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PS4 Pro: 4K, HDR, Upscaling, Super-Sampling, ecco i termini tecnici da conoscere

Con l'arrivo di PlayStation 4 Pro arrivano nuovi termini tecnici da conoscere: Upscaling, Super-Sampling, HDR, Checkerboard Rendering...

speciale PS4 Pro: 4K, HDR, Upscaling, Super-Sampling, ecco i termini tecnici da conoscere
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  • PS4

L'arrivo sul mercato di PlayStation 4 Pro ha portato alla ribalta una serie di termini e concetti tecnici legati all'hardware della console ed alla grafica, che in certi casi possono generare molta confusione. Abbiamo preparato una guida che spiega in modo semplice alcuni di quelli più importanti e, nel caso voleste saperne di più, linkando i nostri articoli di approfondimento pubblicati nelle scorse settimane. Speriamo quindi che questo "dizionario" dei termini tenici possa risultarvi utile per orientarvi e capire meglio la proposta dell'hardware Sony.

CPU

La CPU (Central Processing Unit) è il "cervello" di un qualsiasi sistema informatico. Le CPU sono dei processori digitali dotati di un alta capacità di calcolo e capaci di gestire istruzioni molto variegate, legate alle più disparate funzionalità richieste da console e PC. Nelle console moderne la CPU ha assunto un ruolo più marginale in favore delle più potenti e specializzate GPU, su cui pesa gran parte del lavoro di creazione di una scena tridimensionale. Questo non significa che la CPU non abbia un ruolo nelle prestazioni di una console: deve avere potenza sufficiente per non fare da collo di bottiglia e quindi influire negativamente sulle prestazioni.

GPU

La cara vecchia scheda grafica negli anni si è evoluta e specializzata, fino a diventare la GPU (Graphics Processing Unit): un processore specializzato nell'accelerare tutti i calcoli necessari alla resa di scene tridimensionali. Grazie ad un elevato livello di parallelismo (la capacità di far operare più processori contemporaneamente) sono diventate sempre più efficienti raggiungendo capacità di calcolo molto elevate. La GPU della PS4 è accreditata di 1.8 Tflops, la PS4 PRO invece arriva a 4.2 TFlops. Già, ma cosa sono i Tflops?

Tera-flops

1 Tera equivale a 1000 miliardi di operazioni (10 elevato alla 12esima). Flops è l'abbreviazione inglese di "FLoating point Operations Per Second" ovvero il numero di operazioni in virgola mobile calcolate ogni secondo da un processore. 1 Tera Flops sono quindi 1000 miliardi di operazioni in virgola mobile al secondo.
Le operazioni in virgola mobile servono per calcolare praticamente tutti gli aspetti della scena, dalla posizione degli elementi ai dati numerici relativi all'illuminazione; danno risultati molto precisi grazie all'elevato numero di cifre che possono contenere dopo la prima virgola decimale. Un livello di precisione elevatissimo che è fondamentale per il corretto funzionamento dei motori grafici moderni. La GPU di PS4 PRO è accreditata di una potenza di 4.2 Tflops = 4200 miliardi di operazioni al secondo in virgola mobile, la PS4 standard ha una GPU da 1.8 Tflops = 1800 miliardi di operazioni al secondo. Tra le schede grafiche Pc la Nvidia Gtx 1080 è accreditata di circa 9 Tflops = 9000 miliardi di operazioni al secondo.

RAM e Larghezza Banda Passante

La RAM contiene i dati elaborati dalla GPU e dalla CPU e non va confusa con la "memoria di massa", ovvero l'hard disk, dove vengono salvati i dati necessari per l'elaborazione.
Maggiore il quantitativo di RAM, migliore può essere la grafica di un videogioco, in quanto nella RAM vengono salvati i modelli poligonali, le animazioni, le texture, ed i frame che poi verranno usati per costruire la scena poligonale. Più RAM significa modelli e texture più definite, un maggiore numero o sistemi di animazioni più complessi, così come un maggior numero di nemici su schermo, o livelli di gioco più grandi.
I dati nella RAM cambiano di continuo e la velocità con cui legge e scrivere i dati è molto importante. Così come è fondamentale l'ampiezza della banda passante, ovvero la velocità con cui i dati possono essere trasmessi tra le varie componenti del sistema informatico. Se la banda passante non è sufficientemente ampia può fare da collo di bottiglia e limitare le prestazioni della GPU e della CPU.

Renderizzare

La parola "rendering" in origine indicava il lavoro di un disegnatore impegnato a creare un'immagine di oggetti o architetture, ispirate alla realtà oppure derivanti da un progetto. Con l'arrivo della grafica computerizzata la parola ha assunto il significato più generico di "resa" o "calcolo di immagini al computer". In italiano è il verbo è diventato "renderizzare". Quando scriviamo "renderizzare" o "renderizzata" intendiamo quindi il complesso di operazioni di calcolo che sottendono la creazione di un'immagine computerizzata. Nel caso dei videogiochi, ci riferiamo ai singoli frame che compongono il flusso video.

Rendering Engine

Il motore grafico (rendering engine in inglese) è il software che trasforma le scene tridimensionali in immagini bidimensionali. Nei videogiochi questo processo avviene in tempo reale (real time), e come vedremo più avanti parlando del frame rate, lo fa decine di volte ogni secondo. I motori grafici "offline", quelli utilizzati nel mondo della grafica professionale (film, effetti speciali, spot tv), sono caratterizzati da una qualità molto più alta e tempi di calcolo molto più lunghi (si arriva anche a decine di ore per un singolo frame).
Le grandi case di sviluppo utilizzano motori grafici proprietari; EA sfrutta sempre più spesso il Frostbite Engine, sviluppato in origine da Dice per gli FPS della serie Battlefield.
Ubisoft ne utilizza almeno 3 (Snowdrop, il più recente, poi l'Anvil, creato per la saga di Assassin's Creed, ed l'UbiArt Framework, per i giochi in grafica bidimensionale). Square Enix ha il suo Luminous Studio, ma ci sono moltissime software house, anche importanti, che utilizzano motori grafici forniti su licenza, come Unity, CryEngine ed Unreal Engine. I motori grafici moderni si sono evoluti e non si occupano più solo di renderizzare le immagini, ma anche di gestire le animazioni dei personaggi, l'intelligenza artificiale, la fisica, l'interfaccia di gioco, le musiche e gli effetti sonori.

Risoluzione dello schermo

La risoluzione indica il numero di pixel orizzontali e verticali che definiscono le immagini su uno schermo. Una risoluzione di 1280x720 indica che l'immagine è costituita da 1280 pixel su ogni linea orizzontale e 720 pixel distribuiti su ciascuna linea verticale. La risoluzione standard delle TV in Italia ed Europa (formato PAL) era di 720*576 pixel. 640*480 pixel è la risoluzione del formato NTSC, più diffuso a livello internazionale (USA e Asia).
Spesso per indicare la risoluzione si indicano solo il numero di linee verticali. Ad esempio 640*480 diventa 480p, 1280x720, diventa 720p (detto anche Half HD).
Lo standard più diffuso oggi su monitor e TV è il 1080p (1920x1080), ma tra i monitor PC e gli schermi degli smartphone si sono diffuse molte altre risoluzioni: il 1440p (2560x1440) è spesso chiamato Quad HD in quanto offre 4 volte il numero di pixel di un'immagine a 720p. Un'altra risoluzione a cui dovete fare attenzione d'ora in avanti è la 1800p(3200x1800), risoluzione molto vicina al 4k nativo che alcuni giochi della PS4 PRO utilizzano come risoluzione da cui partire per effettuare l'upscale.

4K (UHD)

4K o Ultra Hd, è il nome "commerciale" degli schermi con una risoluzione di 3840x2160 pixel (8.294.400 pixel), ovvero 4 volte il numero di pixel della risoluzione 1080p (2.073.600 pixel). Si tratta di una risoluzione altissima, apprezzabile sopratutto sulle TV con diagonale molto ampia (dai 40 pollici in su almeno). Per apprezzare i dettagli offerti da una risoluzione così alta è molto importante la distanza di visione: più ci si allontana dallo schermo, meno si noteranno i benefici derivanti da una densità di pixel così elevata.
Ovviamente gli schermi dei PC potranno giovare della risoluzione 4K anche su schermi di taglio inferiore (almeno 24/28 pollici) in considerazione del fatto che l'utente starà seduto più vicino allo schermo. Se volete approfondire l'argomento, leggete qui.

Frame rate o fps

Il frame (fotogramma in italiano) è la singola immagine che compone il flusso video. Il numero di frame generato e mostrato ogni secondo sullo schermo prende il nome di frame rate, ovvero frequenza dei fotogrammi in italiano, abbreviato in fps. Al di sotto di 12/18fps un flusso video appare come una sequenza di immagini distinte, e viene percepito come un video "a scatti". Nei videogiochi il minimo frame rate considerato accettabile è di 30fps: significa che la console o il pc devono calcolare almeno 30 immagini diverse ogni secondo.
Più è alto il frame rate, più fluido apparirà il gioco. La maggiore fluidità non è solo una questione estetica, significa anche una superiore reattività agli input: maggiore il frame rate più velocemente il gioco reagisce alle azioni del giocatore, e si ottiene così un maggiore controllo su quello che succede sullo schermo ed un'esperienza di gioco impagabilmente superiore.
Su console si aspira ad un massimo di 60 fps, un traguardo non sempre raggiungibile. A parità di gioco, senza effettuare ottimizzazioni particolari, per passare da 30 a 60fps serve almeno il doppio della potenza di calcolo della GPU e migliorie sensibili anche nella memoria e nella CPU. Ecco perché spesso i giochi su console girano a 30fps: alla fluidità, alcuni sviluppatori prediligono il massimo dei dettagli e degli effetti grafici possibili.
Va sottolineato un aspetto molto importante su cui si fa spesso confusione: non esiste un hardware (nemmeno su PC) capace di garantire 60 fps per qualsiasi gioco. E' sempre possibile aggiungere dettagli nei modelli, effetti speciali, texture più definite o un'illuminazione più realistica tale da mettere in crisi qualsiasi sistema informatico. Del resto basta aumentare la risoluzione di un gioco passando da 1080p a 4k per quadruplicare le richiesta di potenza e mettere alla frusta anche la GPU più performante. Per approfondire l'argomento cliccate qui.

Aliasing e Anti-Aliasing

L'aliasing è uno dei peggiori difetti che potreste trovare in un videogioco. Comunemente noto come "scalette", si manifesta sullo schermo sotto forma di oggetti con bordi e contorni "seghettati" o peggio ancora, poco definiti. Le zone a più alto rischio aliasing sono gli spigoli e le diagonali dei oggetti, i modelli molti piccoli come le recinzioni metalliche o le foglie degli alberi.
Per ridurre l'aliasing si usano i filtri anti-aliasing. Ne esistono numerose varianti più o meno efficaci ma è importante sottolineare che questi filtri necessitano di molti calcoli e possono influire negativamente sulle prestazioni del motore grafico. Se volete approfondire l'argomento, potete leggere la nostra guida.

Upscaling

La traduzione letterale di Upscaling sarebbe "scalare verso l'alto". L'upscale si rende necessario quando l'hardware non ha potenza sufficiente per renderizzare le immagini alla risoluzione dello schermo su cui verranno mostrate. Lo si usa da sempre nei videogiochi, ma ha assunto un ruolo fondamentale nel passaggio dagli schermi SD a quelli in HD. Non tutti sanno che che gran parte dei videogiochi della generazione Xbox360 e Ps3 (che di fatto hanno introdotto l'alta definizione) verso la fine del ciclo vitale delle due console non raggiungevano quasi mai i 1280*720 pixel. Non potendo ridurre il frame rate senza introdurre i fastidiosissimi scatti, le software house hanno deciso di ridurre il numero di pixel da calcolare, e sfruttare la potenza così risparmiata per migliorare la grafica dei loro giochi. Perdendo ovviamente un po' pulizia a schermo: l'upscale infatti si manifesta sotto forma di una sfocatura delle immagini, come una patina che rende tutto meno chiaro.

Checkerboard Rendering

Semplificando molto il procedimento possiamo definire il Checkerboard Rendering come un innovativo algoritmo di upscale che permette alla PS4 PRO di raggiungere la risoluzione 4K mantenendo un'elevata qualità dell'immagine. Prima viene calcolato un frame a risoluzione nativa superiore ai 1080p (ad esempio 1440p o meglio ancora 1800p) poi l'algoritmo allarga l'immagine alla risoluzione 4K riempiendo i pixel da "inventare" usando un pattern a scacchiera. Abbiamo dedicato un intero ed approfondito articolo all'argomento che potete leggere qui.

Downscaling

Se l'upscale è il processo che aumenta la risoluzione delle immagini, il downscale è il processo inverso e consiste nel ridurre la risoluzione e rimpicciolire le immagini. E' un'operazione molto comune nei programmi di fotoritocco, e nei videogiochi viene utilizzata (forse in modo un po' sorprendente) per aumentare la qualità dell'immagine. Il downscale è infatti la base del filtro anti aliasing chiamato super sampling, molto utilizzato nei giochi Ps4 PRO quando vengono visualizzati sugli schermi 1080p.

Super-Sampling

Il Super Sampling è uno dei migliori filtri di anti aliasing, ma anche uno dei più pesanti. Come tutti i filtri di questo tipo serve a migliorare la qualità dell'immagine lavorando aumentando i dettagli degli oggetti e delle texture riducendo il più possibile le "scalette". Se un gioco viene renderizzato ad una risoluzione superiore a quella dello schermo su cui verrà mostrato, i dettagli in più che sono stati calcolati sopravvivono anche nel momento in cui l'immagine viene "ristretta". A differenza di altri filtri anti aliasing il super sampling agisce indistintamente su tutta l'immagine (e non solo sui bordi come altri algoritmi più leggeri). Ad esempio Guerrilla ha dichiarato che su PS4 PRO, Horizon Zero Dawn verrà renderizzato alla risoluzione di 3200x1800 pixel e poi scalato (verso il basso) a 1920x1080 ottenendo così meno scalette, line e bordi più morbidi ed un'immagine più stabile. Potete guardare gli effetti del super sampling simulati in una gif animata qui.

Risoluzione dinamica

Più alta è la risoluzione, più onerosi sono i calcoli che la GPU deve sopportare per renderizzare i vari frame. Questo potrebbe portare il sistema in crisi con il risultato di giochi afflitti da cali del frame rate, e quindi poco fluidi.
Una delle soluzioni per evitare questo problema è quella di modificare la risoluzione nativa (e quindi il numero di pixel da calcolare per ogni frame) in tempo reale, sulla base delle richieste del motore grafico. Se la scena è troppo complessa, invece di "saltare un frame" perdendo fluidità, si riduce la risoluzione dell'immagine e la si manda a schermo. Ovviamente il rischio è quello del degrado di qualità dovuto all'upscale.

HDR

La sigla HDR sta per Hight Dinamic Range, ed indica un nuovo formato video capace di veicolare immagini con una più ampia palette di colori e valori di luminosità e contrasto più elevati. Per visualizzare correttamente un'immagine in HDR è necessario disporre una TV compatibile con questo formato video, ma anche di una console in grado di renderizzare i giochi in un formato compatibile. Ci si riferisce con HDR10 al formato video che è in grado di visualizzare fino quasi ad miliardo di colori diversi (contro i 16 milioni a cui siamo stati abituati fin ora). L'immagine qui in alto simula un aspetto molto importante dell'HDR: guardando la metà sinistra noterete che la volta della caverna mostra un altissimo numero di dettagli in più rispetto a quella presente nella parte destra.
La prima console a supportare l'HDR è stata l'Xbox One S, ed ora anche PS4 PRO si è aggiunta alla squadra; la PS4 "regolare" ha un supporto limitato all'HDR. Abbiamo dedicato una lunga guida a questo nuovo formato video, ma potete trovate altre informazioni interessanti anche in questo articolo.