Частота кадров глаза человека

Частота кадров глаза человека

История рождения кинематографа связана с именами Томаса Эдисона и братьев Люмьер, заложивших стандарты кино, которых на протяжении десятилетий придерживались их последователи. Постепенно с внедрением звука, появлением телевизионного вещания и цифрового видео правила и подходы трансформировались.

Но неизменно каждая новая технология была вынуждена учитывать показатель кадровой частоты, который имеет огромное значение при создании и восприятии фильмов аудиторией, поскольку количество кадров в секунду, которое видит человеческий глаз ограничено.

Что такое кадровая частота

Принцип кино можно понять на основе работы простейшего электронно-оптического проектора. Отдельные изображения на плёнке последовательно проходят через механизм проектора. Встроенная лампа направляет на них световой поток, посредством которого оптическая система поочерёдно проецирует кадры на экран, создавая иллюзию движения.

Для традиционной целлулоидной плёнки скорость смены изображений выражается в кадрах в секунду, или FPS (англ. Frames per Second). Для цифровых фильмов используют понятие «частоты обновления», которая выражается в герцах (Гц). Чем выше значения показателей, тем быстрее сменяются статичные изображения и реалистичнее выглядит иллюзия движения.

FPS и частота обновления немного отличаются. Например, скорость в 24 кадра/сек может характеризоваться показателями 24 FPS или 48 Гц. Под FPS подразумевают число самостоятельных кадров, отображаемых в секунду. Частота обновления – это общее количество показов всех изображений за то же время. Дело в том, что для большей реалистичности и минимизации прерывистости видео один кадр может показываться два и более раз, что сопряжено с увеличением скорости кадросмены.

Механизм восприятия видео человеком

Глаз человека начинает идентифицировать смену неподвижных картинок в секунду как прерывистое движение, когда их число достигает 12. Когда частота переходит в диапазон 18-26 кадров/сек, зритель наблюдает движущуюся сцену и воспринимает её как видео. Если значение FPS мало, то анимация выглядит неровной, а если слишком велико – возникает эффект гиперреалистичности.

Одним из главных компонентов создания реалистичного видео является размытие движения. Когда мы наблюдает за объектами вокруг нас, то при их быстром перемещении упускаем детализацию. Иными словами, нам не хватает времени для восприятия полной визуальной информации и теряется острота зрения. В кино такой эффект получают размытием, которое происходит естественным образом при смене кадров. Но если уровень FPS слишком высок, то данный эффект пропадает, и наблюдатель видит гиперреалистичную картинку. Это мешает ему поверить в происходящее на экране.

Почему на ТВ используют 24 кадра

Сегодня основным отраслевым стандартом является 24 FPS, что вполне устраивает современного зрителя. Однако он был выбран не по театральным причинам, а по экономическим соображениям. На этапе становления кинематографа не были выработаны рекомендации для частоты. Первые фильмы имели скорость 16-20 кадров/сек, которая постепенно возросла до 22-26, т.к. этот уровень обеспечивал оптимальный звук.

Томас Эдисон считал, что необходимо использовать 46 кадров/сек, потому что меньшее значение будет напрягать глаза. Но индустрия предпочла утвердить 24 FPS, поскольку это самая медленная частота, которая давала реалистичное видео и поддерживала оптимальный звук при воспроизведении. Больший уровень создатели фильмов не хотели применять из-за увеличения финансовых затрат.

Сейчас индустрия поддерживает три основных стандарта:

  • 24FPS используются в американской системе NTSC, обеспечивая чёткое изображение и хорошую помехоустойчивость;
  • 25FPS применяются в европейской системе PAL или PAL/SECAM. Значение идентично уровню NTSC, поскольку ТВ-трансляции в Европе проводятся в масштабе 50 Гц против 60 Гц в Северной Америке;
  • 30FPS – стандарт домашних кинотеатров и персональных видеокамер.

Допускаются и альтернативные частоты. Например, в картине «Хоббит» Питер Джексон впервые использовал 48 кадров, чем вызвал на себя гнев кинокритиков за гиперреалистичность видео. А GoPro Hero позволяет использовать варианты 90 и 100 FPS.

Сколько FPS может увидеть человеческий глаз

Физиологически человеческий глаз способен воспринимать до 1000 FPS. Это связано с тем, что зрительные миелиновые нервы способны срабатывать от 300 до 1000 раз ежесекундно и передавать сигналы со скоростью 90 м/с. Однако эксперименты показывают, что человек обрабатывает и видит в среднем до 150 кадров за обозначенный промежуток времени. Известны редкие случаи, когда при регулярных тренировках достигался уровень восприятия около 250 FPS. Но некоторые исследователи полагают, что человеческий глаз может воспринять даже 1000 и более кадров в секунду.

FPS – Frames per Second – в переводе с английского означает число кадров в секунду. Появление и развитие телевидения неизбежно поставило вопрос – сколько кадров в секунду воспринимает человеческий глаз? От правильности ответа зависит качество любого просматриваемого видео.

Немного о строении глаза

Сетчатка глаза состоит из своеобразных палочек и колбочек, которые по-разному воспринимают информацию, однако совмещают её в единое целое.

Палочки почти не чувствуют цветовых различий, однако способны быстро улавливать смену изображения. С этой точки зрения fps палочек довольно высок.

Колбочки, напротив, отлично различают цвета, однако делают это с меньшим fps, чем палочки.

Совместно палочки и колбочки составляют фоторецепторы глаза, которые отвечают за целостность просматриваемого изображения.

Задача вычисления максимального fps, воспринимаемого человеческим глазом, усложняется неравномерным распределением фоторецепторов на сетчатке глаза. В центре количество различных рецепторов примерно одинаково, а вот ближе к краям сетчатки преобладают палочки.

Такое строение имеет логичное обоснования с точки зрения природы. Ещё в те времена, когда нужно было постоянно охотиться, чтобы добыть пищу, человеку необходимо было хорошо улавливать движение боковым зрением. Для этого fps глаза по краям сетчатки увеличено природой естественным образом.

Если же брать во внимание прямой взгляд, то значение будет иметь только общее fps фоторецепторов, расположенных по центру сетчатки глаза.

Результаты ранних исследований

Десятки учёных на протяжении множества лет изучали этот вопрос. В итоге были выведены минимальные, максимальные, а также средние значения fps, которые нормально воспринимаются человеческим глазом.

Читайте также:  Самодельный корпус для флешки

Строение человеческого глаза таково, что он «запрограммирован» видеть не отдельные кадры, а картинку в целом. То есть даже если показывать человеку по 1 кадру в секунду в течение длительного промежутка времени, то он станет воспринимать не отдельные изображения, а общую картину движения.

Однако такое fps довольно низкое и создаёт стойкое ощущение дискомфорта. К этому выводу пришли кинематографисты ещё во времена немого кино. Именно тогда частота кадров в секунду была равна 16. Если сравнить немое кино с современными картинами, то будет видна явная разница – возникнет ощущение замедленной съёмки.

В современных картинах признан общемировой стандарт 24 кадра в секунду. Это fps, в котором человеческий глаз видит общую картину во вполне комфортных условиях. Но является ли это пределом?

Современные значения fps

Казалось бы, если 24 кадра в секунду достаточно для глаза, то есть ли практический смысл добиваться большего? Оказывается, есть. Сегодня в этом может убедиться каждый обладатель компьютера, который хоть раз играл в какую-либо динамическую игру.

При fps равном 24, человеческий глаз видит не только общую картину на экране монитора, но и отдельные кадры.

Вот тут-то и пришлось разработчикам игр поусердствовать, чтобы выяснить, какие же значения оптимальны в этом контексте.

Более современные исследования показали, что человеческий глаз видит и воспринимает изображения со скоростью до 60 кадров в секунду!

В этом случае все движения на экране монитора получаются наиболее плавными и реалистичными.

Новейшие исследования

Как известно, большинство учёных – это люди, которые не останавливаются на достигнутых результатах и проводят всё новые и новые тесты и эксперименты. Учёные-исследователи возможностей человеческого глаза не являются исключением.

Тесты проводятся следующим образом: группе людей предлагается просмотреть несколько видеозаписей с различной кадровой частотой. В некоторые из них в различные промежутки времени добавляются кадры с дефектом – на них изображено что-то лишнее, не вписывающееся в общую картину. Так, например, группе испытуемых показывали видео, дополненное летящим объектом.

Более половины участников эксперимента сумели заметить этот объект. Такой результат не вызывал бы удивления, если бы не одно «но» – fps видео составляло 220 кадров в секунду! И, хотя никто не смог рассмотреть, что же именно было изображено, сам факт отрицать невозможно – человеческий глаз может заметить отдельное изображение на скорости 220 кадров в секунду.

Интересные факты

Оказывается, во времена первых фильмов, кинопроекторы оснащались ручным стабилизатором скорости. Специально обученный человек крутил ручку такого кинопроектора, и именно от него зависела скорость смены кадров в фильме.

Если изначально скорость составляла 16 кадров, то потом люди начали произвольно изменять её в зависимости от поведения публики. При показе комедийного изображения и высокой активности зрителей fps увеличивали до 20-30.

Но это повлекло за собой и негативные последствия. Во время окончания Первой мировой войны владельцы кинотеатров нуждались в повышении прибыли и прокручивали фильмы на высоких скоростях, сокращая итоговую длительность одного сеанса и увеличивая количество сеансов. Это приводило к тому, что некоторые картины попросту не воспринимались человеческим глазом. В итоге правительства некоторых стран издали законы, в которых ограничивалась максимальная частота прокрутки кадров.

Актуальность

На практике увеличение значения fps помогает «сгладить» изображение – создать эффект непрекращающегося движения.

Актуальность подбора значений обуславливается целью применения эффекта сглаживания.

  1. Кинематограф. Для просмотра видео стандартных форматов самым комфортным считается fps в 24 кадра в секунду – именно такую скорость предлагают кинотеатры, любительские видеозаписи и современные мультфильмы;
  2. Формат IMAX. Это новый широкоформатный кинематограф, который можно встретить в крупных городах. На данном этапе развития кинематографа он создаёт максимальный эффект погружения в виртуальную реальность. Усилить его могут только экраны с поддержкой 3D изображения. Хотя стандартная частота кадра таким системам вполне подходит, новейшие фильмы для таких экранов создаются с fps, равным 48 кадрам в секунду;
  3. Компьютерные игры. Для достижения максимальной реальности изображения используют стандартную частоту – 50 кадров в секунду. В зависимости от скорости Интернет-соединения, загруженности серверов, а также ряда других факторов, частота эта может меняться как в большую, так и в меньшую сторону.

Применение больших частот на данном этапе развития техники просто не имеет смысла, хотя время от времени и практикуется специалистами в различных областях.

Материалы, размещённые на данной странице, носят информационный характер и предназначены для образовательных целей. Посетители сайта не должны использовать их в качестве медицинских рекомендаций. Определение диагноза и выбор методики лечения остаётся исключительной прерогативой вашего лечащего врача.

Современные технологии делают ставку на большие разрешения, высокий динамический диапазон и частоту кадров. Но как на все это влияют ограничения нашего визуальное восприятия?

  • 2017-07-09 14:00:00 9 июля 2017 8053

Когда нам стоит остановиться? Этим вопросом я задался после недавнего мероприятия ARRI Broadcast Day в студии Die Fernsehwerft, расположенном в творческом районе на восточном береге Берлина. Выступление Марка , главы подразделения камер ARRI, заставило многих полностью пересмотреть свое отношение к последним достижениям в цифровой съемке, постпродакшне и способах просмотра.

Все, что написано ниже — это просто мое мнение, которое сформировалось в результате размышлений, основанных на исследовании новых технологий, а не абсолютная истина. Я буду рад, если оно изменится в будущем, поэтому с особым интересом жду ваших комментариев.

Святой Грааль

Еще десять лет назад не было ничего качественнее и эстетичнее 35мм пленки, и цифровые технологии стремились к ней, как к своеобразному «Святому Граалю». Цифровое кино уже давно достигло и превзошло цели, которые стояли перед ним на этапе зарождения, вплотную приблизившись к пленке как с технической, так и других точек зрения. Теперь нас больше интересуют различные аспекты цвета цифрового изображения, нежели битва пленки и цифры. Это противостояние завершилось, и люди смирились с его результатами.

Читайте также:  Рамка окна в компьютере

Какой следующий этап развития цифрового кино? Все ли инновации в этой области действительно созданы для улучшения качества изображения, а не для развития бизнеса и продажи гаджетов и телевизоров? Боюсь, ответ неутешительный. С другой стороны, благодаря такой политике многие базовые стандарты цифрового кино наконец стали универсальными для всех производителей.

Цифровое кино 2.0

Если на первом этапе существования цифрового кинематографа его адепты преследовали цель догнать и перегнать 35мм пленку, то теперь это сравнительно молодое направление полностью меняет цели и средства своего развития. Сейчас перед цифровым кинематографом не стоит задача подражать технологиям прошлого, отныне перед ним открыты новые горизонты. После того, как Святой Грааль в виде пленки перестал быть ориентиром, цифровое кино несколько раз отправлялось по неверному пути, возвращалось назад и вновь искало нужное направление.

Расстановка акцентов

Вероятно, отсутствие четкой и ясной цели привело к развитию цифрового кино только в техническом направлении, наносящему вред как художественной ценности цифрового контента, так и его потребителю. Производители телевизоров, несмотря на недавний взлет и падение , решили не останавливаться и продолжили предлагать потребителю новые технологии — UHD, SUHD, HDR и многие другие загадочные аббревиатуры, сбивающие покупателя с толку и побуждающие его тратить деньги на инновации. Производители телевизоров придерживались этой стратегии задолго до появления общих для всех стандартов, в то время как производители контента оставались без технологического ориентира, а провайдеры цифрового ТВ стремительно запускали , несмотря на явную нехватку контента в .

UHD, высокий динамический диапазон (HDR), высокая частота кадров (HFR), расширенная цветовая гамма — эту гремучую смесь инноваций мы наблюдаем на экранах, однако более аккуратно собранная комбинация новых технологий была бы самым оптимальным решением как для создателей контента, так и для его зрителей. То, что мы можем сделать , еще не значит, что это лучшее решение проблемы. На самом деле мы еще даже полностью не осознаем ее.

Разрешение

За последние пару лет гонка разрешений наконец замедлилась. Мы прекрасно знаем, что формат 4K здесь надолго, однако также ясно, что рано или поздно настанет эпоха разрешения 8K. Тем не менее в ближайшие годы можно не ожидать, что 8K получит широкое распространение. Несмотря на это, RED (а также японская телекомпания NHK и другие ее партнеры по вещанию) сделал 8K реальностью, и у этого формата гораздо больше практической ценности, что бы ни говорили скептики.

Однако постоянное увеличение количества пикселей влечет за собой довольно большие осложнения.

Большее количество пикселей вкупе с повышенной битовой глубиной цвета влечет за собой большое количество сохраняемой информации, что напрямую отражается на требованиях к пропускной способности на локации, во время постпродакшна и доставке до конечного пользователя. И хотя гонка разрешений ставит своей целью увеличение детальности и четкости изображения, этого можно добиться намного более легкими способами.

Воспринимаемое человеком разрешение и количество пикселей — абсолютно разные вещи, которые нужно уметь различать. Единственное, что важно для зрителя — это «воспринимаемая» детализация и четкость, поэтому очень важно брать во внимание человеческий фактор, сравнивая достоинства и недостатки разных технологий. И «грубая сила» в решении этих проблем (например, увеличение количества пикселей на 400%) часто приводит к новым затруднениям.

Когда речь заходит о разрешении, люди игнорируют такую важную вещь, как обработку и восприятие подвижного изображения человеком.

Разрешение и человеческое зрение

Лишь небольшое пространство нашей сетчатки содержит достаточное количество колбочек, чтобы обрабатывать изображение с максимальной детализацией. Этот участок называется центральной ямкой сетчатки глаза, который занимает менее одного процента ее поверхности и задействует более половины пространства зрительной коры головного мозга. Центральная ямка охватывает лишь два градуса зрительного поля — это примерно размер двух ногтей большого пальца на расстоянии вытянутой руки

Когда вы смотрите на деталь, которая занимает ваше поле зрения более чем на два градуса, глаз самостоятельно сканирует изображение, а заполняет недостающие участки. Несмотря на то, что по краям сетчатки ваше зрение обладает гораздо меньшим разрешением, мозг все равно воспроизводит изображение, основываясь на данных, который он получил, когда глаз «просканировал» пространство. Мозг запоминает все детали, на которые вы смотрите даже вскользь, благодаря чему вы в режиме реального времени знаете, что происходит вокруг.

Мозг постоянно дорабатывает изображение перед вашими глазами, и практически все, что вы видите, — это не настоящая проекция окружающего мира. Алгоритм, благодаря которому мы видим, гораздо сложнее в человеческом организме, чем у камер, которые снимают изображение при заданных настройках фокусировки, количестве пикселей и частоте кадров.

Именно этого ваши глаза двигаются, когда вы читаете этот текст: для того, чтобы в полной мере увидеть содержание другой области экрана, вам нужно остановиться и передвинуть глаза. Вы в курсе, где находится текст, как он расположен в пространстве, но чтобы узнать, что в нем написано, вам необходимо рассматривать фактически каждую деталь. Движущееся изображение — это иллюзия. Это обманка, которую наш мозг воспринимает как плавно движущееся изображение. Не стоит нарушать эту иллюзию, которая в действительности очень хрупка.

Плотность пикселей — не единственный фактор, отвечающий за четкость изображения. С математической точки зрения для достижения четкости хватило бы простого увеличения этого параметра, однако, преодолев определенный порог, можно заметить, что эффективность данного подхода заметно снижается.

Читайте также:  При поднятии айфона загорается экран

Восприятие детализации и четкости во многом зависит от контрастности. В особенности мозгу помогает повышенная контрастность по краям изображения, благодаря которой мы различаем предметы. Контрастность сильно зависит от изображения в целом и не является единым, особенно если речь идет о подвижном изображении. Особенно важна контрастность яркостей и цветов. Это одно из доказательств, почему постоянное увеличение плотности пикселей не решает проблему качества изображения, с которой можно было бы справиться, снабжая наш зрительный аппарат именно той информацией, которая ему нужна именно там, где нужно, чтобы создать желаемую иллюзию.

Это мнение подкрепил сравнив на откалиброванных мониторах и затемненном помещении изображения в качестве 1080p SDR и UHD HDR, а затем 1080p HDR и UHD HDR. Если разница между первой парой была очевидна, то в случае со второй точного ответа было дать нельзя. Все согласились, что 1080p HDR в сравнении с 1080p SDR дало 90% увеличения «воспринимаемой» детализации, которую можно достичь, увеличив количество пикселей в четыре раза. Огромная трата пикселей.

Дрожание

Это одна из самых больших проблем, которой наш мозг не может собрать сменяющиеся кадры в плавное изображения. Что служит причиной дрожания?

Дело в том, что и движущиеся объекты в некоторых кадрах выбиваются из общего потока информации слишком яркого изображения или повышенной контрастности по краям. HDR усугубляет это яркости соответствующих дисплеев, но факторы, влияющие на дрожание, сводятся к следующему:

  • соотношение движущихся объектов к статичному изображению в поле зрения;
  • скорость движения объектов;
  • контрастность деталей;
  • четкость деталей;
  • уровень яркости дисплея.

Частота кадров

Человеческий глаз пропускает через себя непрерывный поток информации. Именно поэтому мы не видим определенное количество кадров в отдельный отрезок времени. Однако если большое количество статичных кадров будут быстро сменять друг друга, то изображение станет подвижным — это называют инерцией зрительного восприятия, поскольку сетчатка обрабатывает изображение в течение примерно сорока миллисекунд.

Стандарт 24 кадров в секунду появился потому, что с появлением звука в кино эта частота стала минимальной для восприятия плавного изображения и звукового сопровождения вместе: этого было достаточно для поддержания иллюзии, а также незатратно для производства.

Этот стандарт до сих пор воспринимается «кинематографично» исторического и культурного наследия. Другими словами — так было всегда. Едва заметное мелькание кадров подает зрителю сигнал, что он сейчас увидит качественный голливудский фильм с прекрасной актерской игрой и постановкой — то, что обычно отличает кинематограф от телевидения или видео.

Дэвид Финчер на съемках фильма «Социальная сеть»

Так было в течение более чем сотни лет в кино и ТВ, вплоть до завершения эпохи «цифрового кино 1.0», когда оно, сравнялось с пленкой по части разрешения и цвета. Вне зависимости от источника проецируемого изображения сам процесс смотрения в плане яркости, контрастности и частоты кадров остался в рамках определенных стандартов.

После появления высокого разрешения, расширенного динамического диапазона и дисплеев повышенной яркости встал вопрос о повышенной частоте кадров, которая призвана увеличить плавность изображения за счет уменьшения «воспринимаемого» движения. Это может снизить дрожание изображения, возникающее повышенной детализации, контрастности и скорости движения.

Ролик о технологии съемки фильма «Долгий путь Билли Линна в перерыве футбольного матча»

У повышенной частоты кадров есть и другие достоинства. Съемка при 120 fps позволяет работать с размытым изображением в процессе постпродакшена, а также такую частоту кадров можно подогнать под любые более низкие требования доставки контента.

Недостатки у технологии тоже есть. Как и в случае с разрешением, контент с повышенной частотой кадров занимает очень много места и требует значительной пропускной способности как во время съемки и обработки изображения, так и для его трансляции.

Гиперреализм и эффект мыльной оперы

Со вторым недостатком повышенной частоты кадров пришлось столкнуться первым режиссерам, решившим поэкспериментировать с технологией. Например, такие фильмы, как «Хоббит» Питера Джексона, который снимали при 48 , а также «Долгий путь Билли Линна в перерыве футбольного матча» Энга Ли в 3D (120 ), подверглись критике эффекта гиперреалистичности, слишком четкого и некинематографичного изображения.

Здесь разрушается уже не иллюзия движущегося изображения, а ощущение мира грез, погружающего зрителя в историю, происходящую в иной реальности. Возможно, это даже более важно, чем яркие дисплеи и 4K.

С другой стороны, ко всему можно привыкнуть.

Просчитанное изображение

Возможное решение — не применять 4/8K и 120 кадров в секунду ко всему изображению. Может быть, нужно, чтобы детализация и частота кадров поднималась избирательно, только в определенных зонах? Не забывайте, что лишь два градуса нашей сетчатки видят детализированное изображение, ведь даже когда мы смотрим фильм, наши глаза перемещается от одной точки к другой, сканируя пространство. Не стоит ли задуматься, как мы воспринимаем и обрабатываем изображение, которое создаем?

Исследование восприятия изображения человеком сразу же дает понять, что наш мозг и так обрабатывает, сжимает и фильтрует большое количество информации. Сетчатка — часть центральной нервной системы, в наших глазах расположено около 150 миллионов рецепторов и всего лишь около миллиона оптических нервных волокон. Сетчатка постоянно перекодирует (сжимает) информацию, чтобы ее мог воспринять ограниченный запас оптических нервов.

Мозг постоянно обрабатывает поток узконаправленного изображения с высокой детализацией из центральной ямки, совмещая его с широким зрительным полем с низкой детализацией, которое дополняет наша память и знания о мире, где мы живем.

Если ваши инструменты восприятия реальности, зрение и мозг, постоянно фильтруют полученную информацию, словно алгоритмы сжатия качества видео, то почему не начать использовать избирательный подход к отображению только самых важных деталей в высоком разрешении?

Ссылка на основную публикацию
Функция overdrive в мониторе
Технология компенсации времени отклика LCD-матрицы, известная как Overdrive (у каждого производителя она имеет свое фирменное название) обеспечивает существенное ускорение переключения...
Формула рандома в паскале
Здравствуйте, уважаемые читатели нашего сайта. Сегодня мы рассмотрим две полезные процедуры в паскале - Random и Randomize.И опять я начну...
Формула расчета мощности конденсатора
Реактивная мощность обусловлена способностью реактивных элементов накапливать и отдавать электрическую или магнитную энергию. Eмкостная нагрузка в цепи переменного тока за...
Функция еош в excel
Всем добрый день! Эта статья посвящается вопросу, как можно избавится от ошибки в результате вычисления, так как это делает функция...
Adblock detector