V tomto příspěvku vám řeknu, odkud se vzalo 24 snímků za sekundu a proč je v USA 29,97. Proč hry potřebují tolik FPS a proč nefunguje 25. snímek.
Vstup
Jakákoli animace existuje díky setrvačnosti vidění. Pokud se obrazy mění dostatečně rychle, mozek je nevidí odděleně, ale vytváří iluzi nepřetržitého pohybu. Rychlost změny obrázků by měla být vyšší než 10-12 za sekundu, jinak mozek vnímá obrázky odděleně. Zdálo by se, že toto je snímková frekvence vhodná pro lidi – 12 FPS nebo více. Ale není to tak jednoduché.
Němé filmy
Představte si němý film s 1 jednotlivými snímky. Pokud ukážeme film rychlostí 500 snímků za sekundu, uvidíme něco takového. Z odkazu jsem udělal GIF, aby mě nedráždil blikáním.
Pohyb je, ale blikání v rámu vše kazí. Objeví se, protože musíme zavřít projektor, abychom pásku posunuli dále a ukázali nový obraz. Podle Thomase Edisona naše vize nezaznamená blikání, pokud posouváme pásku rychlostí 46 snímků za sekundu. Ale to není nejlepší možnost, a tady je důvod.
V současné době se náš film skládá z 1 obrázků a přehráváme ho rychlostí 500 snímků za sekundu.
To vychází na 1 500 snímků / 12 snímků za sekundu = 125 sekund
To znamená, že na vytvoření dvouminutového filmu nám stačí 1 políček.
Při 46 snímcích za sekundu bude náš film trvat pouhých 32 sekund. To znamená, že abychom obnovili časování, musíme vytvořit ne 1 500 snímků, ale 5 750 = 125 sekund * 46 snímků za sekundu. Film bude čtyřikrát delší, počet políček bude větší, což znamená, že natáčení, střih a promítání filmu bude mnohem dražší.
Je jednodušší změnit design projektoru. Proto místo obvyklé závěrky nainstalovali třílistou.
Nyní se jeden snímek zobrazí třikrát a teprve potom se nahradí novým. Ukazuje se, že snímková frekvence (i když stejná) se zvýšila. Množství blikání se zvýšilo co do množství, ale s časem se snížilo třikrát. Takže setrvačnost vidění začala „požírat“ blikání v záběru.
Měníme snímky při 16 FPS, ale publiku ukazujeme stejný snímek třikrát.
A dostaneme 48 promítnutých snímků za sekundu = 16 snímků * 3 opakování. Přesně jak Edison chtěl, ještě lépe.
Vzali jsme 16 FPS místo 12 nebo 14, protože 16 je minimální celé číslo, které se násobí 3 a výsledkem je číslo větší než 46.
Dostali jsme tedy první snímkovou frekvenci – 16 FPS pro němé filmy. Na němých filmech je dobrá věc, že můžeme snadno zvýšit nebo snížit počet snímků za sekundu, ovlivní to pouze rychlost přehrávání. Osoba otočila rukojetí projektoru a mohla měnit snímkovou frekvenci od 14 do 26 FPS.
znít
Se zvukem bylo všechno složitější. Nyní nemůžete přehrát film rychleji ani pomaleji. Je nutné udržovat konstantní snímkovou frekvenci, aby se v průběhu filmu neměnila rychlost, potažmo témbr hlasu. Vyskytl se problém s 16 FPS, zvuk nezněl přesně podle představ. Bylo potřeba vybrat novou frekvenci tak, aby byla větší než 16 a nakonec dala 48 projektovaných FPS. Výsledkem bylo, že místo třílisté závěrky začali používat dvoulistou. A schválili novou snímkovou frekvenci – 24 FPS.
24 snímků * 2 opakování = 48 promítaných snímků za sekundu. Vše je jednoduché a pohodlné. 24 je zcela dělitelné 2, 3 a 4. To znamená, že víme, že půl sekundy je 12 FPS, třetina je 8 a čtvrtina je 6.
Tady se to zdá být jasné – stále používáme 24 FPS. Proč tedy potřebujeme 25, 30 a zejména 29,97?
Televize
Když se rozhodli vysílat snímek v televizi, objevily se nové problémy. Ukázat dvakrát stejný snímek nebylo možné a bylo to technicky obtížné. Analogový signál také potřebujete přenášet prostřednictvím rádiových vln. A čím více snímků, tím větší je váha souboru – což znamená, že přenosový kanál musí být širší, a tedy dražší. Začali proto přenášet rámce po půlkách – polovičních rámcích. Obrázek rozdělíme na pruhy a ukážeme nejprve všechny liché a poté všechny sudé. Setrvačnost vidění dělá své a my vidíme celý rám.
Stále od mužů v černém 3
Totéž se děje v televizi, jen mnohem rychleji.
Chytře se tomu říká prokládané skenování a označuje se písmenem „i“, ze slova „prokládaný“. Prokládané video s rozlišením 1920 × 1080 se bude nazývat 1080i. A stejné video s progresivním skenováním je 1080p. To znamená “progresivní” nebo že rámce jsou přenášeny celé.
Aby nedocházelo ke zbytečnému hluku a zjednodušili design televizoru, rozhodli se aktualizovat polosnímky na frekvenci sítě. Pro Evropu je to 50 Hz. Výsledkem bylo 50 polovičních snímků za sekundu nebo 25 celých snímků za sekundu. V USA je frekvence rozvodných sítí 60 Hz, což znamená 60 polovičních snímků, respektive 30 snímků.
A vše se zdá být v pořádku, ale pak se objeví barva.
Barva
Nyní je třeba stejným kanálem předávat více informací. Musíme přenášet černobílý obraz pro staré televizory, barevný obraz a zvuk. A bylo docela těžké to udělat. Protože jakmile do elektromagnetického spektra přidáme barevnou informaci, její frekvence se protne se zvukem a vytvoří rušení. Abychom jasně oddělili barvu a zvuk, rozhodli jsme se snížit frekvenci polovičního snímku o 0,1 %.
60 polovičních snímků – 0,1 % = 59,94 polovičních snímků za sekundu
59,94 polovičních snímků za sekundu/2 = 29,97 snímků za sekundu
Vysílací systém s tak podivnou snímkovou frekvencí se nazývá NTSC a byl používán v USA a několika dalších zemích.
V Evropě takové potíže nebyly, PAL byl okamžitě vzat jako standard, který byl vytvořen pro řešení problémů s barvou. Proto zůstala stejná jako 25 snímků za sekundu.
> 30 FPS
Proč potom točí filmy při 60 FPS?
Kamera totiž rozmaže jakýkoli náhlý pohyb ve směru objektu. Míra rozostření závisí na vzdálenosti, kterou objekt urazil v 1 snímku. A čím vyšší počet snímků za sekundu, tím menší rozmazání.
1 sekunda / 25 snímků za sekundu = 0,04
1 sekunda / 60 snímků za sekundu = 0,016
Tomu se říká rozostření pohybu.
Rozdíl mezi filmy s 25 FPS a 60 FPS je pouze v plynulosti pohybu. Rychlé pohyby ve filmu vypadají méně rozmazaně. Díky tomu se obrázek zdá realističtější. O to tu jde.
Rám 25
Představte si, že vezmeme knihu o 24 stranách – 23 bílých a 1 červené. Prolistujeme-li knihou během jedné vteřiny, určitě si všimneme, že jedna stránka má jinou barvu. Pokud má kniha 25 stran, tak se nic nezmění. Stránka se nestane neviditelnou, tím méně ovlivní podvědomí, prostě se posouvá ne za 1/24 sekundy, ale za 1/25. To je celý rozdíl. I když je více než 100 stran, oko pochopí, že jedna z nich je jiná. Naprosto to samé s videem.
Naše vize není omezena na čtení určitého počtu snímků za sekundu. Rozdíly mezi snímky budou patrné při dvou stech i pěti stech snímcích za vteřinu.
Zpomalený pohyb a časosběr
Zpomalený záběr je, když natáčíme video s vyšší snímkovou frekvencí a sledujeme jej s nižší snímkovou frekvencí – natáčíme při 120, sledujeme při 25.
Pojďme natočit 6 sekund při 120 FPS na iPhone. To znamená, že za sekundu vytvoří 120 snímků. Za 6 sekund – 720. A budeme je sledovat při 25 FPS. To znamená, že budeme sledovat 720 snímků / 25 FPS po dobu téměř 29 sekund. Během této doby zvážíme všechny podrobnosti.
A pokud vezmeme vysokorychlostní kameru, natočte 1 sekundu se snímkovou frekvencí 5 000 FPS a podívejte se na 25 FPS.
5 000 * 1/25 = 200 sekund nebo 3 minuty 20 sekund
Díváme se na jednu sekundu reálného času po celé 3 minuty. Detailně si můžete prohlédnout výstřel z pistole pod vodou.
Po takových výpočtech je jasné, proč Slow Mo Guys nenahrávají svá videa při 60 FPS. Jen uvidíme méně detailů.
5 000 * 1/60 = 83 sekund nebo 1 minuta 22 sekund
Pro zpomalené záběry existuje také opak – timelapse. Video natáčíme na nižší frekvenci a přehráváme na vyšší frekvenci. Dáme stativ na balkón a pořídíme jednu fotku denně po dobu jednoho roku. Ukazuje se, že máme video se snímkovou frekvencí 1 snímek za den. Během roku jsme získali 365 snímků. Nyní povolíme 25 FPS. Ve výsledku dostaneme 365 / 25 = 14,6 sekund, což odpovídá celému roku.
Игры
Proč tedy 25 FPS na hry nestačí? Potřebujete ale mnohem víc: 60 nebo dokonce 100 FPS.
Jak se píše v odstavci o filmech s 60 FPS, kamera natáčí vždy s mírnou pohybovou neostrostí. Počítač vytváří naprosto čisté snímky. Díky tomu je pro mozek obtížnější poskládat je do souvislého obrazu. A čím více pohybu je ve hře, tím jasnějších snímků potřebujeme pro správné vnímání.
Na sapéra nám stačí 2 FPS. Dvakrát za sekundu počítač aktualizuje obraz na monitoru a ukáže, zda jsme bombu trefili nebo ne. Na Counter-Strike je ale málo ani 30. Jednoduše proto, že tam jsou pohyby příliš dynamické.
Samozřejmě, že se hry naučily povolit umělé rozostření, ale zdá se, že to narušuje pouze hratelnost. Alespoň neznám jediného člověka, který by ve hrách zapínal motion blur. A systém je opět nabitý.
Vnímání je ovlivněno i tím, že filmy sledujeme s konstantní snímkovou frekvencí. Ve hrách se FPS mění v závislosti na tom, co se děje. Jakmile FPS prudce klesne, mozek to okamžitě zaznamená. Totéž by se stalo s filmy, pokud by byly 25 nebo 60 snímků za sekundu.
FPS pro hry je důležité nejen pro pohodlný zážitek ze hry. Snímková frekvence se rovná rychlosti aktualizace fyzického modelu. To znamená, že čím vyšší FPS, tím častěji počítač kontroluje, zda jste snímek pořídili nebo ne. Někdy jsou ty zlomky sekund důležité.
Zdá se, že vše, co chtěl říct, bylo řečeno. Zde je souhrn všech tezí této poznámky.
Výsledky
1) První snímková frekvence – 16 FPS
2) Zvuk zvýšil snímkovou frekvenci a udělal ji konstantní – 24 FPS
3) Frekvence napájecího zdroje určila novou snímkovou frekvenci pro televizory – 25 FPS a 30 FPS
4) Barva změnila 30 FPS na 29,97 FPS kvůli skutečnosti, že nebyla přátelská se zvukem
5) Filmy při 60 FPS jsou plynulejší
6) Zpomalený pohyb – střílejte s vyšším FPS, sledujte s nižším. V timelapse je to naopak
7) Hry generují absolutně ostré snímky, takže k vytvoření plynulého pohybu je potřeba více FPS
8) Ve filmech jsou snímky za sekundu konstantní, ve hrách závisí na situaci
