ゲームプログラマが語る。今さら聞けないフレームレートに纏わる話。秒間６０？１６ミリ？ 2014-02-23 23:21

　吹雪だソチだ大雪だと、世間はなんとも雪景色でありますが、日本ゲーム業界はホットです。
いよいよ発売されましたねＰＳ４。我が家にも早速届けられました！なんとカッコイイ機体でありましょう。
　取り急ぎ、手元には同梱されていたＫＮＡＣＫとトゥームレイダーしかありませんが、これから数年間は確実に我がリビングを彩るパートナーでありますからね。ゆっくり楽しんでまいりたい Team Dyquem で御座います。皆様こんばんは。




　さて。



今さら聞けないシリーズ

「フレーム」「６０コマ」「１６ミリ」など、フレームレートに纏わる単語は色々とありますが、これらは元来、純粋に技術的なキーワードでありますし、企画さんやデザイナさん、中には新人プログラマの方にも、これらの意味をそれほど深く掘り下げずに使用している方も多いのではないでしょうか。

　まあ、ゲーム制作に纏わる技術的キーワードはそれこそ無尽蔵に在りますからね。
細かい専門外知識はふわっとしたまま捕らえ、餅は餅屋でやっていくのもまた一つの在り方であるかとは思いますが、フレームレート周りの知識は重要な部類でありますし、ゲーム屋としてやっていくならば把握しておいた方が良い仕組みですので、是非ここで覚えてしまいましょう。



フレームって何？

　ゲームや映画、テレビ番組、スマホやケータイの画面など、映像コンテンツを表現するほとんどの機器は、瞬間瞬間の制止画を連続再生させる事で、滑らかな動画表現を行っています。
　言ってみれば、超高速な紙芝居。
　一秒間に何十枚という紙芝居を行うことで、それがあたかも動く映像であるかの様に見せているわけですね。
　その枚数は、フィルム映画なら１秒間に２４枚。
　ＰＳ３やＰＳ４、ＶＩＴＡや３ＤＳ等、一般的なゲーム機やスマホにおける、凝った３Ｄのもので秒間３０枚。画像表現へのこだわりよりも滑らかさを重視するレースゲームや格闘ゲームでは秒間６０枚。
　たった一秒間という短い時間の間に、これだけの紙芝居が行われているのです。

　１秒間に６０枚の紙芝居を行うならば、その一枚を表示している時間は６０分の１秒間になりますね。
「フレーム」とは、その中の一枚の絵を。
「１フレーム」といえば、その一枚を表示している時間をそれぞれ表しています。



１６ミリ秒？３２ミリ秒？

　プログラマの口から、こうした言葉を聞いたことがあるかもしれません。
これは通常、「１フレーム」の時間です。

　「ミリ秒」とは、「１０００分の１秒」。つまり、０．００１秒の事ですね。
秒間６０フレームのゲームならば、そのゲームにおける一フレームの時間は「６０分の１秒」です。
　これは、０．０１６６６６秒、つまり約１６ミリ秒という事になりますね。
秒間３０フレームのゲームならこれらが倍になり、３２ミリ秒（１６．６ミリ秒の倍なので、正確には約３３ミリ秒）というわけです。

　３０フレームのゲームならば、一フレームにかかる処理時間が３３ミリ秒を超えると、それは処理落ちやフレーム落ちとなって表れる事になります。
　ある一フレームにおける処理時間が４０ミリ秒かかっているとしたら、そこから何とかして７ミリ秒の高速化や最適化を行わなければ、処理落ちが解消出来ないというわけです。
こうしたシーンでよく使われる言葉達ですね。



６０フレームの次が３０？ ５０とか４９とか中途半端な数字が出てこないのは何故？

　これは、企画さんやデザイナさんサイドより、何度も質問された事がありますね。
　言われてみれば確かに、理屈を知っていなければ不可思議な事でしょう。
　若いプログラマさん等の中でも、その理由を正しく答えられる人は減ってきている様な気がいたします。

　本当に根っこから説明すると、それこそブラウン管時代発祥の走査線機構や、水平同期、垂直同期、帰線期間、ＣＲＴＣ等をはじめとするハードウェア周りをガチで解説しなければなりませんので、ここでは簡単に。

　これは、テレビという装置の構造に依存しています。

　ものすごくザックリいうと、テレビというものは、必ず１秒間に６０回の画面更新が入ります。これは、固定であると考えてください。
（玄人の方へ注：100hzモニタだとかGVSync、ティアリングとかは割愛しますよ？本当はガッツリ書きたいですけれども)

　全てのゲーム機は、「秒間６０回画面更新」というテレビの構造へ、強く依存して設計されていると考えて下さい。
　この仕組みに従ってゲームを作るという事はつまり、「６０分の１秒」の間に１フレーム分の処理を全て終わらせ、そのフレーム用の画面を作成し、テレビにそれが表示されるという事。
　この繰り返しが、つまりゲームです。

　もしも、この「６０分の１秒」つまり「１６ミリ秒」という短い時間に処理が間に合わなかったとしましょう。
　敵キャラが沢山出現しているせいでしょうか？
　画面いっぱいに爆発エフェクトが出る瞬間だったのでしょうか？
　理由はともあれ、兎に角、処理負荷の高いシーンだったのでしょう。

　例えばこの時、普段ならば１６ミリ秒に収まっていた処理が、２０ミリ秒もかかっていたとしましょう。
　単純に考えるならば「１フレームの時間が２０ミリ秒になっただけ」、それで良さそうなものでありますが、テレビの構造上そうはなりません。

　「１６ミリ秒目」というフレーム更新タイミングを一度逃してしまっています。
　これは、１６ミリ秒毎にホームへやってくる電車の様なものですね。一旦逃してしまったならば、次のタイミングを待つしかありません。
　次回到着時刻は、どうしたって「３２ミリ秒目」なのです。

　こうして、画面更新タイミングへ処理を合わせる事を、「同期する」と呼びます。

　処理落ちがなければ秒間６０フレーム。
　毎フレームの処理が１６ミリ秒を超えるならば、２フレームに１回の画面更新となりますから、秒間３０フレームに。
　そして、更に負荷が上がり、毎フレームの処理が３３ミリ秒をも超えるならば、今度は３フレームに１回の処理となり、秒間２０フレームに。

　６０　→　３０　→　２０、と推移します。
　さて、次は？

　更に負荷が上がり、４フレームに１回となる訳ですから、６０÷４で、秒間１５フレーム。次は６０÷５で１２。６０÷６で１０。

では更に更に、８フレームに一度となった場合は？
６０÷８ですから、秒間７.５フレーム……となりますが、「０.５フレーム」という物理的な状態はありません。これはあくまでも便宜上そう呼ぶしかないわけであります。
　この状態を正確に表現するならば、約分し、「２秒間で１５フレーム」となるわけですね。



余談

　ところで、処理落ち等によって発生した、次の画面更新タイミングまでの待ち時間、例えば、２０ミリ秒目～３２ミリ秒目までの空き時間はどうしましょう？何とも勿体ない話です。
　とは言え、基本的にこれは空白の待ち時間です。特に何も行わず、次の画面更新タイミングまで待機状態に入ることも可能です。ＶＩＴＡや３ＤＳ等の携帯機では、この僅かな時間だけＣＰＵを停止させ、バッテリー消費を抑えるという基本的な指針が定められています。

　が、実際に近代ゲームを開発する現場では、こんな悠長な事は言っていられません。実際には、こうして生じた僅かな待ち時間でさえも無駄にするわけにはいきませんからね。
　「ちゃんと作っている」ゲームならば、この僅かな時間へ色々な処理を詰め込みます。そのフレーム内で完結しなければならないシビアな処理ではなく、数フレーム後、ものによっては数秒後に結果が得られれば構わない処理を、少しずつ行っておくイメージです。
　例えば、キャラクター等の経路探索処理や、敵の思考処理などですね。


　プログラマでは無い方にとりましても、大変重要な概念である「フレーム」。
　かなりザックリとした解説でありましたが、基本の「キ」と「ホ」程度は網羅出来たかと思います。
　上記記事内におきましても少し触れましたが、ここから更に、ティアリング問題や、それを超合理的に解決するＧＶＳｙｎｃ技術等、フレーム関連の学習はまだまだ奥の深いものであります。
　興味をお持ちの方は、更に学習を進めると良いでしょう。