселей на дюйм (PPI) и их физический размер. Кроме того, важную роль в восприятии играет расстояние от экрана до пользователя.

Например, монитор с диагональю 27 дюймов и разрешением 2560x1440 будет обладать примерно такой же четкостью, как и монитор с диагональю 21 дюйм и разрешением 1920x1080. Это обусловлено плотностью пикселей на дюйм (PPI): в первом случае PPI составляет около 109, а во втором – около 105. [Подробнее о диагонали и разрешении монитора мы рассказывали в нашей статье по выбору монитора для ПК].

Разрешение экрана напрямую влияет на частоту кадров (FPS) в играх и графических приложениях. Снова рассмотрим два популярных разрешения: Full HD (1920x1080) и WQHD (2560x1440). Разница между ними на первый взгляд кажется небольшой, но давайте сравним общее количество пикселей: 2 073 600 пикселей против 3 686 400 пикселей, что примерно на 78% больше. Следовательно, все эти пиксели должны будут обновляться для каждого нового кадра ежесекундно, и чем выше разрешение, тем ниже будет FPS, что может быть критично для игровых мониторов с высокой частотой обновления.

Таким образом, можно сделать вывод, что более высокое разрешение требует большей производительности от компьютера. Разница в FPS между Full HD и WQHD при прочих равных условиях может быть весьма значительной.

Выбирая более низкое разрешение в игре, можно добиться более высокой частоты кадров. Этот прием часто используют профессиональные киберспортсмены и геймеры.

Однако у этого подхода есть свои недостатки: заметное снижение четкости и детализации изображения, так как уменьшается количество пикселей, используемых для формирования изображения. При этом физическое количество пикселей, соответствующих нативному разрешению монитора, остается неизменным.

Стоит упомянуть, что современные видеокарты предлагают различные технологии масштабирования, которые позволяют повысить FPS, сохраняя при этом приемлемое качество изображения. Однако они доступны не во всех играх и не для всех моделей видеокарт, а эффект может отличаться в зависимости от реализации.

Взаимосвязь FPS и частоты обновления монитора

Максимальное количество кадров (FPS), которое может отобразить монитор и, следовательно, увидеть пользователь, ограничено частотой обновления его матрицы, измеряемой в герцах (Гц). Например, монитор с частотой 60 Гц может отображать до 60 кадров в секунду, а монитор с частотой 144 Гц – до 144 кадра в секунду.

Что же происходит, если FPS превышает частоту обновления монитора? Если игра выдает, например, 140-160 FPS при частоте обновления монитора 60 Гц, означает ли это, что все кадры, которые он не сможет физически отобразить, бесполезны? Нет, не совсем. Наличие большего числа кадров, чем способен показать монитор, потенциально позволяет сократить время задержки ввода (input lag) – время между действием пользователя и его отображением на экране.

Этот эффект возникает как следствие сокращения времени рендеринга (Frame time) для каждого кадра игры: чем выше FPS, тем меньше времени требуется на отрисовку одного кадра.

Что происходит, если FPS ниже частоты обновления монитора? Если FPS значительно ниже частоты обновления монитора, например, 67-70 FPS при частоте монитора 144 Гц, то вы попросту не сможете ощутить всех преимуществ плавной картинки, так как монитор будет отображать один и тот же кадр несколько раз, пока не получит новый, что, безусловно, будет отличаться по сравнению со стабильными 144 FPS.

Стоит отметить, что современные мониторы часто используют технологии компенсации низкой частоты кадров (LFC), которые удваивают или утраивают кадры для сглаживания изображения даже при низком FPS.

Решения проблемы несоответствия FPS и частоты обновления монитора:

• Использование технологий синхронизации: Доступны во многих играх в настройках V-Sync, FreeSync или G-Sync. Они устраняют разрывы изображения (screen tearing), но могут увеличить задержку ввода (V-Sync). FreeSync и G-Sync обычно обеспечивают меньшую задержку по сравнению с V-Sync, но требуют совместимого монитора и видеокарты.
• Технологии масштабирования и сглаживания: Если они доступны в игре, могут позволить повысить FPS и приблизиться к частоте обновления монитора, снизив нагрузку на GPU.

Для получения наилучшего визуального опыта, FPS в идеале должен быть близок к частоте обновления монитора, или превышать её (при отключенной V-Sync, если нет проблем с разрывами картинки). В динамичных играх, где важна скорость реакции, приоритет стоит отдать более высокому и стабильному FPS. Например в сингловых проектах можно повысить качество графики принебрегая количеством FPS.

При этом важно учитывать не только максимальный FPS, который достигается лишь в простых сценах на короткое время, но и средний и минимальный FPS:

• Средний FPS: Дает представление об общей производительности в большинстве игровых сцен.
• Минимальный FPS: Показывает наименьший FPS, достигаемый в самых ресурсоемких сценах. Слишком низкий минимальный FPS приведет к заметным рывкам и задержкам, что особенно критично в динамичных играх.

Подведем итог;

Hz, FPS и Frame Time — важные показатели, взаимосвязь которых сложно отрицать и которые влияют на плавность отображения и восприятия изображения. Их значения зависят от характеристик монитора, производительности компьютера или консоли, а также от оптимизации кода разработчиками игр и программного обеспечения.

Вкратце перечислим, что мы узнали:

1.Частота обновления монитора измеряется в герцах (Гц) и определяет, сколько кадров в секунду монитор способен отобразить. Например, монитор с частотой 60 Гц может отображать не более 60 FPS.

2. FPS (Frames Per Second) – это количество кадров, генерируемых системой (компьютером или консолью) в секунду. На FPS влияют:

• Производительность центрального процессора (CPU) и графического процессора (GPU).
• Объем и скорость оперативной памяти (ОЗУ).
• Сложность отображаемой сцены.
• Оптимизация игры/приложения.
• Разрешение и настройки графики.

Для мониторов с высокой частотой обновления FPS играет важную роль: чем больше FPS соответствует частоте обновления монитора, тем плавнее будет восприниматься изображение. В динамичных играх, таких как шутеры от первого лица (FPS), желателен FPS выше 60, в то время как в менее динамичных жанрах, например, стратегиях, вполне комфортно играть даже при 30-45 FPS.

3. Время кадра (Frame Time) – величина, обратно пропорциональная FPS. Она показывает, сколько времени тратится на отрисовку одного кадра. Чем ниже время кадра, тем выше FPS и лучше отзывчивость системы.

4.Разрешение экрана оказывает существенное влияние на FPS: чем оно выше, тем больше ресурсов требуется от системы для поддержания высокого FPS. Снижение разрешения может увеличить FPS, но при этом может ухудшиться четкость изображения, особенно заметно на больших мониторах.

Попробуйте различные настройки графики и ограничение FPS, чтобы найти баланс, подходящий именно вам и возможностям вашей системы.