Почему 24 кадра в секунду

Ка́дровая частота́, частота́ кадросме́н (англ. Frames per Second (FPS), Frame rate, Frame frequency ) — количество сменяемых кадров за единицу времени в компьютерных играх, телевидении и кинематографе. Понятие впервые использовано фотографом Эдвардом Майбриджем, осуществлявшим эксперименты по хронофотографической съёмке движущихся объектов несколькими фотоаппаратами последовательно [1] . Общепринятая единица измерения — кадры в секунду.

Содержание

Кинематограф [ править | править код ]

В кинематографе используется постоянная частота кадров, не изменяющаяся на протяжении всего фильма и соответствующая определённому стандарту. Для немого кинематографа частота киносъёмки и кинопроекции была выбрана Люмьером в 1896 году и составляла 16 кадров в секунду [2] . Расход 35-мм киноплёнки при этом составлял ровно 1 фут в секунду, облегчая расчёты. Во времена немого кинематографа кинопроекторы оснащались примитивными стабилизаторами скорости, и проекция фильма часто происходила с частотой, превышающей частоту съёмки [3] . Эта частота выбиралась киномехаником самостоятельно, исходя из «темперамента» публики [4] . Роль человека, вращавшего ручку кинопроектора на заре кинематографа считалась не менее важной, чем роль создателей фильма: подбор темпа проекции также считался искусством [5] . Для более спокойных зрителей выбиралась скорость 18—24 кадров в секунду, а для «живой» публики фильм ускорялся до 20—30 кадров в секунду. После окончания Первой Мировой войны в европейских кинотеатрах наметилась тенденция показа фильмов с увеличенной частотой. Это объяснялось коммерческими соображениями кинопрокатчиков, стремившихся укоротить киносеансы и увеличить их количество. В некоторых случаях демонстрация происходила со скоростью более 50 кадров в секунду, совершенно искажая движение на экране. В Германии даже было выпущено специальное постановление полиции о недопустимости повышения частоты проекции выше стандартной [4] .

С появлением звукового кино, стандартом стала частота 24 кадра в секунду, чтобы повысить скорость непрерывного движения киноплёнки для получения необходимого частотного диапазона оптической фонограммы [6] [7] . Частота 24 кадра в секунду стандартизирована консорциумом американских кинокомпаний в 1926 году для новых систем звукового кинематографа: «Вайтафон» «Фокс Мувитон» и RCA Photophone. 15 марта 1932 года Американская Академия киноискусства окончательно узаконила этот параметр, утвердив классический формат в качестве отраслевого стандарта [8] . Частоты немой и звуковой киносъёмки выбраны как технический компромисс между необходимой плавностью движения на экране, разумным расходом киноплёнки и динамическими характеристиками механизмов киноаппаратуры [9] . Скорости движения киноплёнки определяют долговечность фильмокопии, наиболее приемлемую при частоте 24 кадра в секунду. Для замедления или ускорения движения на экране существует ускоренная (рапид) и замедленная или покадровая (цейтраферная) съёмки. Киносъёмка с частотой смены кадров, отличной от стандартной, позволяет наблюдать на экране процессы, невидимые глазом или привносит в кинофильм дополнительный художественный эффект.

В отличие от телевидения, кадровые частоты которого различаются в разных странах, в звуковом кинематографе частота 24 кадра в секунду является общемировым стандартом [10] . Для некоторых телевизионных стандартов это вынуждает применять интерполяцию частоты при телекинопроекции. Главная причина неизменяемости стандарта частоты съёмки и проекции в кинематографе заключается в огромных технологических трудностях её изменения на киноплёнке при печати в разных форматах для различных киносетей. Всё многообразие кинематографических систем основано на общем стандарте частоты, поскольку это единственный параметр, не поддающийся трансформации при оптическом переводе из одной системы в другую. Попытки некоторых разработчиков изменить общепринятую частоту в 24 кадра на 30, чтобы повысить частоту мельканий выше критической для широкого экрана, не увенчались успехом, и кинематографический формат Todd-AO, первоначально рассчитанный на такую частоту съёмки и проекции, был вскоре приведен к общему стандарту [11] . Частота киносъёмки и проекции панорамных киносистем, первоначально составлявшая 26 кадров в секунду, в последних кинопостановках в этих форматах приведена к общемировому. Возможность перевода стандартов появилась только с отказом от киноплёнки и развитием цифровых технологий кинопроизводства.

Не имели успеха некоторые форматы, рассчитанные на частоту в 48 и 60 кадров в секунду из-за большого расхода киноплёнки и технологических трудностей кинопроекции. Единственное исключение — некоторые стандарты 3D-кинопроекции, в которых используется удвоенная частота 48 кадров в секунду для проекции стереопары. При этом, для каждого глаза частота остается привычной — 24 кадра в секунду. В цифровом кинематографе частота кадров также принята во всем мире равной 24, как наиболее соответствующая эстетике профессионального художественного кино и не требующая неприемлемых объёмов данных. Дробная частота 23,976 кадров в секунду является нестандартной и используется при телекинопроекции для интерполяции в американские стандарты телевидения с частотой 29,97 или 59,94 кадров в секунду. Все частоты киносъёмки, отличающиеся от 24 кадров в секунду, являются нестандартными и применяются в специальных случаях. Вместе с тем, попытки увеличить частоту съёмки и проекции для усиления эффекта присутствия, начавшиеся практически сразу после появления кинематографа, не прекращаются по сей день.

Частоты киносъёмки и кинопроекции [ править | править код ]

В немом кинематографе частота проекции может не совпадать с частотой съёмки, поскольку в большинстве случаев зрителям не известно, с какой скоростью двигались объекты. Разница может достигать 25, а иногда даже 50 %, не вызывая ощущения неестественности [3] . В звуковом кинематографе совпадение этих частот обязательно из-за недопустимости искажения синхронной фонограммы. Основные стандарты кадровых частот приведены в списке:

  • 16 — стандартная частота съёмки и проекции немого кинематографа;
  • 18 — стандартная частота съёмки и проекции любительского формата «8 Супер»;
  • 23,976 (24×1000÷1001) — частота телекинопроекции в американском стандарте разложения525/60, применяемая для интерполяции без потерь;
  • 24 — общемировой стандарт частоты киносъёмки и проекции звукового кинематографа;
  • 25 — частота киносъёмки, применяемая при производстве телефильмов и телерепортажей для перевода в европейский стандарт разложения 625/50. Также использовалась в советской панорамной киносистеме «Кинопанорама»;
  • 26 — частота съёмки и проекции панорамной киносистемы «Синерама» [12] ;
  • 29,97002616 (30×1000÷1001) — точная кадровая частота цветного телевизионного стандарта NTSC;
  • 30 — частота киносъёмки и проекции раннего варианта широкоформатной киносистемы «Тодд-AO»;
  • 48 — частота съёмки и проекции кинематографических систем «IMAX HD» и «Maxivision 48»;
  • 50 — частота полукадров европейского стандарта разложения. Используется в электронных камерах для ТВЧ;
  • 59,94 (60×1000÷1001) — точная полукадровая частота цветного телевизионного стандарта NTSC и частота кадров некоторых стандартов ТВЧ;
  • 60 — частота киносъёмки в американском стандарте ТВЧ и системе «Шоускан» (англ. Showscan ) [13] .

Телевидение [ править | править код ]

В телевизионных стандартах частота кадров так же, как в кинематографе, выбрана постоянной. Частота смены кадров в телевидении является частью стандарта разложения изображения и при его создании выбиралась исходя из уже существующей частоты смены кадров кинематографа, физиологических критериев, а также была привязана к частоте промышленного переменного тока. Физиологическим пределом заметности мерцания изображения при средних значениях его яркости, считается частота в 48 Гц [14] . В кинематографе для сдвига мерцаний выше физиологического предела с 1902 года применяется холостая лопасть обтюратора кинопроектора, перекрывающая изображение одного неподвижного кадрика вторично [2] [15] . В телевидении для этих же целей при сохранении близкой к кинематографу кадровой частоты применяется чересстрочная развертка. Изображение целого кадра строится дважды — сначала чётными строками, а затем нечётными. Кроме того, кадровая частота телевидения изначально для упрощения конструкции приёмника привязывалась (а именно, в точности соответствовала) к частоте местных электросетей [14] . В частности:

  • Европейский стандарт разложения 625/50 передаёт 50 полукадров в секунду, соответствуя промышленному току с частотой 50 Гц [14] .
  • Американский стандарт 525/60 — 60 полукадров в секунду, совпадая по частоте с электросетями Северной Америки.
Читайте также:  Как настроить ace stream engine

При этом, по понятной причине, работоспособными были только телеприёмники, питающиеся от того же первичного генератора, что и передатчик. В дальнейшем, при появлении в телесигнале специальных управляющих синхроимпульсов, равенство кадровой частоты и частоты питающего напряжения стало вредным, оно приводило к появлению медленно плывущих по экрану участков разной яркости и другим проблемам у первых поколений телевизионных приёмников.

С появлением цветного телевидения стандарта NTSC полукадровая частота была изменена с 60 на 59,94 из-за технических особенностей модуляции цветовой поднесущей. Поэтому при телекинопроекции кадровая частота стала кратной — 23,976.

В разных телевизионных стандартах HDTV применяются чересстрочная и прогрессивная (построчная) развертки, поэтому изображение может передаваться как полями, так и целыми кадрами. Но в конечном счете, максимальная частота смены изображений по прежнему равна 50 Гц в Европе и 60 Гц в странах, использующих американскую систему (США, Канада, Япония и т. д.)

Телекинопроекция кинофильмов в американских стандартах разложения, основанных на кадровой частоте 30 Гц (29,97 Гц) происходит с частотой, близкой к стандартной — 23,976 кадра в секунду и последующей интерполяцией 3:2.

В России, при демонстрации старых фильмов снятых на киноплёнку с частотой 24 кадра в секунду, для адаптации их к частоте смены кадров в телевидении их пропускают с частотой в 25 кадров в секунду, при этом фильм ускоряется на 4 процента, что становится заметным по звуковому сопровождению, голоса становятся выше тоном.

Тот же процесс в европейских стандартах, основанных на кадровой частоте 25 Гц, происходит с этой частотой, незначительно ускоряя движение на экране. При этом фильм становится короче на 4 %, а частоты фонограммы повышаются на 0,7067 полутона.

В большинстве систем видеонаблюдения используется существенно пониженная частота кадров, поскольку их главной задачей является не качественная передача движения, а регистрация событий с максимальной длительностью при минимальном объёме информации. В современных стандартах цифровой видеозаписи частота кадров может быть переменной в зависимости от темпа движения и интенсивности потока видеоданных. Переменная кадровая частота используется в некоторых медиаконтейнерах для более эффективного сжатия видео.

Чересстрочная и прогрессивная развёртки [ править | править код ]

В телевидении для обеспечения передачи плавности движения в условиях ограниченной полосы пропускания канала передачи видеосигнала, каждый кадр последовательно передается двумя полями (полукадрами) — чётным и нечётным, что увеличивает частоту кадровой развертки вдвое. Сначала передаются нечётные строки (1, 3, 5, 7 …), затем чётные (2, 4, 6, 8 …). Такая развёртка называется чересстрочной. Исторически в аналоговом телевещании частота чересстрочной развёртки измеряется в полукадрах в секунду.

В компьютерных мониторах и в некоторых стандартах телевидения высокой четкости HDTV применяется построчная развёртка (англ. progressive scan ), когда электронный луч проходит все строки по порядку (1, 2, 3, 4, 5…).

В потоке стандартов DVB и Blu-ray Disc, с разрешением Full HD, стандарты разложения с прогрессивной разверткой не используются в связи с ограничением ёмкости носителей и, соответственно, скорости потока видеоданных, а также с технологической сложностью декодирования. В этих случаях используются различные варианты стандарта 1080i, допускающие кадровые частоты 25 и 30 кадров в секунду с чересстрочной развёрткой [16] .

Кроме того Европейский вещательный союз (EBU) предпочитает обозначать вещательный стандарт комбинацией «разрешение/частота кадров» (не полукадров), разделённые косой чертой. Таким образом формат 1080i60 или 1080i50 обозначается как 1080i/30 и 1080i/25 в зоне действия Европейского вещательного союза, в который входят все страны СНГ.

Чтобы чересстрочное телевизионное изображение оптимально смотрелось на экране компьютера, применяют фильтр деинтерлейсинга (англ. deinterlacing ).

Телевизоры с режимом 100 Гц [ править | править код ]

В телевизорах с диагональю экрана 72 см и выше, оснащённых электронно-лучевой трубкой, при 50 Гц (системы PAL и SÉCAM) при некоторых условиях заметно мерцание изображения вследствие повышенной чувствительности периферийного зрения. Это может приводить к утомлению глаз и даже заболеваниям. Поэтому в телевизионных приёмниках премиум-класса существует режим «100 Гц», при котором производится увеличение частоты кадров в 2 раза путём повторного показа каждого кадра изображения при удвоенной частоте развертки — принцип, сходный с холостой лопастью обтюратора в кинопроекции.

В телевизорах с меньшей диагональю режим «100 Гц», как правило, не используется, поскольку в них мерцание не так заметно. В плазменных, жидкокристаллических и OLED-телевизорах мерцание отсутствует, и речь может идти только о частоте обновления изображения. Поэтому наличие режима «100-герц» применительно к данному классу устройств может носить рекламный характер. [ источник не указан 1658 дней ] Тем не менее, возможность обновления экрана с частотой 120 Гц нужна для того, чтобы можно было без мерцания наблюдать стереоизображение с частотой смены стереокадров 60 Гц через стереоочки с активным затвором.

Плавность движения на экране [ править | править код ]

Видимая на экране плавность движения зависит как от частоты съемки и отображения, так и от других факторов. Выдержка, получаемая киноплёнкой или передающей трубкой (матрицей) в момент съёмки одного кадра, может повлиять на передачу плавности быстрых движений. При очень коротких выдержках, существенно меньших, чем период смены кадров, быстрое движение на экране может восприниматься прерывистым («стробированным») вследствие отсутствия смазанности изображения каждого кадра, скрывающего временну́ю дискретность [17] . Поэтому в кинематографе принято уменьшать угол раскрытия обтюратора только при специальных комбинированных съёмках. Передающие телевизионные трубки, как правило, имеют фиксированное время развертки одного кадра, определяемое движением считывающего электронного луча, и лишены возможности изменения «выдержки», соответствующей длительности полукадра за вычетом кадрового гасящего импульса. Однако современные видеокамеры, оснащенные ПЗС- и КМОП-матрицами, обладают такой возможностью за счет другой технологии считывания изображения. Большинство производителей используют для этой технологии, позволяющей выбирать время считывания кадра, торговое название «электронный обтюратор» (англ. Electronic shutter ). При установке очень короткой выдержки быстрые движения на экране могут восприниматься отчетливо «дробными» вследствие полного отсутствия смаза изображения отдельных кадров и физиологических особенностей зрительного анализатора.

Компьютерные игры [ править | править код ]

В компьютерных играх под кадровой частотой (англ. FPS, Frame Per Second, framerate ) понимается частота, с которой процесс игры обновляет изображение в кадровом буфере. При этом игры можно разделить на два класса: игры с постоянной кадровой частотой и игры с переменной кадровой частотой. Игры с постоянной кадровой частотой выдают на слабых и мощных компьютерах одинаковое количество кадров в секунду. Если ресурсы компьютера невелики и он не справляется с прорисовкой, то замедляется вся игра. Игры с переменной кадровой частотой на слабых компьютерах начинают пропускать кадры, скорость игрового процесса не меняется.

В любом случае, выдаваемая игрой кадровая частота обычно не кратна кадровой частоте монитора, это приводит к рваному изображению. Для борьбы с этим существует режим вертикальной синхронизации (англ. V-Sync ), а также плавающая синхронизация (технологии «AMD FreeSync» и «Nvidia G-Sync»).

Создаваемый трёхмерным движком кадр обычно резкий (в отличие от кадра видео), плюс игрок управляет происходящим в кадре — потому оптимальная кадровая частота в играх обычно больше, чем в кино, и начинается с 30 кадров в секунду.

Плавность движения в кино и на видео [ править | править код ]

Минимальная кадровая частота для создания ощущения плавности движения составляет

12—18 кадров в секунду. Эта цифра установлена экспериментально на заре кинематографа. Эдисон считал необходимой частоту в 30—40 кадров в секунду, однако эта цифра исходила из заметности мельканий при кинопроекции и оказалась завышенной [1] .

Тем не менее, полное устранение «дробления» изображения при быстрых движениях возможно только при использовании частоты съёмки, превышающей критическую частоту заметности мельканий [18] . При частотах, превышающих 48 Гц, изображение становится заметно более плавным и правдоподобным [19] . Это заметно при сравнении на экране телевизора видеозаписи, снятой с большей временно́й дискретностью, и кинофильма. При просмотре видеозаписи (или передачи с телевизионной камеры) зритель видит 50 (или 60) изображений в секунду, каждое из которых отображает отдельную фазу движения, вследствие считывания камерой отдельных полукадров в разные моменты времени. Совсем другая картина наблюдается при просмотре кинофильма, снятого с частотой 24 кадра в секунду. Телевизор, также обладающий чересстрочной разверткой, все равно показывает в секунду только 25 изображений за счет того, что каждый кадрик кинофильма передается дважды: сначала чётным полем, затем нечётным [П 1] . При этом, в отличие от видеозаписи, в которой каждое поле передает отдельную фазу движения, временная дискретность кинофильма вдвое ниже. Поэтому в кинофильмах движение выглядит более обобщенным, чем в видеозаписи. В некоторых профессиональных видеокамерах существует специальный «кинематографический» режим, обеспечивающий понижение временной дискретности изображения, путём одновременного запоминания матрицей четного и нечетного полей изображения с сохранением разрешающей способности, основанной на полном количестве строк в кадре. В результате, оба поля отображают одну и ту же фазу движения, приближая эффект от восприятия изображения к кинематографическому.

Читайте также:  Сменить днс в роутере

Повышение плавности передачи движения [ править | править код ]

Существуют разные мнения насчет необходимости повышения временной дискретности кинематографического и телевизионного тракта, и они основываются на различных эстетических позициях [18] . Однако, уже сегодня существуют кинематографические системы, предусматривающие удвоенные против обычных частоты киносъемки и кинопроекции.

Такие зрелища доступны, например в кинотеатрах IMAX с поддержкой IMAX HD, а также в обычных кинозалах, оснащённых проекторами стандарта «Maxivision 48» (48 кадров/сек [20] ).

Существующее съёмочное оборудование в большинстве случаев рассчитано на стандартную частоту. Но оборудование в современных кинотеатрах уже сейчас позволяет воспроизводить фильмы с частотой до 60 кадров в секунду. Первым фильмом, снятым с частотой 48 кадров стал «Хоббит: Нежданное путешествие» [21] [22] . В 2020 году планируется выход фильма «Аватар 2» [23] , который по заявлениям будет иметь частоту не менее, чем в два раза превышающую стандартную 24 кадра в секунду. В 2018 году на 75-ом Венецианском кинофестивале был представлен фильм Виктора Косаковского «Акварель», снятый с частотой 96 кадров в секунду [24] .

В современных телевизорах также есть возможность искусственного увеличения плавности движения путём генерирования — при помощи интерполяции — дополнительных кадров, отображающих промежуточные фазы движения. Процессор телевизора на основе изображения двух соседних кадров вычисляет промежуточный кадр и таким образом увеличивает видимую плавность движения на экране. Качественная интерполяция движений в телевизорах обычно начинается с серии не ниже средней или высокой.

У разных производителей есть собственные наработки (DNM, Motion Plus) создающие промежуточные кадры «на лету». Существуют также программные средства для персонального компьютера, например Smooth V >[25] от Mirilis, позволяющие создавать повышенную плавность. Качество каждого из решений может значительно различаться и требует дополнительных вычислительных ресурсов.

Обратной стороной прогресса стал эффект мыльной оперы, воспринимаемый некоторыми зрителями.

К частоте 24 к/с у меня такое же отношение как и к 25 к/с, 50 к/с, 120 к/с и любой другой частоте кадров. Думаю, что апологеты, считающие, что только 23,976 к/с могут передать атмосферу кинематографа никогда в реальной жизни не заметят отличия от 25 к/с. Это, своего рода, такой же "пунктик", как и "теплый, ламповый звук".

В кинематографе такая частота определяется не тем, что это лучше, а тем, что за многие десятилетия сложился определенный стандарт и вся киноиндустрия работает в рамках этого стандарта. Отклонения от принятого технологического процесса влекут значительные издержки, а это уже никому не нужно. И в большей степени это связано с прокатным оборудованием, т.к. дистрибуция большинство фильмов продолжает осуществляться на пленке.

С использованием в кинематографе цифровых кинокамер, вопрос скорости кадров вообще не стоит, весь проект можно снимать с любой частотой. "Форсаж 6", кстати, помимо 24 был представлен и с частотой 60 кадров в секунду. "Хоббит" был снят на 48 к/с, правда, посмотреть его можно было только в новых кинотеатрах с современными цифровыми проекторами. Например, во всей России всего около 200 кинотеатров, способных демонстрировать HFR 3D.

Но несмотря на это, многие видеографы продолжают для своих "проектов" выставлять в настройках фотоаппарата 24p в надежде, что это придаст их работам некую новую художественную ценность. На самом деле это придаст только дерганье картинки при воспроизведении на некоторых устройствах, а также аналогичные проблемы при заливке такого видео на видеохостинги. А если вы снимаете контент, который в последствии может быть показан на ТВ, то вам вообще противопоказан 24p.

В этой заметке расскажу откуда появились 24 кадра в секунду, почему в США их 29,97. Зачем играм так много FPS и почему 25 кадр не работает.

Вступление

Любая анимация существует благодаря инертности зрения. Если изображения сменяются достаточно быстро, то мозг не видит их по отдельности, а создаёт иллюзию непрерывного движения. Скорость смены изображений должна быть выше 10-12 в секунду, иначе мозг воспринимает картинки по-отдельности. Казалось бы, вот и подходящая для человека кадровая частота — 12 FPS и больше. Но не всё так просто.

Немые фильмы

Представьте себе ленту немого фильма, в которой 1 500 отдельных изображений. Если мы покажем фильм со скоростью 12 кадров в секунду, то увидим что-то такое. Гифку сделал по ссылке, чтобы не раздражала мерцанием.

Движение есть, но мерцание в кадре всё портит. Оно появилось из-за того, что мы должны закрыть проектор, чтобы прокрутить ленту дальше и показать новое изображение. По словам Томаса Эдисона, наше зрение не заметит мерцание, если мы будем прокручивать ленту со скоростью 46 кадров в секунду. Но это не лучший вариант, и вот почему.

Сейчас у нас фильм состоит из 1 500 изображений и мы его проигрываем со скоростью 12 кадров в секунду.
Получается 1 500 кадров / 12 кадров в секунду = 125 секунд
Значит, нам достаточно 1 500 кадров, что создать двухминутный фильм.

Со скоростью 46 кадров в секунду наш фильм будет идти всего 32 секунды. То есть, чтобы восстановить хронометраж мы должны создать не 1 500 кадров, а 5 750 = 125 секунд * 46 кадров в секунду. Кинолента будет длиннее в четыре раза, количество кадров больше, а значит отснять, смонтировать и показать фильм выйдет намного дороже.

Легче изменить конструкцию проектора. Поэтому вместо обычного обтюратора поставили трёхлезвийный.

Теперь один кадр показывают три раза и только потом сменяют на новый. Получается частота кадров (хоть и одинаковых) увеличилась. Количество мерцания увеличилось по количеству, но в три раза сократилось по времени. Таким образом инертность зрения стала «съедать» мерцание в кадре.

Мы сменяем кадры со скоростью 16 FPS, но зрителям показываем один и тот же кадр три раза.
И получаем 48 спроецированных кадра в секунду = 16 кадров * 3 повторения. Прямо как и хотел Эдисон, даже лучше.

Мы взяли 16 FPS, а не 12 или 14, так как 16 — минимальное целое число, которое умножается на 3 и в результате даёт число больше 46.

Вот мы и получили первую кадровую частоту — 16 FPS для немых фильмов. Плюс немых фильмов в том, что мы можем легко увеличить или уменьшить количество кадров в секунду, это повлияет только на скорость воспроизведения. Ручку проектора крутил человек и мог варьировать скорость кадров от 14 до 26 FPS.

Всё сложнее стало со звуком. Теперь нельзя крутить фильм быстрее или медленнее. Нужно соблюдать постоянную кадровую частоту, чтобы скорость, а значит и тембр голоса не изменялся на протяжении фильма. С 16 FPS была проблема, звук не звучал точно, как задумывалось. Нужно было выбрать новую частоту, чтобы она была больше 16 и в итоге давала 48 проецируемых FPS. В итоге, вместо трёхлезвийного обтюратора стали использовать двулезвийный. И утвердили новый фрейм рейт — 24 FPS.

Читайте также:  Где находятся расширения в яндекс браузер

24 кадра * 2 повторения = 48 проецируемых кадров в секунду. Всё просто и удобно. 24 нацело делится на 2, 3 и 4. То есть мы знаем, что половина секунды — 12 FPS, треть — 8, а четверть — 6.

Тут вроде становится понятно — мы и сейчас используем 24 FPS. Тогда зачем нам 25, 30 и тем более 29,97?

Телевизор

Когда решили транслировать изображение по телевизору возникли новые проблемы. Показывать два раза один и тот же кадр было не вариант, да и технически это было сложновато. Ещё надо передать аналоговый сигнал по радиоволнам. И чем больше кадров, тем больше вес файла — значит канал передачи должен быть шире, а значит и дороже. Поэтому стали передавать кадры по половинкам — полукадрами. Разбиваем изображение на полосы и показываем сначала все нечётные, а потом все чётные. Инертность зрения делает своё дело и мы видим целый кадр.

По-умному, это называется чересстрочная развёртка и обозначается буквой «i», от слова «interlaced». Ролик с чересстрочной развёрткой и разрешением 1920 × 1080 будет называтся 1080i. А такой же ролик с прогрессивной развёрткой — 1080p. Это означает «progressive» или то, что кадры передаются целиком.

Чтобы не было лишних шумов и конструкция телевизора была проще, полукадры решили обновлять с частотой электросети. Для Европы это 50 Гц. Получилось 50 полукадров в секунду или 25 целых кадров в секунду. В США частота электросетей 60 Гц, значит полукадров будет 60, а кадров соответственно 30.

И вот вроде как всё хорошо, но тут появляется цвет.

Теперь через тот же канал нужно донести больше информации. Мы должны передать чёрно-белое изображение для старых телевизоров, цветное изображение и звук. И сделать это было довольно сложно. Потому что как только мы добавляем в электромагнитный спектр информацию о цвете его частота пересекается со звуком и создаёт помехи. Чтобы чётко разделить цвет и звук решили снизить частоту полукадров на 0,1%.

60 полукадров — 0,1% = 59,94 полукадров в секунду
59,94 полукадров в секунду/2 = 29,97 кадров в секунду

Система вещания с такой странной кадровой частотой называется NTSC и использовалась в США и ещё парочке стран.

В Европе таких сложностей не было, в качестве стандарта сразу взяли PAL, который был создан, чтобы решить проблемы с цветом. Поэтому как было 25 кадров в секунду, так и осталось.

>30 FPS

Зачем же тогда делают фильмы в 60 FPS?
Дело в том, что камера размывает любое резкое движение в сторону направления объекта. Величина размытия зависит от расстояния, которое объект прошёл за 1 кадр. И чем больше количество кадров в секунду, тем меньше размытие.

1 секунда / 25 фпс = 0,04
1 секунда / 60 фпс = 0,016

Это называется моушн-блюр.

Разница между фильмами с 25 FPS и 60 FPS только в плавности движения. Резкие движения в фильме выглядят менее размытыми. За счёт этого картинка кажется более реалистичной. Вот в этом и смысл.

25 кадр

Представьте, что мы берём книгу в которой 24 страницы — 23 белые и 1 красная. Если мы пролистнём книгу за одну секунду, то точно заметим, что одна страница другого цвета. Если страниц в книге 25, то ничего не изменится. Страница не станет невидимой и тем более не будет влиять на подсознание, она просто пролистнётся не за 1/24 секунды, а за 1/25. Вот и вся разница. Даже если страниц будет больше 100 — глаз поймёт, что одна из них отличается. Абсолютно то же самое с видео.

Наше зрение не ограничивается считыванием какого-то определённого количества кадров в секунду. Различия между кадрами будут заметны и на двухстах, и на пятистах кадрах в секунду.

Слоумоушн и таймлапс

Слоумоушн это, когда мы снимаем видео с большей частотой кадров, а смотрим с меньшей — снимаем в 120, смотрим в 25.

Снимем на айфон 6 секунд в 120 FPS. Это значит, что за секунду он создаст 120 изображений. За 6 секунд — 720. А смотреть мы их будем в 25 FPS. Это значит, что 720 изображений / 25 FPS мы будем смотреть почти 29 секунд. За это время мы и рассмотрим все детали.

А если мы возьмём высокоскоростную камеру, снимем 1 секунду с фреймрейтом 5 000 FPS и посмотрим в 25 FPS.

27 000 * 1 / 25 = 1 080 секунд или 18 минут

Одну секунду реального времени мы смотрим целых 18 минут. Можно в деталях рассмотреть выстрел пистолета под водой.

После таких расчётов становится понятно почему Slow Mo Guys не выкладывают свои ролики в 60 FPS. Мы просто увидим меньше деталей.

27 000 * 1 / 60 = 450 секунд или 7 минут 30 секунд

Также, есть противоположность для слоумоушна — timelapse. Снимаем видео с меньшей частотой, а проигрываем с большей. Ставим штатив на балкон и делаем одну фотографию в день на протяжении года. Получается, что у нас получилось видео с частотой кадров — 1 кадр в день. За год у нас получилось 365 кадров. Теперь мы включаем скорость 25 FPS. В итоге, получаем 365 / 25 = 14,6 секунд в которые уместился целый год.

Почему тогда играм недостаточно 25 FPS? А нужно намного больше: 60 или даже 100 FPS.

Как написано в абзаце про фильмы с 60 FPS — камера всегда снимает с небольшим размытием в движении. Компьютер же создаёт абсолютно чёткие изображения. Из-за этого мозгу сложнее складывать их в непрерывную картинку. И чем больше движения в игре, тем больше чётких кадров нам нужно для корректного восприятия.

Для сапёра нам хватит и 2 FPS. Два раза в секунду компьютер будет обновлять изображение на мониторе и показывать попали мы в бомбу или нет. А для Counter-Strike не хватит и 30. Просто потому, что движения там слишком динамичные.

Конечно, игры научились включать искуственное размытие, но оно похоже только мешает игровому процессу. По крайней мере, я не знаю ни одного человека, который включает моушн-блюр в играх. Да и система лишний раз нагружается.

На восприятие также влияет то, что фильмы мы смотрим с постоянной кадровой частотой. В играх же, в зависимости от происходящего, FPS меняется. Как только FPS резко падает, мозг сразу же замечает это. То же самое было бы и с фильмами, если бы кадров в секунду было то 25, то 60.

FPS для игр важен не только для комфортного восприятия игры. Частота кадров равна частоте обновления физической модели. Это значит, чем больше FPS, тем чаще компьютер проверяет сделали вы выстрел или нет. Иногда эти доли секунды важны.

Похоже, что всё, что хотел рассказать — рассказал. Вот кратко все тезисы этой заметки.

Итоги

1) Первый фрейм рейт — 16 FPS
2) Звук увеличил кадровую частоту и сделал её постоянной — 24 FPS
3) Частота электросети определила новую кадровую частоту для телевизоров — 25 FPS и 30 FPS
4) Цвет превратил 30 FPS в 29,97 FPS из-за того, что не дружил со звуком
5) Фильмы в 60 FPS плавнее
6) Слоумоушн — снимаем с бóльшим FPS, смотрим с меньшим. В таймлапсе наоборот
7) Игры генерируют абсолютно чёткие кадры, поэтому нужно больше FPS, чтобы создать плавное движение
8) В фильмах кадры в секунду постоянные, в играх зависят от ситуации