Uma teoria sobre os FPS em jogos

Thiago Vallotti · 5 de maio de 2014

Olá pessoal!

Venho aqui comentar sobre um assunto muito discutido, e talvez o cerne de todo o universo gamer pelo mundo todo, os tais dos FPS, o que eles significam, como eles dependem e variam com hardware e principalmente quanto estes números mágicos podem influenciar na sua jogatina. Baseados em minha pouca experiência e teorias que formei aqui.

Antes de tudo!

Antes de entendermos o que são FPS, temos que voltar para os primórdios da invenção, do cinema, ou antes disso, da descoberta que figuras especialmente desenhadas e passadas repetidamente davam a impressão de movimento, HORNER com seu zootrópio mostrou ao mundo no século XIX que imagens ao serem repetidas em seu aparato davam a impressão de estarem em movimento, muitos acharam que a tal engenhoca era bruxaria e por ae vocês imaginem o auê e o fervor que causou, caríssimo e praticamente sem utilidade, era vendido como acessório de luxo para os "bons" da época, colocarem no meio da sala, ter o aparato, na época, seria como se portasse uma GTX 780.

https://www.youtube.com/watch?v=BLdNOvywJkU

Tempo depois os irmãos LUMIÈRE deram utilidade ao conceito, juntando os conhecimentos de fotografia com o de HORNER, criando o Cinematógrafo, que seria como uma filmadora bem simples, que nada mais era do que uma câmera fotográfica, que se podia avançar o filme com uma manivela, gravando no filme uma sequência de imagens que se reproduzidas sequencialmente num projetor à luz em uma parede por exemplo, davam a impressão de estar em movimento. Nem preciso falar o que isso causou? Apenas a invenção do cinema, nossa sétima arte. Imaginem você no fim do século XIX com uma máquina dessas??? Que era capaz de gerar imagens em movimento como a máquina de HORNER, mas agora era real, sem as figurinhas enfadonhas do zootrópico, mas sim a de pessoas correndo, tomando café e etc. Na época era como se tivesse um quad-SLI de GT TITAN. Tú viraria o rei dos nerds da época!

https://www.youtube.com/watch?v=aduf5KDArEw

O conceito de cinema foi aperfeiçoado e chegou aos dias de hoje, colorido, 3D, HD, Full HD, 4k!

Mas o que o cinema de 1800 e bolinha tem a ver com os games atuais?

E com os tais do FPS?

Bem caros, FPS eram um problema sério, desde a época de HORNER, para dar a impressão de movimento mais realista, percebia-se que quanto mais rápido se girava o disco, melhor era a impressão de movimento, detalhe que girando-se mais rápido o disco, ele acabava mais rápido, e era necessário ter tambores maiores e maiores se quisesse uma animação de 2, 3 segundos de duração.

Vale o mesmo para a máquina dos LUMIÈRE, quanto mais rápido se girava a manivela. maior a sensação de "fluidez" dos movimentos, lógico que haviam limites, girar a manivele freneticamente causava um tempo de exposição muito baixo do frame do filme à luz, e a "fotografia" não saia por falta de tempo de exposição. Portanto havia uma imposição natural a isso, de tal forma que o primeiro filme feito neste aparato durava poucos segundos. Se quisesse filmes com maior duração, teriam que se usar rolos de filmes mais compridos, e se quisesse maior "fluidez" os filmes teriam que ser maiores ainda!

Pois aí que entram os FPS, para podermos ter mais FPS nos filmes e termos a sensação de fluidez, é necessário que hajam mais "fotos" no rolo de filme para serem mostrados num determinado tempo.

https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSGfL3gzASVOP2ZnCemU-zumwH5ckcLe1ljjvGkLZQ6iaAS3vHC

Portanto para termos um filme de uma determinada duração e com FPS aceitáveis, são necessários centenas de metros de filme cinematográfico.

Ná época do início do século XX, com o cinema mudo a taxa usual de FPS ficava em 16 ~ 20.

Depois da década de 20, essa taxa foi aumentada para 20 ~ 26

Na década de 20 ~ 30, com o cinema com som, foi escolhida a taxa de 24 FPS, por ser mais fácil "sincronizar" o vídeo com o áudio, já que era essa a frequência dos filmes 35 mm de audio.

Só a título de curiosidade, em projetores modernos a taxa real de FPS é de 3 x 24 = 72, já que são 3 imagens idênticas gravadas no filme.

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Frame_rate

O que são FPS?

FPS é a abreviação para frames per second ou seja, quantos quadros ou "fotos" por segundo estão sendo exibidos no seu monitor.

Por exemplo:

24 FPS significam que no intervalo de 1 segundo o filme gerou 24 fotos que foram exibidas

30 FPS significam que no intervalo de 1 segundo o filme gerou 32 fotos que foram exibidas

72 FPS significam que no intervalo de 1 segundo o filme gerou 72 fotos que foram exibidas

É sabido que normalmente, um filme a uma taxa de 10 ~ 12 FPS o olho e o cérebro humano interpretam as imagens como sendo únicas, como se fosse um slide show.

Normalmente, se olharmos para um vídeo somente com uma tela clara, e tiver um único frame escuro, nós o percebemos à uma taxa de percepção de 16 ms (milisegundos) que se convertido daria 62,5 FPS!

Se fossem imagens aleatórias, serámos capazes de perceber uma em específico (como exemplo, um monte de objetos e você prestar atenção somente em um guarda-chuva) no tempo de percepção cai para 13 ms, o que dá 76,92 FPS!

Por exemplo, se for mostrado a nós um "flash" bem curto de 10 ms de uma imagem, nossa percepção pela manutenção da imagem na retina e no córtex cerebral, pode "aumentar" a duração desta imagem para 100 ~ 400 ms. Isso nos torna aptos a analisar a imagem, posteriormente, seus detalhes, mesmo quando ela não estiver mais lá! Esta "persistência" nos prepara e nos torna aptos a vermos imagens em sequencia parecerem perfeitamente fluidas num filme, que roda normalmente a 24 FPS.

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Frame_rate

E o meu game???? Tem que rodar a quantos FPSs?

Existem relatos diversos, de tudo um pouco por aí, pessoas que tem um hardware fantástico e rodam games a 120 FPS. Outros que afirmam que sentem diferença em rodar um game a 60 FPS ao invés de 30 FPS. E uma legião incontável de PCistas versus Consolistas brigando por causa de FPS nos games.

Vamos concordar que em 1982 ná época do Monster Maze 3D, tipo como o primeiro game 3D da história, estavam todos boquiabertos com o pseudo 3D, com resolução 58x42 pixels, preto e branco, rodando a violentíssimos 6 FPS!

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/8/83/3D-monster-maze-T-rex-2-steps-away.png

http://en.wikipedia.org/wiki/3D_Monster_Maze

Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/3D_Monster_Maze

Graças a Deus, Bill Gates, Steve Jobs, Atari, 3dfx, Nvidia, AMD, Intel e etc as coisas melhoraram! E muito!

Entra também o fator pessoal de diversão.

Muitos zeraram o Monster Maze rodando a 6 FPS achando se tratar o melhor game do mundo!

Eu pessoalmente já zerei Call of Duty 4 Modern Warfare num netbook, que em momentos deixava o FPS cair para 18, e me diverti muito achando o game super fodástico, nem percebendo o lag!

Mas sabendo, do fator pessoal, pode ter pessoas que se aborreçam demais em ver os FPS caindo a um valor que julguem não ser ideal para o hardware que possuem, mesmo sem "sentir" os lags, como os gamers completamente neuróticos (como eu) que colocam o EVGA Precision para monitorar os FPS o tempo todo, em todo jogo, e ficam mais olhando para o número que para o jogo, e levam headshot ou socam o carro no muro! A verdade é que a questão psicológica conta e muito, ficar monitorando os FPS fará com que psicologicamente você esteja mais atento e alerta a queda de frames e com certeza vai sentir os frames drops!

Há uma "regra geral" que games devem rodar sempre a mais de 30 FPS, mas isso varia de acordo com a situação, percepção da pessoa e tipo de game, um jogo de FPS ou de corrida (principalmente), parece-me realmente que 60 FPS são mais fluidos que 30 FPS, tenho a impressão que para RPGs e jogos e estratégia, não há diferenças entre 30 e 60 FPS. As diferenças podem haver ou pode ser algo psicológico? O que acham?

Então primeira dica, seja feliz e desencane do monitor de FPS! (À começar por mim mesmo!)

Hertz, Screen Tearing, Vsync e Frametime

Beleza, vendi um rim para o mercado negro! Comprei um PC super mega fodástico, Intel Core i9 e octa SLI de GTX Z THOR! E não vou ter nunca na vida problemas de aborrecimento em games dessa geração! Certo?

Bem, depende!

A primeira coisa a se prestar atenção é com o tal do screen tearing, que pode ser tão aborrecedor quanto jogar a um FPS baixo.

O que ocorre é que os monitores também não são semideuses capazes de mostrar 1 zilhão de imagens por segundo, eles também têm seus limites, seja pelo próprio processador de imagens interno, quanto ao elemento formador de imagem que tem um certo tempo de "persistência" (como os nossos olhos). Os primeiros monitores de tubo e LCD tinham sérios problemas, eram muito lentos, ou retinham a imagem do quadro anterior, e não tinham a capacidade de atualizar a imagem com muita velocidade. Resultado mesmo tendo um hardware para rodar tal jogo a 60 FPS, você ficava preso à taxa de atualização do monitor da época, como por exemplo 24 Hz (24 imagens por segundo). Problemas de imagens borradas, sensação de travamentos e etc, que não eram culpa do hardware ou da placa de vídeo e sim do monitor.

Hoje em dia, acho que estamos livres deste problema, a tecnologia dos monitores melhorou e eles conseguem "acompanhar" o hardware, mas temos que tomar certas preocauções.

Primeiro, antes de querer testar um CrossFire ou SLI nervoso, pergunte-se e confira:

Qual a taxa de atualização do meu monitor?

Bem, normalmente fica em 60 Hz (60 imagens por segundo) e esse é o padrão para a maioria deles, mas há como você alterar nas configurações de vídeo, para mais ou para menos.

Vamos esclarecer o problema de Screen Tearing, imagine você com seu monitor padrão, que roda a 60Hz, e jogando um game no talo, feliz com sues 210 FPS certamente o que verá será isso:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Tearing_(simulated).jpg

Note que surgiram duas linhas TEAR POINTS, causando descontinuidade na imagem, em games essa sensação é facilmente percebida, dá um aspecto horrível, e fica praticamente impossível de jogar um game nestas condições. O que ocorre é que a placa de vídeo está mandando imagens sequenciais à 210 FPS (4,76 ms), e o monitor trabalha a 60 Hz ou FPS (16,66 ms), então o monitor forma 3 imagens no mesmo frame!

Segunda dica: Ative sempre o Vsync, isso fará com que sua placa de vídeo só mande o próximo frame assim que o monitor já estiver completado a varredura, e você estará livre teoricamente do screen tearing

Agora vem a parte mais controvérsia, o tal do frametime.

Frametime é o inverso de FPS, se o FPS lhe diz quantas "fotos" o vídeo tem em 1 segundo, o frametime lhe diz quanto tempo a "foto" ficou sendo exibida no monitor e é expressa geralmente em milisegundos (ms).

E aí que o bicho pega, lembra lá em cima neste tópico, que falei de tempo de percepção do olho e cérebro?

Pois é meus senhores essa percepção é sempre expressa em unidade de tempo milisegundos (ms), e aí entramos num assunto interessante.

1. Vamos supor que você esteja rodando um game a seus 60 FPS, com o Vsync ligado (monitor a 60 HZ), (pois não quer o screen tearing na imagem), isso corresponde a um frametime de 16,66 ms. Jogo vai indo beleza, até que uma baita explosão acontece, você olha no marcador de frames (neurotic mode on) e percebe que ele cai para 54 FPS. Não temos que nos preocupar certo?

2. Supondo agora que você esteja rodando um game bem pesado, que não segure 60, mas sim 30 FPS, sem problemas por aqui, muitos consoles e alguns games de PC são "travados" a 30 FPS, e filmes rodam a 24 FPS, com o Vsync ligado (monitor a 60 HZ), isso corresponde a um frametime de 33,33 ms. Outra explosão acontece, você olha no marcador de frames e percebe que ele cai para 27 FPS. Não temos que nos preocupar certo? Acima de 24 está bom!

Pessoal aí que está a pegadinha, no caso 1, no momento da explosão haverá um frame que teve que ser repetido na tela, levando um único frametime a 33,33 ms, embora o marcador de FPS esteva em 54, o seu cérebro captou muito bem o único frametime de 33,33 ms, haverá uma percepção que o jogo estará rodando a 30 FPS naquele momento.

No caso 2, a coisa piora,no momento da explosão haverá um frame que teve que ser repetido três vezes na tela, levando um único frametime a 49,98 ms, embora o marcador de FPS esteva em 27, o seu cérebro captou muito bem o único frametime de 49,98 ms, haverá uma percepção que o jogo estará rodando a 20 FPS naquele momento.

3. Agora pense numa situação onde os FPS ficam na casa de 27 ~ 29 por todo o game, a todo segundo, num instante você verá um frame triplicado a 49,98 ms, e volta a sensação de 20 FPS, você sente já o lag devido ao longo frametime a todo instante!

Terceira diga: Aprenda a regular a taxa de atualização do seu monitor (HZ), como por exemplo no terceiro caso, se alterar a taxa de atualização do monitor para 54 Hz, eliminam-se os problemas, não haverão frames "triplicados" somente "duplicados" fazendo com que o frametime fique em 33,33 ms e a experiência de jogo seja muito melhor que antes.

Também o inverso é verdadeiro, supondo uma taxa de atualização do monitor a 90 HZ, e sua VGA mandando ver a 86 ~ 88 FPS constantes, teremos a todo segundo pelo menos um frame "duplicado", e a sensação é que ao captarmos esse frametime de o jogo estar rodando a 45 FPS!

Portanto pessoal fiquem atentos à estes detalhes, espero ter ajudado!

Abraços!

rodgermaster · 5 de maio de 2014

Foi longe na história *-*

Pablo Gaona · 22 de maio de 2014

Muito interessante a Teoria, e de fato é uma coisa muito fod#

RaposaFeroz · 25 de maio de 2014

belo trabalho de pesquisa, dá até pra fixar isso é bem interessante^^

PS: fica a dica moderação XD

Pêdro Bonzinho · 12 de junho de 2014

Parabéns Thiago. Seu comentário é muito claro e desmistifica aos que esperam demais de suas placas de vídeo por não atentarem aos limites dos demais componentes. Também ajuda a entender que nem sempre a maior taxa de ajuste é a melhor solução.

Abraço.

Thiago Vallotti · 22 de agosto de 2014

Um ótimo artigo da Digital Foundry, com vídeos bem interassantes, dá uma noção do que mencionei acima, frame pacing, ou seja a cadência com que os frames aparecem na tela (ms), e sua constância, se tornam mais importantes que a taxa de quadros (FPS) em si.

Segundo o artigo, nem sempre FPS mais altos retornam uma sensação de fluidez, lígico que isso varia de acordo com o tipo do game e a percepção pessoal. Mas fica claro que no vídeo de comparação Killzone Shadow Fall (FPS Shooter) aparenta ser mais agradável com 30 FPS travados, já o magnífico Tomb Raider (Adventure em terceira pessoa) aparenta mais fluidez com FPS destravados.

Pessoalmente, já observei games muito diferentes em percepções, chegava a jogar COD 4 por volta de 18 FPS nas cenas pesadas e não me sentir ncomodado, ontem estava relembrando o velho NFS Porche Unleashed e via as montanhas com "judder" mesmo com os FPS travados em 60!

http://www.eurogamer.net/articles/digitalfoundry-2014-frame-rate-vs-frame-pacing