Словарь Уэбстера определяет слово Latency как «качество или состояние присутствия, которое может перерасти в появление или развитие, но на данный момент невидимое, очевидное или активное». И теперь, когда наконец-то был использован этот избитый писательский прием с упоминанием словаря, давайте разберемся со значением задержки применительно к миру видеоигр, а затем обсудим, как инженеры команды Xbox Series X работают над ее снижением.
Говоря простым языком, задержка – это величина того, как долго сигнал или частица данных перемещается в системе от одной точки к другой. В этой статье речь пойдёт о задержке ввода – о том, как долго перемещается сигнал от вашего контроллера к вашей консоли или от вашей консоли к вашему дисплею. Задержка практически всегда измеряется в миллисекундах (мс) и является ключевым фактором в восприятии отзывчивости игры.
Множество компонентов влияют на сквозную задержку ввода – это длинный конвейер, тянущийся от вашего взаимодействия с контроллером к результату на экране. Для Xbox Series X команда тонко настроила каждый элемент конвейера, чтобы обеспечить игрокам максимально отзывчивое и восприимчивое управление.
На прошлой неделе Эндрю Гуссен (Andrew Goossen), технический специалист (Technical Fellow) из команды Xbox Series X в Microsoft, устроил близкое знакомство с конвейером и рассказал о внесенных улучшениях. Начнем с контроллера.
Движения стиков и курков контроллера являются аналоговыми сигналами. Предыдущие контроллеры фиксировали эти сигналы и отправляли их результаты каждые 8 мс, без оглядки на то, когда игре, собственно, нужны эти данные. Так что даже если вы быстро скорректировали положение аналогового стика или курка, игра могла получить этот сигнал слишком поздно и поэтому использовала предыдущее состояние кнопки.
Это было хорошее решение для проводных и беспроводных контроллеров, поскольку оно обеспечивало постоянство отклика и экономило заряд батареи беспроводного контроллера. Хорошее, но не идеальное. Поскольку оно не было синхронизировано с механизмом считывания откликов в самой игре, время от времени происходили задержки – игра запрашивала у контроллера данные о текущих нажатиях, а платформа реагировала на запрос позже ожидаемого.
Для Xbox Series X команда придумала решение, в котором новый контроллер опрашивает и передает самые новые данные ввода прямо перед тем, как игра их запросит. В результате сигнал приходит как раз вовремя – они называют это Dynamic Latency Input (DLI). Теперь система держит контроллер в точной синхронизации с игрой – это касается и аналогового, и цифрового ввода. Самые актуальные данные о вводе попадают в консоль аккурат перед тем, как потребуются игре. Результат: значительное снижение задержек от контроллера. Более того, все это сделано не в ущерб времени автономной работы от батареи.
Кстати, о цифровом вводе: нажатие на кнопку относится к таковому, поскольку кнопка имеет только два состояния – 0 или 1. Предыдущие контроллеры опрашивали цифровой ввод с той же частотой, что и аналоговый. Да, это обеспечивало постоянство, но также означало, что скорость нажатия на кнопку упиралась в частоту опроса. Команда выяснила, что игры обычно интерполируют и прогнозируют аналоговый ввод, но с цифровым вводом так не получается. Поэтому цифровой ввод, такой как нажатие на кнопку, должен быть настолько точным, насколько это возможно.
На Xbox Series X контроллер постоянно отслеживает и передает данные об изменении состояния кнопок. Игры могут направлять запросы обо всех изменениях состояния кнопок с момента последней проверки. Беспроводное соединение стало лучше, чем когда-либо, а в случае проводного подключения работает абсолютное решение: данные передаются сразу же, как только меняется состояние цифрового параметра. Так что больше не получится обвинять контроллер в том, что последний удар в файтинге так и не удалось нанести.
Когда команда выбирала способ беспроводного обмена данными с консолью, то решила, что радиопротокол Xbox Wireless обладает массой преимуществ, поэтому менять его не стоит: тут и совместимость с аксессуарами для Xbox One, и большая пропускная способность, и низкие задержки, и поддержка до 8 контроллеров, и передача аудио- и видеоданных. Вдобавок команда улучшила качество передачи за счет тонкой настройки конструкции радиопередатчика и оптимального расположения всех соединений.
Это что касается контроллера. На стороне консоли же команда полностью изменила стек ввода, обеспечив играм быстрый доступ к данным ввода и возможность запрашивать их еще быстрее, а также устранила задержки, которые раньше могли случаться, когда сама игра оказывалась очень занятой и нагружала консоль.
Еще команда проделала работу, чтобы дать разработчикам игр инструменты для улучшения и оптимизации задержек в игровом движке. Благодаря новому механизму система теперь знает состояние ввода, соответствующее каждому отправленному по HDMI кадру. Впервые создатели могут легко измерить и отрегулировать сквозную задержку в процессе разработки, не прибегая к использованию высокоскоростной камеры. Благодаря разделению конвейеров рендеринга и ввода, Xbox Series X также поддерживает 120 кадров/с, поэтому в играх появится возможность удвоить кадровую частоту с 60 кадров/с, что вдвое снижает внутренние задержки.
Один из важнейших элементов всего этого – передача данных по HDMI-кабелю. Microsoft является активным участником консорциума HDMI, и команда усердно работала над внедрением в стандарт HDMI 2.1 функций, имеющих большое значение для Xbox Series X в ряде областей, включая:
- Время передачи на ТВ: HDMI 2.1 поддерживает до 4К@120 Гц, что позволило команде уменьшить время передачи кадра с 16,6 мс до 8,3 мс, не жертвуя разрешением. Это автоматически означает снижение задержек на 8,3 мс на поддерживаемых ТВ и приносит пользу играм на любой кадровой частоте.
- Переменная частота обновления (Variable Refresh Rate, VRR): когда игра пропускает свои кадры, VRR покажет результат с минимально возможной задержкой. 120-Гц ТВ, которые поддерживают VRR, обычно располагают большим окном для совершения действий (large timing window), что позволяет обеспечить производительность выше 40 кадров/с без разрывов изображения.
- Задержка внутри ТВ: Xbox Series X запускает Automatic Low Latency Mode (ALLM) на совместимых телевизорах для автоматического включения Игрового режима (Game Mode), тем самым не требуя от геймера никаких самостоятельных действий.
- Высокоскоростной HDMI-кабель: высокоскоростной HDMI-кабель поставляется с каждым Xbox Series X, чтобы обеспечить высококлассный игровой опыт, если геймер располагает совместимым с HDMI 2.1 дисплеем.
Повлиять на развитие стандарта HDMI – это одно, но было необходимо также тесно работать с ведущими производителями телевизоров, чтобы они последовательно интегрировали все передовые игровые технологии в свои продукты и обеспечили лучший игровой опыт. Команда Xbox понимала, что ТВ-экосистема должна быть готова к поддержке всех функций уже на запуске Xbox Series X. Предстояло ответить на один вопрос: как сделать так, чтобы телевизоры могли поддерживать функции за годы до того, как их начнет поддерживать первая консоль?
Решение заключается в том, что эти функции были запущены на поколение раньше, с Xbox One X и Xbox One S. Это повлекло за собой интеграцию ключевых технологий, таких как VRR и ALLM, в телевизоры, выпущенные в 2019 году и далее. Не пришлось ждать, пока они появятся в отдельных панелях в 2020-м или 2021-м.
Это все, что касается задержек. Эффект от каждого отдельного изменения не слишком заметен, но когда они складываются вместе, геймеры могут наслаждаться более живым и отзывчивым опытом.
Посмотрите другие материалы о Xbox Series X: о технологиях в основе Xbox Series X, наше интервью с членом команды создателей нового Xbox Wireless Controller и наш глоссарий терминов.