为什么电影24帧就行 但游戏要60帧？[7p]

jiupaizi

大家玩游戏这么多年，或许都会有那么几个疑问云牵梦绕：为什么2D像素化的古董超级马里不卡，但3D游戏确卡了？为什么电影每秒24帧不觉卡？但游戏没30帧就得卡成汪星人？虽然网上有各种各样的回答，但很多都不尽科学不够全面，所以笔者还是来全面科普一下吧。      

生理基础

        电影胶卷记录的逐帧信息

所有的故事都要从人类肉眼的“视觉暂留”和“脑补”现象说起，前者是指人类视网膜在光信号消失后，残像还会保留一定时间的现象；后者是大脑自行补足画面中间帧的“脑补”功能。它们的混合作用，让我们误以为每秒24帧回放的照片是“连续”的。

而至于为什么要把数字定在24，这里面更多是约定俗成和玄学，电影规格本身也经历了16到24帧的转变，这个数字以后估计也会继续增长。而PAL/NTSC/SECAM三种电视信号规格，把帧数定在每秒25帧和30帧的原因，其实只是因为不同地区的供电频率不同(50Hz和60Hz)……为了方便计算，采用NTSC制式的美国和日本，在游戏中很自然地了沿用了每秒30帧的习惯（NTSC制式为29.97帧）。

但为什么看24帧的电影毫无违和感，但30帧，甚至60帧的游戏中也会出现卡顿？这里直接说结论，决定游戏流畅度有4个：动态模糊效果、操作响应、帧率和帧率均匀度，当中以动态模糊最为重要。

动态模糊

动态模糊，是指相机快门慢于物体运动而导致的运动轨迹拖影。3D游戏和电影的重要差别：电影是现实光影的记录，而3D游戏是3D模型形状/位置的实时渲染，前者会有动态模糊，而后者不会。

电影是恒定频率的拍摄的胶卷/数码照片，它可以完整记录一段时间内的光线信息。一般24帧每秒的视频会选取高一倍的1/50秒的快门，可以完整记录半秒的光线信息。而这些“多出来”的丰富图像信息，会像重影一样叠在一起而造成动态模糊/拖影，其原理和“光绘”一样，只是快门不是几秒，而是1/50秒。

         

                 高快门速度的样张

      

             低快门速度的样张

在人类大脑中，动态模糊是视觉信息量的一个重要表现，即使实际看到的帧数不够，加入动态模糊的间隔画面也足够我们用来进行脑补，从而实现“流畅”。另外，偏题一下，如果同样的每秒24帧，如果快门速度提高到1/96秒，那胶卷中记录的光线信息只有1/4秒（24*1/96），丢失的光线信息会让模糊效果减弱，这样的电影看起来也是会有卡顿感的。

      

      左侧为不同快门速度记录的光线信息量（快门越慢，记录的光线越多），右为实际画面

而游戏则是把这个“快门速度”提升到极致的产物，游戏中的30帧，是游戏引擎生成的30个无限短的瞬间画面，而且这些瞬间无论多快，物体本身都是清晰无比，绝壁不会有模糊效果。如果这时候还以24帧每秒播放，大脑会抗议，这货动得这么快，为什么我还看得那么清楚，完全不科学啊，结果“脑补流畅度画面”过程就无法进行，我们就真的在看播幻灯片了。

要解决这个问题，要不提高取样率，要不就人为增加模糊效果。前者是下面会说到的高帧率方案，而后者就是增加模糊效果欺骗大脑，让它以为自己看到是高信息量的画面（然而模糊效果也很耗资源）。

帧率大小

游戏中的物体如果每秒移动1个像素点，我们或许还能觉得流畅，但如果物体每秒移动10个像素点，那就有明显段落感了。这时候需要提高取样率，把中间缺掉的画面补出来，如果帧数提高到每秒10帧，我们就可以看到接近刚才1秒1个像素点的流畅度了。

通过把每秒24帧的画面，提升到每秒48、甚至60帧，双眼接收到的信息量大到一定程度，就足够用来“脑补”出流畅效果了。虽然最完美的游戏应该是要帧数尽可能地多，那样才是真正模拟现实情况，但对于游戏来说，渲染帧数越多，需要的性能就越高，这个方案的代价太大了。而现在大家公认的是，做到30帧就能完成脑补过程了。

帧率均匀度

然而实际游戏中，30帧照样会时有卡顿，甚至提升到60帧也还是会卡。平时我们撸手机评测的时候，经常两部不同GPU的手机，就算显示的FPS（每秒的帧数）相同，照样也是会有流畅度差异，这是为什么呢？

         

                    两款显卡的帧数对比

         

                    两款显卡帧渲染时间对比

这里的问题出在了“帧”的精确上。即使之前时间都能30帧以上渲染，但只要有那么几个瞬间跌破30帧，那依旧是卡。理想情况下的30帧每秒，是30帧均匀分布，但实际上有可能前半秒渲染29帧，最后的整整半秒只渲染了1帧。

因为运算能力和画面复杂度的限制（例如从平原中突然有巨大爆炸的画面），前半秒渲染压力小，可以满帧跑。但一到爆炸场景，运算量暴增，来不及渲染，后面帧数就下降了。肉眼虽然对帧数的绝对值不敏感，但明显的帧数变化还是能轻易地察觉的。

很明显平时我们看的FPS（每秒帧数）的精度完全不够用，我们需要把精度，从每秒多少帧，提升到每毫秒多少帧才能精确衡量帧率的稳定性。

响应时间与跟手度

游戏和电影的最大区别是，游戏是需要用户做出动作并对动作进行实时反馈的。除了视觉流畅，我们还需要操作流畅。大家追求60帧高帧率的重要原因，为的就是降低响应时间。我们感知一个动作是否完成，是要机器接受操作信息，并最终反映在下一帧中才算完成。而实际操作中，大多数游戏引擎在接受操作指令后，要3帧间隔才能体现在画面上。

帧数刷新速度越高，我们能感知的操作速度就越快。30帧的游戏，即使忽略操作指令传输速度，每个画面持续33毫秒（1s/30=0.033s），一个操作需要100毫秒（33毫秒*3帧）才能反映在画面上，而60帧的游戏，则只需要50毫秒就能响应过来了。这50毫秒，在游戏中很有可能决定你是爆别人头，还是被人爆头了。

另外，如果出现画面压力太大，机器来不及渲染画面，画面出现掉帧甚至卡顿，我们的操作指令也是会被顺延输入的。效果就是我们几秒前的做的操作，在几秒后才逐一显示在画面上，这就是传说中的卡成翔了……