Perché l'FPS è importante per gli e-sport?

I giocatori competitivi e i professionisti di e-sport puntano all'FPS più elevato possibile per essere più competitivi. Essi necessitano di animazioni fluide, latenza bassa e fattori di distrazione ridotti al minimo per ottenere i risultati migliori.   Frame rate elevati potenziati dalle GPU più recenti garantiscono a questi giocatori il vantaggio competitivo che cercano.  

Di recente abbiamo divulgato un video che mostra come 60, 144 e 240 FPS/Hz influiscono sul gameplay in CS:GO.

Ora approfondiamo ulteriormente l'argomento e osserviamo come il tutto funziona sul PC e l'FPS offre ai giocatori un vantaggio competitivo migliorando la fluidità dell'animazione, riducendo l'effetto ghosting e tearing e riducendo la latenza del sistema.

FPS e Hz vengono spesso confusi e male interpretati nel mondo del gaming. Hz significa cicli per secondi ed è una misura comunemente associata al display. Entrambi indicano il tasso di completamento, ma si riferiscono a diversi componenti del sistema di rendering del PC. In parole semplice, l'FPS è la velocità a cui il sistema, e in particolare la GPU, completa i frame, mentre Hz è la velocità a cui il display mostra i frame completati.

Nell'animazione mostrata sotto, le spunte grigie in alto rappresentano i frame mostrati dal monitor, mentre le verdi rappresentano i frame completati dalla GPU.

Queste velocità non sono uguali. La GPU può a completare i frame in modo più veloce o più lento rispetto alla velocità con cui può mostrarli il display. Tale variazione nei tempi di rendering dei frame è causata dalle differenze in termini di complessità di una scena 3D; ad esempio, il rendering di una scena con un'esplosione può richiedere più tempo rispetto alla scena precedente. Hz invece indica in genere una velocità costante che non varia in base alla complessità della scena. 60 Hz significa 60 volte al secondo, 144 Hz significa 144 volte al secondo e così via. Esistono display che possono variare il refresh rate (velocità di aggiornamento), tuttavia come semplificazione presumeremo che il refresh rate del display sia costante.

L'FPS viene rappresentato generalmente con una media graduale su molti secondi, poiché i tempi di rendering dei frame non sono costanti da un frame all'altro. Un modo efficace per stabilire l'FPS è: calcolare il numero di frame, in media, completati per secondo dalla GPU.

Quando FPS e Hz differiscono, possono verificarsi effetti come il tearing, ma questo lo vedremo dopo. In poche parole: GPU -> FPS, Display -> Hz. Per prestazioni ottimali, entrambi devono essere elevati.

Vediamo come le animazioni sono più fluide a FPS elevato. Iniziamo con concetti di base per poi passare ad argomenti più complessi, più avanti nell'articolo.

Nel video sotto, possiamo osservare che l'animazione risulta più fluida a un tasso di FPS/Hz più elevato. A 60 FPS/Hz, l'animazione risulta mossa, come se saltasse da un punto all'altro. A 240 FPS/Hz, possiamo ancora apprezzare qualche scatto ma molto più piccolo.

Prima di approfondire questo concetto, mettiamo in correlazione FPS e Hz. Sebbene questo non accada realmente, presumere che GPU e display funzionino alla stessa velocità ci aiuterà a meglio comprendere questi concetti.

Osservando l'animazione sotto, di una palla che rimbalza, possiamo visualizzare il motivo per cui la fluidità aumenta.

Per ogni "salto" nell'animazione a 60 FPS/Hz, ne osserviamo 4 a 240 FPS/Hz. I salti aggiuntivi riempiono il movimento, rendendo la grafica a 240 FPS/Hz molto più fluida. A 240 FPS/Hz, ci sono 3 frame aggiuntivi di informazioni per gli occhi nella stessa quantità di tempo.

Le animazioni più fluide aiutano a tenere sotto controllo l'obiettivo. Quando si corregge la mira per un overshooting o undershooting, un obiettivo più nitido aiuta a puntare più velocemente.

Il ghosting è un fattore di distrazione che si verifica su tutti gli schermi di tipo LCD. Quando il display si aggiorna, i colori non cambiano immediatamente. Occorre un certo tempo affinché i pixel vengano modificati, soprattutto quando la gamma di colori è ampia.

Guardando al video di CS:GO sotto, il ghost sembra una scia dietro l'oggetto, tipicamente rilevata nella posizione che occupava l'oggetto stesso nel frame precedente.

Se osserviamo di nuovo all'animazione della palla rimbalzante sotto, vediamo ora che la scia di ghosting segue il movimento della palla.

Formandosi tra un rimbalzo e l'altro, la scia compare nel "salto" precedente dell'animazione. A 60 FPS/Hz, la variazione di distanza tra i salti di animazione è nettamente superiore, dunque il ghosting è più visibile. A 240 FPS/Hz, la variazione di distanza tra i salti di animazione è nettamente inferiore, dunque il ghosting è meno visibile.

Per questo, a FPS/Hz più elevati, la rotazione di un personaggio o la visualizzazione di un oggetto in movimento è molto più chiara. Analogamente ai vantaggi di un'animazione fluida, il ghosting ridotto migliora l'inseguimento di un obiettivo, aiutando l'occhio a concentrarsi su di esso e non sull'effetto ghosting.

Il tearing si verifica quando il display mostra diversi frame della GPU allo stesso momento, causando una sorta di taglio longitudinale o lo spostamento dell'immagine orizzontalmente lungo lo schermo. Nell'esempio sotto, possiamo vedere il taglio direttamente attraverso il modello del giocatore.

Il tearing si verifica quando la velocità di output della GPU (FPS) non corrisponde agli Hz del display. Per evitare il tearing, possiamo attivare V-SYNC. V-SYNC blocca efficacemente la velocità di output della GPU in base agli Hz del display. Quando V-SYNC p attiva, la GPU può eseguire il rendering di un solo frame per ciclo di refresh del display.

Sebbene questo rimuova il tearing, potrebbe causare un ritardo di input e rendere il gioco meno reattivo perché la GPU dovrà attendere prima di mostrare i risultati di un'azione. A causa di tale ritardo, molti giocatori decidono di giocare disattivando la funzionalità V-SYNC nonostante il tearing.

Nell'esempio sotto, l'FPS è superiore rispetto agli Hz del display e V-SYNC è disattivata.

Come vediamo, i tagli appaiono più piccoli a 240 FPS/Hz. Perché? Scendiamo nel dettaglio.

Nell'animazione sotto, c'è un uomo che corre da sinistra a destra lungo lo schermo. A un certo punto, si verifica un taglio.

Come vediamo, quando compare il taglio vediamo la metà inferiore dell'oggetto che si posta più avanti, lasciando la parte originale indietro. Poiché la velocità della GPU non è fissata in base a quella del display, la GPU passa efficacemente al frame successivo che ha terminato di rendere a circa metà del ciclo di refresh. Una volta sostituito il frame, la parte rimanente viene resa con la nuova immagine, creando lo scostamento noto come taglio.

Come avviene con i salti dell'animazione, la distanza a cui viaggia l'oggetto tra i vari frame e superiore a 60 FPS/Hz, dunque lo scostamento dell'oggetto tra i due frame è maggiore, creando un effetto tearing più evidente. A 240 FPS/Hz, lo scostamento dell'oggetto tra i due frame è inferiore perché la differenza di tempo tra i due frame è ridotta, creando un effetto tearing meno visibile. Quando il tearing è meno evidente è più facile rimuovere i fattori di distrazione e i giocatori riescono a mantenere meglio la concentrazione sul gioco.

Come indicato sopra, esistono display che usano la tecnologia di refresh rate variabile, come G-SYNC, per offrire ai giocatori i vantaggi della disattivazione di VSYNC rimuovendo comunque il tearing. I display G-SYNC attengono che la GPU abbia completato il frame successivo prima di aggiornare lo schermo, lasciando lavorare la GPU alla massima velocità possibile. Esamineremo meglio questo argomento in un articolo successivo.

Guardando al video sotto, possiamo osservare come il giocatore avversario a 240 FPS/Hz sembra posizionato davanti al giocatore a 60 FPS/Hz.

Questo è causato dalla latenza del sistema.

Quando si parla di latenza nei giochi, molte persone pensano a ping o ritardo di rete. Questo tipo di latenza descrive il tempo necessario alle informazioni sul PC per raggiungere il server di gioco e tornare al PC.

La latenza di sistema, invece, è il tempo che richiedono le azioni dell'utente (clic del mouse, movimenti del mouse, input da tastiera) per raggiungere il display. Di norma si parla di latenza da moto a fotone o di latenza da clic a fiammata.

Cosa causa la latenza di sistema? Diamo ora uno sguardo alla sequenza di rendering.

Nell'esempio sotto, abbiamo semplificato la sequenza riducendola a tre fasi. Partendo da sinistra, abbiamo la CPU (indicata dalla barra blu) che interpreta l'input, aggiorna lo stato del gioco, prepara i frame per la GPU e li posiziona nella coda di rendering della GPU. La GPU (indicata dalla barra verde) prende i frame preparati dalla coda e ne esegue il rendering. Una volta che la GPU ha completato il suo lavoro, il display (indicato dalla barra grigia) presenta l'immagine finale nel successivo ciclo di refresh.

Tutte queste azioni richiedono tempo, e il totale di questo tempo rappresenta la latenza di sistema.

Nella realtà, le azioni avvengono in sequenza, il che significa che ogni fase inizia sul frame successivo una volta completata su quello corrente. La sequenza influisce sulla velocità di completamento (FPS), ma non modifica necessariamente la latenza di sistema, poiché le azioni passano comunque attraverso ogni fase.

Vediamo una sequenza a 60 FPS/Hz accanto a una a 240 FPS/Hz.

Possiamo vedere come il sistema a 60 FPS/Hz mostra i frame molto più lentamente. Se osserviamo un singolo frame su ciascun sistema, possiamo apprezzare la differenza in termini di latenza di sistema.

Iniziando dal punto di partenza nella linea del tempo, ogni CPU di sistema riceve la posizione del giocatore nello stesso momento. In questo esempio, la CPU e la GPU impiegano approssimativamente lo steso tempo per preparare e rendere il frame. La porzione di sequenza che interessa la CPU sul sistema a 60 FPS è 4 volte più lunga rispetto al sistema a 240 FPS. Analogamente, i tempi di rendering della GPU sono quattro volte più lunghi sul sistema a 60 FPS. Infine, la sezione relativa al display risulta anch'essa 4 volte più lunga sul sistema a 60 FPS poiché il ciclo di refresh è 4 volte più lento rispetto a un display a 240 Hz.

Su un sistema a 60 FPS/Hz il tempo di elaborazione è semplicemente maggiore e pertanto ulteriormente indietro rispetto allo stato effettivo del gioco. A 240 FPS/Hz, il rendering è molto più vicino allo stato effettivo del gioco, ma esiste comunque qualche differenza.

Possiamo vedere la differenza di latenza tra i due sistemi nell'esempio sotto. La differenza di posizione tra i due corrisponde alla differenza della latenza. Utilizzando un righello verticale, come una barra nera, è facile mettere a confronto gli scostamenti causati dalla latenza di sistema.

Una latenza di sistema più bassa permette di vedere prima il giocatore. Inoltre, riducendo la latenza di sistema il gioco risulta più reattivo, dato che il tempo che intercorre tra movimento del mouse e risultato sullo schermo è più breve. Sommando questi vantaggi, una latenza di sistema più bassa garantisce un vantaggio competitivo sul campo di battaglia.

In conclusione, un frame rate più elevato offre vantaggi concreti e misurabili: animazioni più fluide che migliorano l'inseguimento di un obiettivo, ghosting e tearing ridotti che riducono i fattori di distrazione e latenza di sistema più bassa che aiuta a individuare prima gli obiettivi rendendo il gioco più reattivo. Considerando tutti questi benefici insieme, possiamo affermare che un FPS elevato garantisce un vantaggio rispetto agli avversari.

Di quanto vantaggio hai bisogno? Utilizzando i dati raccolti da uno studio condotto all'inizio del 2019, siamo riusciti a tracciare l'FPS medio del giocatore rispetto al rapporto K/D; una metrica comune per descrivere la bravura di un giocatore nei giochi competitivi come Fortnite o PUBG.

Analizzando il grafico, possiamo osservare che c'è una correlazione tra FPS medio e rapporto K/D del giocatore in PUBG e Fortnite. A 180 FPS, il rapporto K/D è del 90% superiore rispetto ai giocatori che giocano a 60 FPS!

Da sola, questa correlazione non determina nulla.   Tuttavia, nel contesto dei vantaggi dell'FPS come la fluidità dell'animazione, il ghosting e il tearing ridotti e la minore latenza di sistema descritti in questo articolo, la relazione positiva mostrata nel grafico acquista un certo valore.

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