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엔비디아, FPS가 게임 플레이에 미치는 영향 연구 결과 공개

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양효정기자 작성일시20-01-20 09:28 기사승인20-01-20 09:30 조회517댓글0

뉴스 본문

AI 컴퓨팅 기술 분야의 선두주자인 엔비디아(CEO 젠슨 황)가 1인칭 슈팅 게임 '카운터 스트라이크: 글로벌 오펜시브(CS:GO)’에서 60, 144, 240 FPS/Hz가 각각 게임 플레이에 미치는 영향을 보여주는 영상을 공개하며, FPS(초당 프레임 수)가 게임 플레이에 미치는 영향에 대한 연구 결과를 발표했다.


승부욕 강한 게이머들과 e스포츠 선수들은 경쟁 우위를 점하기 위해 최대한 높은 FPS를 얻는 것을 목표로 한다. 부드러운 애니메이션, 낮은 레이턴시와 최소한의 방해요소를 갖춰야만 최상의 결과를 얻을 수 있기 때문이다. 최신 GPU로 구현한 높은 프레임률로 게이머들의 경쟁력을 높일 수 있다.



FPS와 Hz란 무엇인가?

FPS와 Hz는 게임업계에서 종종 혼용되거나 오용되기도 한다. Hz는 초당 사이클 수를 의미하며, 일반적으로 디스플레이와 관련있다. FPS와 Hz 모두 화면 속도를 나타내지만 사용자 PC의 렌더링 시스템 상에서 다른 구성요소를 사용해 구현된다. 즉, FPS는 시스템, 특히 GPU가 프레임을 완성하는 속도, Hz는 디스플레이가 완성된 프레임을 표시하는 속도를 뜻한다.


아래 이미지에서 상단의 회색 눈금은 모니터에 표시되는 프레임을, 녹색 눈금은 GPU가 완성한 프레임을 나타낸다.



모니터와 GPU의 속도는 다르다. GPU는 디스플레이가 프레임을 송출하는 속도보다 빠르게 또는 느리게 프레임을 완성한다. 프레임 속도는 렌더링 되는 3D 장면의 복잡한 정도가 다르기 때문에 다르게 나타난다. 예를 들어, 한 장면에서 폭발하는 이미지를 렌더링하는데 걸리는 시간이 이전 장면의 폭발 이미지 보다 길 수 있다. 반면, Hz는 속도가 일정하고, 장면의 복잡성에 따라 달라지지 않는다. 60Hz는 초속 60회, 144Hz는 초속 144회를 뜻한다. 주사율(refresh rate)를 조절할 수 있는 디스플레이가 있지만, 빠른 이해를 돕고자 고정 주사율을 기반으로 설명하려 한다.


프레임별로 프레임 시간이 일정하지 않기 때문에, 대체적으로 FPS는 여러 초에 걸친 이동 평균(rolling average)을 말한다. FPS는 GPU가 1초마다 완성하는 평균 프레임 수로 볼 수 있다.


결론적으로, GPU는 FPS와, 디스플레이는 Hz와 관련 있으며, 최상의 성능을 경험하기 위해서는 FPS와 Hz 모두 높아야 한다.


높은 FPS로 구현하는 한층 부드러워진 애니메이션

영상을 통해 FPS/Hz가 높을수록 부드러워진 애니메이션을 확인할 수 있다. 60 FPS/Hz에서의 끊어짐 현상은 두드러지게 나타나며, 240 FPS/Hz 에서는 끊어짐 현상이 줄어든 것을 확인할 수 있다.


60FPS/Hz의 각 ‘단계’마다, 240FPS/Hz에는 4개의 ‘단계’가 있다. 단계가 많을수록 표현되는 움직임이 많아져 240FPS/Hz가 훨씬 부드럽게 보인다. 240FPS/Hz의 경우 같은 시간 동안 3개의 프레임이 추가된다.


애니메이션이 부드러울수록 보고자 하는 대상을 따라가기 쉽다. 오버슈팅(overshooting)이나 언더슈팅(undershooting)을 위해 미세한 조정이 필요한 경우, 보고자 하는 대상이 부드럽게 움직이면 다른 곳에 시선을 두었다가 대상에 더 빠르게 돌아올 수 있다.


높은 FPS/Hz로 고스팅 감소

고스팅(Ghosting)은 모든 LCD 디스플레이에서 발생하며, 이는 게이머의 몰입을 방해한다. 디스플레이가 재생(refresh)될 때, 색상이 즉각적으로 변하지 않는다. 픽셀이 바뀌기 위해 시간이 소요된다. 특히 색 변화의 범위가 클 경우 더욱 그러하다.


CS:GO 영상을 보면 고스트 현상이 물체의 흔적처럼 보이는데, 대체로 이전 프레임에서 물체가 있던 자리에서 나타난다.


애니메이션의 각 단계에 따라 고스트 현상이 애니메이션의 이전 ‘단계’에서 나타난다. 60 FPS/Hz에서는 애니메이션 단계 간의 거리가 길어, 고스트 현상이 눈에 띄기 쉽다. 반면, 240 FPS/Hz에서는 애니메이션 단계 간 거리가 짧아, 고스트 현상이 적게 확인된다.


그렇기 때문에 FPS/Hz가 높을수록 게임 캐릭터를 회전하거나 물체를 움직이는 모습을 훨씬 선명하게 볼 수 있다. 애니메이션이 부드러울수록 더 자연스럽게 보이는 것처럼, 고스팅 현상이 줄어들수록 보고자 하는 대상에 더 집중할 수 있게 된다.


높은 FPS로 티어링 감소

티어링은 디스플레이가 GPU와는 다른 프레임을 송출해 화면이 가로로 갈라지거나 이미지가 화면 속에서 이동하는 것을 뜻한다. 아래 이미지에서 게임 캐릭터에 티어링 현상이 일어난 것을 확인할 수 있다.



티어링은 GPU의 출력 속도(FPS)가 디스플레이의 Hz와 일치하지 않을 때 발생한다. 이러한 경우 V-SYNC를 통해 티어링을 방지할 수 있다. V-SYNC는 GPU의 출력 속도를 디스플레이의 Hz와 맞도록 조절한다. V-SYNC를 통해 GPU는 디스플레이 주사율(display refresh cycle) 1회당 1개 프레임만 렌더링할 수 있다.


이러한 방법으로 티어링은 사라지지만, 입력 지연이 발생할 수 있다. 게이머의 행동에 따른 결과를 보여주기 위해 GPU의 대기 시간이 소요되기 때문에, 게임의 반응속도가 떨어진 것 같은 느낌을 받을 수 있다. 이러한 지연으로 대다수 게이머들은 티어링 현상이 나타나도 V-SYNC 비활성화 상태에서 게임을 플레이 한다.


GPU 속도가 디스플레이 속도에 고정되지 않았기 때문에, GPU는 렌더링이 완료된 다음 프레임을 재생이 완료되지 않은 상태에서 바꿔서 보여준 것이다. 프레임이 교체된 다음, 프레임의 나머지 부분이 새로운 이미지로 렌더링되고, 티어링이라는 상쇄현상이 나타나는 것이다.


애니메이션 단계와 마찬가지로, 물체가 프레임 사이에서 이동하는 거리는 60 FPS/Hz에서 더 크고, 두 개 프레임 사이의 이동거리도 더 크기 때문에 티어링 현상도 눈에 띄게 나타나는 것이다. 240 FPS/Hz에서는 두 프레임 사이의 시간 차이가 더 짧고 두 프레임 사이의 이동거리도 작기 때문에, 티어링 현상이 더 적게 나타난다. 티어링 현상이 줄어들수록 몰입을 방해하는 요소도 감소해, 게이머들이 게임에 더 집중할 수 있게 된다.


V-SYNC가 비활성화된 상태에서도 티어링 현상이 일어나지 않도록 G-SYNC와 같은 VRR(variable refresh rate) 기술을 적용한 디스플레이가 있다. G-SYNC 디스플레이는 디스플레이 재생 전 GPU의 다음 프레임 완성을 기다려, GPU가 프레임을 최대한 빠르게 완성하도록 돕는다.


높은 FPS = 낮은 시스템 레이턴시

영상에서 캐릭터는 60 FPS/Hz에서 보다 240 FPS/Hz에서 앞서 나가는 것처럼 보인다. 이는 시스템 레이턴시로 발생한다.


게임 내 레이턴시는 많은 게이머들이 핑(ping)이나 네트워크 지연(lag)을 떠올린다. 레이턴시는 사용자 PC에 저장된 정보가 게임 서버에 도달했다가 다시 사용자 PC로 돌아오는 데 걸리는 시간이다.


반면, 시스템 레이턴시는 사용자의 행동(마우스 클릭, 마우스 이동, 키보드 입력)이 디스플레이에 도달하는 데 걸리는 시간을 의미한다. 이를 종종 움직임이 화면에 반영되기까지의 지연시간, 혹은 마우스 클릭이 총기발사로 나타날 때까지의 지연시간이라고 한다.



시스템 레이턴시가 발생하는 원인은 무엇일까?


아래 예시에서 설명을 위해 파이프라인을 세 단계로 나누었다. 왼쪽을 보면, 인풋을 해석해 게임 상태를 업데이트하고, GPU 렌더링을 위해 프레임을 준비해 GPU 렌더링 대기줄에 프레임을 배치하는 CPU(파란 막대)가 있다. 그러면 GPU(녹색 막대)가 준비된 프레임을 대기줄에서 가져와 렌더링 한다. GPU가 작업을 마치면 디스플레이(회색 막대)가 다음 주사율에서 최종 이미지를 송출한다.



이 모든 것 과정을 처리하기 위해 소요되는 시간의 합이 시스템 레이턴시다.


실제로 위와 같은 동작들은 파이프라인 처리된다. 즉, 각 단계가 완료될 때마다 다음 프레임 작업을 시작한다. 파이프라인 방식은 화면 속도(FPS)에는 영향을 미치지만, 이와 관계없이 사용자의 동작은 각 단계를 거쳐야 하기 때문에 시스템 레이턴시가 바뀌지 않을 수도 있다.


60 FPS/Hz 시스템이 240 FPS/Hz 시스템보다 프레임을 보다 느리게 보여준다. 각 시스템의 개별 프레임 송출 방법을 통해 시스템 레이턴시의 차이점을 알 수 있다.



시작 지점부터 보면, 각 시스템의 CPU는 게임 캐릭터의 위치를 동시에 전달받는다. 이 예에서 CPU와 GPU가 프레임을 준비하고 렌더링 하는데 거의 동일한 시간이 소요된다. 60 FPS 시스템에서 CPU의 파이프 구간이 240 FPS 시스템보다 4배 더 길다. 마찬가지로, GPU 렌더링 시간도 60 FPS 시스템에서 4배 더 길다. 마지막으로, 주사율이 240 Hz 디스플레이보다 4배 느리기 때문에 60 FPS 시스템의 디스플레이 구간 역시 4배 더 길다.


60 FPS/Hz 시스템의 처리 시간이 더 길기 때문에 실제 게임 속 상황보다 훨씬 뒤처지게 되는 것이다. 240 FPS/Hz에서는 렌더링이 실제 게임 속 상황에 훨씬 가깝지만 여전히 약간의 차이는 존재한다.


시스템 레이턴시가 짧을수록 캐릭터의 모습을 더 빠르게 볼 수 있다. 또, 시스템 레이턴시가 짧아지면, 마우스의 움직임이 화면에 반영되는 시간 역시 짧아지기 때문에 게임의 반응속도가 빨라진 것처럼 느껴진다. 이런 장점들이 있기 때문에 시스템 레이턴시가 짧을수록 게임에서 경쟁우위를 점할 수 있다.


높은 FPS를 구현하는 지포스

결론적으로 프레임률이 높으면 높을수록 확실한 차별점을 느낄 수 있다. 프레임률이 높을수록 부드러운 애니메이션이 구현되어 타깃을 보다 쉽게 따라갈 수 있고 고스트, 티어링 현상이 줄어들어 게임에 더 몰입할 수 있다. 또한, 시스템 레이턴시가 짧을수록 목표물을 더 빠르게 볼 수 있어, 게임의 반응속도도 빨라진 느낌을 받을 수 있다. 즉, 높은 FPS는 플레이어가 게임에서 우위를 차지하도록 돕는다.


올해 초 엔비디아 연구에서 수집한 데이터를 통해, 게이머의 평균 FPS와 게임 속 킬/데스(Kill/Death, K/D) 비율을 비교했다. 이는 포트나이트(Fortnite)나 펍지(PUBG)와 같은 경쟁게임에서 게이머의 기술력을 측정하는데 쓰이는 기준이다.



위 그래프를 통해 포트나이트와 PUBG 게이머의 평균 FPS와 K/D 비율 간 상관관계를 확인할 수 있다. 180 FPS에서 게이머의 K/D 비율이 60 FPS의 게이머 대비 90% 가량 높은 것을 확인할 수 있다.


물론 이러한 상관관계가 절대적인 원인관계를 증명하지는 못한다. 하지만, 애니메이션의 부드러움 수준, 낮은 고스팅 및 티어링 발생률, 짧은 시스템 레이턴시 등 높은 FPS로 인해 발생하는 장점을 고려하면, 그래프에 나타난 긍정적인 관계를 이해할 수 있다.



최신 #FramesWinsGames 사이트를 방문해 엔비디아 지포스 GPU가 배틀로얄과 1인칭 슈팅 게임에서 경쟁력을 극대화할 수 있는 FPS를 구현하는 방법을 확인할 수 있다. 보다 자세한 내용은 토니 테크 토크(Tony Tech Talk) 영상을 확인하면 된다.

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