Frametime statt FPS: Warum Spiele trotz 60 FPS stocken

Der Zähler in der Bildschirmecke meldet 60 Bilder pro Sekunde, das Spiel wirkt trotzdem hakelig. Der Widerspruch löst sich auf, sobald die Ausgabe als Reihe einzelner Bilder betrachtet wird und nicht als Summe pro Sekunde. Zwischen zwei Bildern liegt eine messbare Zeit in Millisekunden, und genau diese Abstände bestimmen, ob eine Bewegung gleichmäßig aussieht. Ein Mittelwert über sechzig Bilder verrechnet jeden Ausreißer mit neunundfünfzig unauffälligen Werten und macht ihn dadurch unsichtbar.

Das Auge reagiert empfindlich auf Brüche im Rhythmus. Ein einzelner Frame braucht statt der erwarteten 16,7 Millisekunden plötzlich 90 Millisekunden. Beim Schwenk der Kamera fällt dieser Aussetzer sofort auf. Im Sekundenmittel kostet dieselbe Verzögerung rechnerisch gut vier Bilder. Die Durchschnittszahl verharmlost den Ruck daher deutlich. Aus 60 werden dann 56 Bilder pro Sekunde, eine Abweichung, die kaum jemand für ein Problem halten würde. Kennzahlen, die die Verteilung der Bildzeiten abbilden, machen den Unterschied zwischen ruhiger und zerrissener Ausgabe sichtbar.

Warum der Sekundendurchschnitt die Ausreißer verdeckt

Die Angabe Bilder pro Sekunde beschreibt eine Zählung über ein Zeitfenster von einer Sekunde. Sechzig gezählte Bilder sagen nichts darüber aus, wie diese Bilder innerhalb der Sekunde verteilt waren. Ein Rechenbeispiel macht das greifbar. 59 Frames brauchen zusammen 708 Millisekunden, der sechzigste Frame allein 292 Millisekunden. Die Summe ergibt exakt eine Sekunde. Der Zähler meldet weiterhin saubere 60 Bilder pro Sekunde. Trotzdem steht das Bild fast eine Drittelsekunde lang still. Der Mittelwert verdeckt diese Pause vollständig.

Übliche Overlays aktualisieren ihren Wert ein- bis zweimal pro Sekunde und mitteln zusätzlich über mehrere Zeitfenster. Auch die oft genannten minimalen Bilder pro Sekunde helfen wenig. Denn sie geben nur die schlechteste Sekunde einer Messung wieder. Ein einzelner Ausrutscher geht in dieser Sekunde unter. Der Wert bleibt daher grob. Zwei Testläufe mit identischem Mittelwert von 90 Bildern pro Sekunde können sich völlig unterschiedlich anfühlen. Der eine Lauf läuft gleichmäßig durch. Der andere streut alle zwei Sekunden eine deutliche Verzögerung ein. Beide Läufe kommen dabei auf denselben Mittelwert. Der Mittelwert allein trennt diese beiden Fälle nicht.

Frametime in Millisekunden als eigentliche Kennzahl

Die Frametime dreht die Betrachtung um. Sie misst die Zeit eines einzelnen Frames von der Berechnung bis zur Ausgabe. Damit rückt das einzelne Bild in den Mittelpunkt der Messung. 30 Bilder pro Sekunde entsprechen 33,3 Millisekunden, 60 Bilder 16,7 Millisekunden, 120 Bilder 8,3 Millisekunden und 144 Bilder 6,9 Millisekunden. Die Skala bildet den Kehrwert der Bildrate ab und verläuft damit nicht linear. Der Sprung von 30 auf 60 Bilder spart 16,6 Millisekunden pro Bild ein. Von 120 auf 144 Bilder bringt derselbe Schritt nur noch 1,4 Millisekunden. Der Gewinn schrumpft mit jeder weiteren Stufe.

Sichtbar wird Ruckeln über die Abweichung von Frame zu Frame. Springt die Bildzeit von 16 auf 33 Millisekunden, bleibt ein Bild doppelt so lange stehen wie geplant. Die Bewegung setzt daher für einen Moment aus. Das Auge registriert diesen Stillstand sofort. Abweichungen unter etwa vier Millisekunden bemerkt kaum jemand. Ab acht bis zehn Millisekunden Unterschied nehmen die meisten Betrachter einen Ruck wahr. Dazwischen liegt eine breite Grauzone. Messprogramme fassen diese Streuung als Frametime-Varianz zusammen. Sie geben den Wert als Standardabweichung aus.

Andere Werkzeuge nennen den Anteil der Frames oberhalb einer gesetzten Schwelle. Beide Angaben beschreiben dieselbe Ungleichmäßigkeit. Konsolen arbeiten mit fester Hardware und zielen deshalb auf eine gleichmäßige Bildzeit statt auf einen hohen Spitzenwert. Im Vergleich von Konsole und Gaming-PC schneidet der Rechner bei der reinen Bildrate oft besser ab, während die Konsole im Frametime-Graphen ruhiger läuft.

1 Prozent low und 0,1 Prozent low richtig lesen

Der Wert 1 Prozent low fasst das schlechteste Prozent aller gemessenen Frames zusammen. Bei einem Lauf von 60 Sekunden mit durchschnittlich 60 Bildern pro Sekunde fallen 3.600 Frames an. Das schlechteste Prozent umfasst also 36 Frames. Das schlechteste Promille umfasst noch drei bis vier Frames. Die Stichprobe wird dabei sehr klein. Zwei Rechenwege sind verbreitet. Die einfache Variante sortiert alle Bildzeiten und greift den Wert an der Perzentilgrenze heraus. Die zeitbasierte Variante addiert dagegen die längsten Bildzeiten. Sie stoppt, sobald deren Summe ein Prozent der Messdauer erreicht. Danach mittelt sie diesen Block. Beide Verfahren liefern unterschiedliche Zahlen für denselben Lauf.

Aussagekraft entsteht erst im Abstand zum Mittelwert. Ein Lauf mit 90 Bildern im Mittel und 78 Bildern im 1 Prozent low läuft ruhig. Ein zweiter Lauf zeigt denselben Mittelwert von 90 Bildern. Er erreicht im 1 Prozent low allerdings nur 40 Bilder und bricht regelmäßig für Sekundenbruchteile ein. Der Wert 0,1 Prozent low reagiert auf sehr wenige Einzelereignisse und schwankt zwischen zwei Durchläufen stark. Belastbar wird er nur über längere Messungen von mehreren Minuten und über mehrere Wiederholungen derselben Szene.

Frametime-Graphen interpretieren und Spikes zuordnen

Ein Frametime-Graph trägt die Bildzeit in Millisekunden über den Verlauf der Messung auf. Eine flache Linie auf niedrigem Niveau steht für gleichmäßige Ausgabe. Ein breites Plateau auf höherem Niveau zeigt schlicht eine anspruchsvolle Szene. Beide Verläufe bleiben unauffällig. Interessant sind die Muster daneben. Ein regelmäßiges Sägezahnmuster deutet auf abwechselnd kurze und lange Frames hin. Dieses Muster tritt bei fehlerhaftem Frame Pacing auf. Eine einzelne hohe Nadel markiert einen abgerissenen Frame mitten im ruhigen Verlauf. Der Graph unterscheidet beide Fälle klar. Eine logarithmische Skalierung der Achse hält beide Ereignisarten gleichzeitig lesbar.

Einzelne Nadeln lassen sich meist einer von vier Ursachen zuordnen. Shader-Kompilierung erzeugt Ausschläge von 200 bis 500 Millisekunden. Sie tritt beim ersten Betreten eines Bereichs auf, ebenso beim ersten Auftauchen eines Effekts. Im zweiten Durchlauf derselben Szene verschwindet der Ausschlag wieder. Die Ursache lässt sich dadurch leicht erkennen. Nachladen von Texturen und Geometrie hängt an der Geschwindigkeit des Datenträgers und zeigt sich beim Wechsel von Arealen. Knapper Videospeicher erzwingt ständiges Auslagern und Nachladen von Daten und erzeugt wiederkehrende Wellen. Hintergrundprozesse wie Virenscanner, Browser oder Aufnahmesoftware hinterlassen unregelmäßige Ausschläge ohne Bezug zum Spielgeschehen.

Was VSync, Freesync und Gsync an der Bildausgabe ändern

VSync koppelt die Ausgabe an feste Intervalle des Monitors. Bei 60 Hertz sind nur Bildzeiten von 16,7, 33,3 oder 50 Millisekunden möglich. Verpasst ein Frame sein Zeitfenster, wartet er ein ganzes Intervall ab. Zwischenwerte kann die Ausgabe daher nicht darstellen. Eine Renderzeit von 17 Millisekunden kostet auf diesem Weg volle 33,3 Millisekunden Standzeit. Der Graph zeigt dann Stufen statt einer weichen Kurve. Die Bildrate fällt von 60 auf 30. Dabei fehlen der Rechenleistung nur wenige Prozent. Der Einbruch wirkt daher größer, als er ist.

Freesync und Gsync drehen das Verhältnis um und passen die Bildwiederholrate des Monitors an die Renderzeit an. Der Arbeitsbereich ist begrenzt, ein 144-Hertz-Panel arbeitet häufig zwischen 48 und 144 Hertz. Unterhalb der Untergrenze verdoppelt die Low Framerate Compensation einzelne Bilder, was eine Obergrenze von mindestens dem 2,5-fachen der Untergrenze voraussetzt. Die Technik glättet die Ausgabe, an den gemessenen Renderzeiten ändert sie nichts und beseitigt keine Nadel im Graphen. Ein Limit knapp unter dem Maximum, etwa 138 Bilder bei 144 Hertz, hält die Ausgabe im geregelten Bereich. Beim Streaming aus dem Netz kommt zur Renderzeit die Laufzeit der Leitung hinzu. Deren Schwankung erzeugt im Graphen dasselbe Muster wie ein Nachladeruckler auf dem eigenen Rechner, weshalb Cloud-Gaming die Messung der eigenen Hardware unbrauchbar macht. Gemessen wird dann die Summe aus Server, Netz und Ausgabe.

Frame Pacing bei Frame Generation und die Werkzeuge der Messung

Frame Generation schiebt berechnete Zwischenbilder zwischen zwei gerenderte Frames. Messwerkzeuge zählen diese Zwischenbilder mit. Dadurch steigt die Bildrate, und auch die Perzentilwerte sehen optisch besser aus. Die Eingabelatenz hängt allerdings weiter an den echten Frames. Der Zahlenwert und das Empfinden fallen auseinander. Die Ausgabe wirkt nur dann ruhig, wenn das Zwischenbild zeitlich mittig platziert wird. Eine unsaubere Verteilung lässt die Kurve glatt erscheinen und die Bewegung trotzdem zittern. Kennzahlen wie der Animation Error vergleichen deshalb den Simulationszeitpunkt eines Bildes mit seinem Anzeigezeitpunkt.

Die Daten liefern mehrere frei verfügbare Programme. Intel PresentMon erfasst Bildzeiten systemweit und schreibt sie als CSV-Datei mit. Über die Kennzahl GPU Busy trennt das Werkzeug die Wartezeit der Grafikkarte von ihrer Arbeitszeit. Der Engpass lässt sich damit eingrenzen. CapFrameX setzt darauf auf und stellt Perzentile, Verteilungen und den Vergleich mehrerer Läufe grafisch dar. NVIDIA FrameView protokolliert zusätzlich die Leistungsaufnahme, MSI Afterburner mit dem RivaTuner Statistics Server blendet den Verlauf live als Overlay ein. Vergleichbar werden Messungen erst bei identischer Szene, gleicher Dauer von mindestens 60 Sekunden und geschlossenen Hintergrundprogrammen.

Fazit zur Frametime als Messgröße

Die Bildrate bleibt eine brauchbare Grobangabe für die Einordnung der Rechenleistung. Das Empfinden von Flüssigkeit entsteht dagegen an den Abständen zwischen den Bildern. Beide Größen beschreiben verschiedene Dinge. Die Frametime in Millisekunden zählt ebenso wie die Werte 1 Prozent low und 0,1 Prozent low. Dazu kommt der Blick in den Graphen. Diese Angaben trennen eine gleichmäßige Ausgabe von einer zerrissenen, auch wenn beide dieselbe Durchschnittszahl tragen. Wichtig bleibt die saubere Messung mit identischer Szene und ausreichender Dauer. Dazu gehört die Kenntnis, welches Rechenverfahren das jeweilige Werkzeug für die Perzentile verwendet. Erst dann lassen sich zwei Messungen vergleichen.