游戏帧率、刷新率以及分辨率的一些个人感想

imQi

在知乎无聊回答一个问题https://www.zhihu.com/question/477685108，但是转念想，这个小众话题也没几个人会认真看，知乎风气不好、论坛现在人气不足，两相比较还是发论坛吧，分类显然还是游戏区合适，正好内容也跟外设有关。
现在还上线论坛的除了大鸟一定都是真爱了，感谢大鸟提供的论坛环境。


原问题是以目前显卡科技发展的速度，什么时候能普及可以完美240HZ+运行4K画质大作的显卡？原回答主要针对帧率的问题。简单说就是240fps的需求只有极少数人有。需求高fps和高刷新的多是竞技类，但是似乎这类游戏对高分辨率也没什么需求。这里汇总下我关于帧率的观点，外加一些分辨率的讨论。


不过那个回答里我说错一个点，我说短期内不会有4K 240Hz显示器，不过知乎ID赵113144提醒友达会量产这个规格，而我只盯着DP1.4看，忘记DP2.0和HDMI2.1了，后者已有120Hz电视产品了。4K 140Hz等效8K 60Hz，不压缩是48Gbps，DP1.4接口不能支持这个带宽，要么420，要么dsc，要么双DP，但是DSC增加延迟，高刷新就失去意义了。DP2.0和HDMI2.1均能支撑48Gbps甚至10bit色彩的60Gbps的位宽，只是还没有显示器上市。

画质or帧数和分辨率？对于绝大多数包括tps、fps在内的游戏，提升帧数带来的感官体验远低于画质提升，在分辨率达到一定程度后边际效应也很弱，经常要数毛才能区分。用中高端显卡运行现在的3A大作，也得需要dlss才能应付高特效，native也就是1080P 30Hz的样子，10多年前大家就在用这样的分辨率了。这些年显卡性能提升几乎都贡献给提升画质了。另外现在很多游戏追求电影感，这东西本来也就有点跟帧率冲突。
什么是流畅？很多人都误解了，游戏的流畅与人眼的视觉暂留效应关系不太大，后者是指光源消失人还能感知光存在的时间。而人眼能察觉的变化也不止60帧，不然现在手机也不会集体追求120Hz，不过这个上限很迷，这个数值后面我会解释和讨论。至于感觉连贯最低甚至10多帧就够了，而不是24或者30帧。

早期电影当是因为放映机投影和切换定格画面需要时间，有略多于一半的时间屏幕是暗的，需要视觉暂留效应保证无闪烁，又需要节约胶片，人眼的视觉暂留效应高达几十ms（没找到删除线），此处用视觉暂留效应不太准，而是涉及到另一个概念人眼的时间分辨率，就是一个光源亮度以正弦波变化，暗光下人眼大概只能分辨5Hz的闪烁，而25Hz就觉得亮度完全恒定了，这是电影24帧彩色，18帧黑白默片的标准的由来。而亮度提高后人眼的敏感度提高，恒定的频率是75Hz，用眼睛中心还是余光观测和光波长都会产生影响，见人眼是否存在「视觉频率极限」？ 。其实现在数字电影机拍高帧率不成问题，放映机也早就是数字式不会闪烁了，标准还是没动，前些年李安实验了120Hz，但事实证明大家没觉得24帧落伍，这至少说明大多人可以接受24帧下的连贯。（注意这句话是接受，不是看不出来，对比流畅度电影和电视差多了，结果知乎上偏有人揪着这个点不放）

50/60帧则是来源于电视标准，具体到60这个数值更是可以追溯到特斯拉的交流电。早期电视是显像管原理，同一时间只有一个点发光，靠荧光粉余晖延长一定显示，但是发光时间还是很短，所以要靠更高的刷新速度保证无闪烁（有人把高亮度下人眼时间分辨率那个75Hz来解释这个问题，我不是很认同，而且尽管我们通常在亮环境下看CRT显示器或电视，但是它们其实不算亮）。尽管由于传输带宽的问题，电视每帧只刷新一半像素，所以50i/60i的数据量只相当于25p/30p，但是流畅度是更高的。
不同亮度下人眼的敏感程度不同。激光电影的和动辄超过1000nit的HDR电视出现，其实也会让人眼更敏感。因此无论24帧电影还是30fps游戏，仔细观察高速移动场景都很容易看出卡顿感或者说跳动感，特别是调高亮度情况，所以越来越多人感觉24p/30fps不够用了也可能有这方面因素。

仅仅为了无动态模糊下快速移动流畅的话，我简单的查一些资料，包括人眼是否存在「视觉频率极限」？ 这个问题似乎是没有定论。但是75Hz人眼时间分辨率显然与我们观看120Hz显示器的感受不同。原因我猜想是实验是正弦波亮度变化只有全黑全白和过渡态，拖动文字一方面亮度变化是方波，另一方面显示器里主体是移动而非反复闪烁，但是这个时间分辨率限于我的学识没有找到更多资料。所以设计一个实验的话，应该是两个光斑以不同频率方波闪烁，每次闪烁后移动位置，当看起来一样的最低频率就是游戏流畅的终极帧数/刷新率。而且要注意到不是60Hz和120Hz看起来有区别就是人眼分辨能力120Hz。而是120Hz看起来跟90、100、110Hz都有区别才行，而本人手头设备有限，只能验证90Hz和120Hz的手机拖动文字观感差别明显，240帧与之流畅度有没有区别而不讨论操作延迟至今没有看到可信的说法。

对于快速移动的物体，50i的电视和24p的电影都可以看起来连贯，60帧的游戏连贯，20多就有可能卡成ppt，相信大家都有体会，应该也不难发现这些画面观感差很多。刨除美术的因素只讨论流畅度和清晰感，不难发现电影的动态模糊更重、景深浅主体更突出，电视多数时候极弱，而有的游戏完全没有模糊、主体背景都异常清晰锐利，另一些更具质感换言之电影感的游戏同样有动态模糊和景深。
对于电影和电视的区别，电影机的快门开角（可理解为快门速度）是固定的，较长的曝光产生拖影，宁可以用ND降低曝光也要大光圈虚化背景，加上了色彩风格就构成了电影感。而电视摄像机光圈没那么大，快门速度也会比较高（尤其肩扛使用，电影必须用轨道或者稳定器），画面整体会比较锐利但缺乏质感。游戏的光栅化相当于无限高的快门速度和无穷大的景深，不加处理画面是非常锐利、没有模糊的，在较低帧率下人眼很容易感觉到不连贯，fps、act是重灾区，也包括文明、都市天际线这种，这类游戏就是30帧能玩，60帧流畅。低帧流畅的核心是动态模糊，只不过动态模糊既产生额外后处理时间，又降低画面信息量，所以前述类型没有。而avg、rpg等更注重电影化演出又3A频出的游戏类型，会加入动态模糊，既可以提高画面效果，又可以提高低帧率流畅感，还利用分区渲染变相降低分辨率，反正动态模糊区也看不清，何乐而不为呢？甚至随帧数变化的不同动态模糊效果也是很普遍的，15帧画面无卡顿也是能做到的，而高帧动态模糊不会完全关闭反而浪费性能。然而大多数游戏还是选择30/60帧为标准，一方面是主机是3A游戏的主要市场，所以要匹配电视的刷新率。还有重要的因素是游戏是有交互的，帧率直接影响我们的操作多久会反馈到画面上（后面会更仔细讨论），否则会有反应迟钝感。那有没有需要画面的又无需多少反应速度的游戏呢？还真有，如娱乐向的赛车游戏，本身车辆动态就存在延迟，反馈延迟还有通过提高加速度弥补（反正玩家会归结于手感的）。书记举过在PSP上锁20帧的赛车游戏例子，多数人都没发现，不可谓感知明显。这也是手机改善流畅度需要高刷的原因，毕竟没人给手机滑动加动态模糊效果，加上怕是很容易视觉疲劳。特别是文字的对比度是非常高的，滑动文字能很容易区分不同刷新率的手机。以90Hz和120Hz手机滑动文字有可辨区别来推测，可以推测上文人眼分辨极限在10ms以内的。


但是游戏是交互的，即便超出我们那个终极帧数也可能影响游戏，根据某b站gamker的恰饭视频说专业fps电竞选手能感受到600fps和800fps的区别，粗看是玄学，要知道显示器刷新率可是远低于这些值。但是细想符合科学，可能是与帧生成时间导致的操作延迟有关，产生了操作手感的区别。这其中帧数和刷新率还起的作用不太一样，关键是从电脑接受人的输入到动作反馈的时间。但是直接看出画面区别了么，根据原视频表述似乎是没有。这能解释很多人都说我用240Hz对比144Hz显示器玩游戏感受明显，但却没见人说我就是能分辨出前者多80%的帧。
普通人反应时间超过20ms，受过训练的专业运动员也不低于10ms，这里取下限。不考虑鼠标的响应时间和传输速率、游戏内部处理速率，只看帧生成（假定生成时间平均，就是帧数倒数）和刷新率，不开垂直同步的话60帧+60Hz是每帧16ms，那你的操作就要等[16-32)ms才能显示在屏幕上（理想情况是动了立即光栅化，只耗费一个帧生成时间那边立即显示了，极端情况是光栅化后立即动了，那就先等上一帧生成吧），要是垂直同步开了还会导致一些延迟。而240帧+240Hz就是[4-8)ms，也就是就算最不利的情况，你也能比对方早出枪8ms，哪怕相比普通人的20ms反应时间这也很可观啊。高帧的边际效益很低，对于800fps，显然显示刷新不会那么快，中间帧是被抛弃的，但是帧生成加快了，延迟我计算应为[1.25-5.25)，也就是你省掉的是帧生成时间，比240帧平均快3ms，比600帧快0.4ms，取电竞选手也能10ms反应，4-30%的差距，我觉得还是存在科学可能性的。但是多数游戏不需要那么快反应速度，有VRR也就是freesync、Gsync就够了。从以上计算也看出了，游戏帧数和显示器刷新率提升的阻碍不仅是人眼的极限，还有人本身较慢的反应能力。另外印象中10年前30fps的3A游戏总体的延迟，从你键盘鼠标输入到屏幕显示平均延迟是60ms，还没考虑普通鼠标键盘反馈率在125Hz，由于需要做防双击判断，平均延迟也在10ms以上。总的流程接近100ms，其实也没怎么出乱子。现在游戏工业压缩到极限，这个流程最低恐怕也得20ms。

所以可预期的未来，大作会在追求画质的道路上一路狂奔，维持30fps帧率，动作类会逐步应用60帧，例如很多PS5游戏已经把标准提到60fps了。竞技类可能会无止境追求反应时间，而高帧背后tick又成为新的问题。分辨率在DLSS和FSR技术加持下基础分辨率也只需要维持在1080P附近。
当然可以开发类似的AI技术对游戏插帧实现240以上的fps，但是操纵延迟会加重（删除线），其实后来想想，DLSS是低分踩高分，那让AI根据前一帧猜后一帧也是可行的，而不是像电视那样根据前后两帧插帧，这样就不引入额外延迟，但是延迟还是比不过原生的高帧，还是缺乏使用价值。回放或者即时演算过场时候倒是可以插帧，不过弱化的插帧技术早就有游戏用了，见b站刀客儿N64视频，顺便也可以作为15fps流畅的例子。

就算考虑未来的话，我认同游戏帧数会总体提升，但是我不太认同大部分游戏帧数标准会继续提升，因为游戏业重心是主机，输出是跟着电视走的，俩家都没有2.5K输出，也不支持画面比例调节，原因无他，只是电视没有这些标准。高端电视机120Hz算标配了，因此部分act、fps游戏会提供120Hz模式。rpg我甚至都不觉得有60帧的必要性。分辨率一方面是DLSS的高效脑补，最高可到9x upscale，令8K分辨率甚至只需2.5K的native分辨率同时取代AA的作用。游戏机上动态分辨率、棋盘渲染、分区渲染应用已久，实际上分辨率可以说在当前已经达到边际了，不放大观察单帧很难辨别高分辨率的细节。甚至暴论一些，我认为输出分辨率8K就到头了，之后会回落，就是游戏的终极分辨率大约在500万像素，实际上这甚至已经低于4K。为什么这么说？因为人眼的分辨能力还不到这点。人只有不到700万个视锥细胞，只在黄斑区域分布密集，还得分别负责RGB感光，相当于子像素，就这些细胞支撑了我们的亮视觉。有人可能听过上亿的人眼分辨率数值，那是把黄斑区的分辨能力推及整个视野算出的，而黄斑区也就几度而已，其余地方的亮视觉和色觉都不敏感。也就是说如果高精度跟踪眼球，只在黄斑区看到的位置渲染高分辨率图像，其他位置用分区渲染低分辨率图像是完全能欺骗眼睛的，这样就算VR应用也就是1000万的像素量，已经是现在能实现的了。当然应用这种方法，显示设备的分辨率还是需要很高。

还可以继续暴论一下，当前显示技术不改动，48/60帧、60fps应该就是大多数电影、游戏的终极帧率了，只有在快速移动场景还需要看清主体的情况更高刷新速度才会起到作用，显然电影和游戏工业没有足够动力迁就特殊情况制定高标准。电影游戏其实本身也是妥协的艺术，技术跟不上是没有阿凡达或者旷野之息这些伟大作品的，在显示设备不适合上述场景的时候，避免出现此类画面，改用其他试听语言呈现速度感远比强行挑战导致画面崩坏受众要广的多。而且电影工业拿比利林恩试验过了（所以这部片子很多晃动镜头），反响没那么热烈，反而感觉晕的不少，当年盛赞电影无比清晰的人也没说非120Hz不看啊。我能想到的场景是，可能未来沉浸式显示成熟，会有一类小众电影游戏的主体飞速移动，观众需要紧盯主体并得到此前没有某种的视听体验，那时候高于120的帧数才能发挥作用吧。

跟我一样抱有高刷新无用论的人很多，可能你们在与高帧党的争论中落于下风，明明我玩的游戏（多数3A大作）高低帧差异细微，一小撮人（fps、电竞圈）总说游戏没有120Hz没法玩。本贴应该是第一次系统的解释清为什么大多数人永远不需要高帧，以后大胆的说：我分得清高低刷新率，但我就是不需要。

请勿洗稿，大段引用观点麻烦注明外设堂出处。

小狮郎

最近玩PS5 FF7re性能模式后再去玩画质模式，感受特别明显，4K30帧卡的一批根本玩不下去...

imQi

小狮郎 发表于 2021-8-13 15:24
最近玩PS5 FF7re性能模式后再去玩画质模式，感受特别明显，4K30帧卡的一批根本玩不下去...

坚持玩两天30fps可能你又适应了
当然FF7re改成action，对输入延迟也是敏感的

妞妞的仔仔

以前某些fps游戏需要 特定动作需要在帧数达到一定要求才能做出来 所以某些职业选手对于帧数的敏感程度真的是从专业操作上体现出来的，但要说600帧和800帧让他只是看 真的不一定能分辨

imQi

妞妞的仔仔 发表于 2021-8-13 20:00
以前某些fps游戏需要 特定动作需要在帧数达到一定要求才能做出来 所以某些职业选手对于帧数的敏感程度真的 ...

看是不现实的，没有显示器刷新率那么高
其实我倒是很想找个240显示器，测下120Hz和240Hz的观感差异
但好像哪怕是nanoIPS，那个1ms响应速度也是GTG的，黑白变化不知道响应如何，不然就只能等OLED普及才能实验了