Ile klatek na sekundę naprawdę może zobaczyć ludzkie oko?

Spędziłem zbyt wiele moich pierwszych czułych minut w nowej grze z licznik klatek na sekundę w rogu ekranu. Gram, bardzo wrażliwy na najmniejsze zacięcia, zagłębiam się w ustawienia grafiki, by zoptymalizować i martwić się, i znowu optymalizować i martwić się.

Przysięgam, że nie mam tego licznika cały czas. To byłoby niezdrowe, prawda? Ale liczba klatek na sekundę jest dla nas ważna. To podstawowa miara, według której oceniamy zarówno nasze zestawy, jak i umiejętności techniczne gry. Czemu nie? Licznik klatek nie kłamie. Podaje prostą, prostą liczbę. W niepewnym świecie to coś, przy czym możemy stać.

Ale czy widzisz wysoką liczbę klatek na sekundę? Tak zaczyna się kłótnia stara jak gry na PC, ciągła i zagmatwana wojna, w której duma ściera się z chwiejną nauką. Ale pomijając internet, jest to interesujące pytanie, zwłaszcza, że dotyczy podstawowego sposobu, w jaki doświadczamy gier komputerowych. Jaka jest maksymalna liczba klatek na sekundę, jaką widzi ludzkie oko? Jak zauważalna jest różnica między 30 Hz a 60 Hz? Między 60 Hz a 144 Hz? Po którym momencie nie ma sensu wyświetlać gry szybciej?

Odpowiedź jest złożona i raczej nieporządna. Możesz nie zgadzać się z częścią tego; niektórzy mogą nawet rozzłościć. Eksperci w dziedzinie wzroku i poznania wizualnego, nawet ci, którzy sami grają w gry, mogą mieć zupełnie inną perspektywę niż Ty, jeśli chodzi o to, co jest ważne w wyświetlanych komputerach i monitorach. Ale ludzki wzrok i percepcja to dziwna i skomplikowana rzecz i nie do końca działa tak, jak się czuje.

Aspekty widzenia

Pierwszą rzeczą, którą należy zrozumieć, jest to, że postrzegamy inaczej aspekty widzenia inaczej. Wykrywanie ruchu to nie to samo, co wykrywanie światła. Inną rzeczą jest to, że różne części oka działają inaczej. Środek twojego wzroku jest dobry w innych rzeczach niż peryferia. Inną rzeczą jest to, że istnieją naturalne, fizyczne ograniczenia tego, co możemy postrzegać. Potrzeba czasu, zanim światło, które przechodzi przez rogówkę, stanie się informacją, na podstawie której mózg może działać, a nasze mózgi mogą przetwarzać te informacje tylko z określoną prędkością.

Jeszcze inna ważna koncepcja: całość tego, co postrzegamy, jest większa niż to, co może osiągnąć jakikolwiek element naszego systemu wzrokowego. Ten punkt ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia naszej percepcji widzenia.

„Nie można przewidzieć zachowania całego systemu w oparciu o jedną komórkę lub jeden neuron” – mówi Jordan DeLong. DeLong jest adiunktem psychologii w St Josephs College w Rensselaer, a większość jego badań dotyczy systemów wizualnych. „Możemy faktycznie dostrzec rzeczy, takie jak szerokość linii lub dwóch wyrównanych linii, mniejszych niż to, co może zrobić pojedynczy neuron, a to dlatego, że my uśredniają tysiące neuronów. Twój mózg jest o wiele dokładniejszy niż jedna jego część. ”

Gracze … a naprawdę dziwna populacja ludzi, którzy prawdopodobnie działają blisko maksymalnych poziomów.

I wreszcie jesteśmy wyjątkowi. Gracze komputerowi mają jedne z najlepszych oczu wokół. „Jeśli pracujesz z graczami, pracujesz z naprawdę dziwną populacją ludzi, którzy prawdopodobnie działają na poziomie bliskim maksymalnym” – mówi DeLong. Dzieje się tak, ponieważ percepcję wzrokową można trenować, a gry akcji są szczególnie dobre w trenowaniu wzroku .

„wyjątkowy, jeden z jedynych sposobów na znaczne zwiększenie prawie wszystkich aspektów widzenia, a więc wrażliwości na kontrast, zdolności uwagi i śledzenia wielu obiektów” – powiedział Adrien Chopin, badacz nauk kognitywnych z tytułem post-doc, mówi mi. Tak dobrze, że gry są używane w terapiach wizualnych.

Zanim więc wściekniesz się na to, że badacze mówią o tym, jakie liczby klatek na sekundę możesz, a jakich nie możesz dostrzec, poklep się po plecach: jeśli grasz w grach z dużą ilością akcji, prawdopodobnie jesteś bardziej wyczulony na liczbę klatek na sekundę niż przeciętny człowiek.

Postrzeganie ruchu

Przejdźmy teraz do kilku liczb. Pierwszą rzeczą do przemyślenia jest częstotliwość migotania. Większość ludzi postrzega migoczące źródło światła jako stałe oświetlenie z szybkością od 50 do 60 razy na sekundę lub Hz. Niektórzy ludzie mogą wykryć niewielkie migotanie w żarówce fluorescencyjnej 60 Hz, a większość ludzi zobaczy migotliwe smugi w polu widzenia, jeśli wykonają szybki ruch oczu, patrząc na modulowane tylne światła LED, które można znaleźć w wielu nowoczesnych samochodach.

Ale to tylko część układanki, jeśli chodzi o postrzeganie płynnego, płynnego materiału z gry.A jeśli słyszałeś o badaniach pilotów myśliwców, w których wykazali oni zdolność postrzegania obrazu wyświetlanego na ekranie przez 1/250 sekundy, to też nie jest to, o co chodzi w percepcji płynnych, płynnych obrazów w grach komputerowych . Dzieje się tak, ponieważ gry generują ruchome obrazy, a zatem wywołują inne systemy wizualne niż te, które po prostu przetwarzają światło.

Przykładem może być to, co nazywa się „prawem Blocha”. Zasadniczo jest to jedno z niewielu praw percepcji ”- powiedział profesor Thomas Busey, współpracownik mówi mi, przewodniczący wydziału na Wydziale Psychologii i Nauk o Mózgu Indiana University. Mówi, że istnieje kompromis między intensywnością a czasem trwania w błysku światła trwającym krócej niż 100 ms. Możesz mieć nanosekundę niesamowicie jasnego światła, które będzie wyglądać tak samo, jak jedna dziesiąta sekundy słabego światła. „Ogólnie rzecz biorąc, ludzie nie potrafią rozróżnić krótkich, jasnych i długich, przyciemnionych bodźców w ciągu jednej dziesiątej sekundy” – mówi. To trochę przypomina zależność między czasem otwarcia migawki a przysłoną w aparacie: pozwalając na wiele światło z szeroką przysłoną i krótkim czasem otwarcia migawki, Twoje zdjęcie będzie równie dobrze naświetlone, jak zrobione przez wpuszczenie niewielkiej ilości światła przy wąskiej przysłonie i ustawienie długiego czasu otwarcia migawki.

Ale chociaż mamy problem z rozróżnieniem intensywności błysków światła krótszych niż 10 ms, możemy dostrzec artefakty niewiarygodnie szybkiego ruchu. „Muszą być bardzo specyficzne i wyjątkowe, ale można było zobaczyć artefakt przy 500 fps, gdybyście chcieli”, DeLong mówi mi.

Specyfika dotyczy sposobu, w jaki postrzegamy różne rodzaje ruchu. Jeśli siedzisz nieruchomo i obserwujesz poruszające się rzeczy przed sobą, jest to zupełnie inny sygnał niż widok, jaki otrzymujesz podczas spaceru. „Skupiają się w różnych miejscach” – mówi DeLong. „Środkowa część twojego pola widzenia, obszar dołka, który jest najbardziej szczegółowy, jest właściwie śmieciami, jeśli chodzi o wykrywanie ruchu, więc jeśli obserwujesz rzeczy w środek ekranu się porusza, częstotliwość odświeżania nie jest aż tak wielka; nie możesz tego zobaczyć tą częścią oka. ”

Ale na obrzeżach naszych oczu niezwykle dobrze wykrywamy ruch. Z ekranem wypełniającym ich pole widzenia peryferyjnego, który aktualizuje się z częstotliwością 60 Hz lub więcej, wiele osób zgłosi, że mają silne wrażenie, że fizycznie się poruszają. Po części dlatego zestawy słuchawkowe VR, które mogą działać w polu widzenia peryferyjnego, aktualizują się tak szybko (90 Hz).

Warto również wziąć pod uwagę niektóre z rzeczy, które robimy podczas gry, powiedzmy, strzelanka pierwszoosobowa. Nieustannie kontrolujemy relację między ruchem myszy a widokiem w percepcyjnej pętli sprzężenia zwrotnego motorycznego, nawigujemy i poruszamy się w przestrzeni 3D, a także szukamy i śledzimy wrogów. Dlatego stale aktualizujemy naszą wiedzę o świecie gry za pomocą informacji wizualnych. Busey mówi, że korzyści płynące z płynnych, szybko odświeżających się obrazów wynikają z naszego postrzegania ruchu na dużą skalę, a nie z drobnych szczegółów.

Ale jak szybko możemy dostrzec ruch? Po wszystkim, co przeczytałeś powyżej, prawdopodobnie zgadniesz, że nie ma dokładnych odpowiedzi. Ale są pewne ostateczne odpowiedzi, takie jak ta: z całą pewnością możesz dostrzec różnicę między 30 Hz a 60 Hz.

Jakie częstotliwości klatek naprawdę widzimy?

„Z pewnością 60 Hz jest lepsze niż 30 Hz, ewidentnie lepsze” – mówi Busey. To jest jedno roszczenie internetowe odrzucone. A ponieważ możemy postrzegać ruch z większą szybkością niż w przypadku źródła migotania 60 Hz, poziom powinien być wyższy, ale nie będzie to liczba. „Czy to plateau przy 120 Hz, czy też otrzymujesz dodatkowe podbicie do 180 Hz, po prostu nie wiem.”

„Myślę, że zazwyczaj, gdy osiągniesz powyżej 200 fps, wygląda to tak regularny, rzeczywisty ruch ”- mówi DeLong. Ale w bardziej regularnych kategoriach uważa, że spadek w ludziach, którzy są w stanie wykryć zmiany gładkości na ekranie, wynosi około 90 Hz. „Jasne, miłośnicy mogą być w stanie dostrzec drobne różnice, ale dla reszty z nas to tak, jakby czerwone wino było czerwonym winem”.

Chopin patrzy na ten temat zupełnie inaczej. „Z literatury jasno wynika, że nie widać niczego więcej niż 20 Hz ”- mówi. I chociaż przyznaję, że początkowo parsknąłem do kawy, jego argumentacja wkrótce zaczęła mieć o wiele więcej sensu.

Z pewnością 60 Hz jest lepsze niż 30 Hz, wyraźnie lepsze.

Wyjaśnia mi, że kiedy jesteśmy szukając i kategoryzując elementy jako cele w strzelance FPS, śledzimy wiele celów i wykrywamy ruch małych obiektów. „Na przykład, jeśli weźmiesz pod uwagę wykrywanie ruchu małego obiektu, jaka jest optymalna częstotliwość czasowa obiektu, który możesz wykryć?”

A badania wykazały, że odpowiedź mieści się w zakresie od 7 do 13 Hz. Potem nasza wrażliwość na ruch znacznie spada. ”Kiedy chcesz przeprowadzić wyszukiwanie wizualne, wiele wizualnych śledzenia lub po prostu zinterpretować kierunek ruchu, twój mózg pobierze tylko 13 obrazów z sekundy ciągłego przepływu, więc uśrednisz pozostałe obrazy, które są pomiędzy w jeden obraz ”.

Odkryty przez badacza Rufina vanRullena w 2010 roku, dzieje się to dosłownie w naszych mózgach: w EEG można zobaczyć stały puls aktywności 13 Hz, który jest dodatkowo wspierany poprzez obserwację, że możemy również doświadczyć „efektu koła wozu”, który otrzymujemy podczas fotografowania materiału wirującego z szprychami. Po odtworzeniu nagrania może wydawać się, że obiekt obraca się w przeciwnym kierunku. „Mózg robi to samo” – mówi Chopin – „widać to bez kamery. Biorąc pod uwagę wszystkie badania, nie widzimy różnicy między 20 Hz i wyższym. Przejdźmy do 24hz, czyli standardu w branży filmowej. Ale nie widzę sensu wychodzenia poza to. ”

Ważną rzeczą jest to, że Chopin mówi o tym, że mózg zdobywa informacje wizualne, które może przetwarzać i na których może działać. Nie mówi, że nie możemy zauważyć różnicy między materiałami filmowymi 20 Hz i 60 Hz. „Tylko dlatego, że widzisz różnicę, nie oznacza to, że możesz być lepszy w grze”, mówi. „Po 24 Hz nie będziesz lepszy, ale możesz mieć pewne fenomenologiczne doświadczenie, które jest inne”. Dlatego istnieje różnica między skutecznością a doświadczeniem.

I chociaż Busey i DeLong docenili estetyczny urok płynnej liczby klatek na sekundę, żaden z nich nie uważał, że liczba klatek na sekundę jest najważniejsza w grach. technologia, którą być może robimy. Dla Chopina zdecydowanie ważniejsza jest rozdzielczość. „Jesteśmy bardzo ograniczeni w interpretowaniu różnicy w czasie, ale nie mamy prawie żadnych ograniczeń w interpretowaniu różnicy w przestrzeni”, mówi.

Dla DeLong rozdzielczość jest również ważna, ale tylko dla małego, centralnego regionu oko, które o to dba, które obejmuje tylko kilka stopni twojego pola widzenia. ”Niektóre z najbardziej fascynujących rzeczy, jakie widziałem, dotyczyły śledzenia wzroku. Dlaczego nie robimy pełnej rozdzielczości tylko w tych obszarach oka, w których faktycznie jej potrzebujemy? ” Ale jego prawdziwy nacisk kładzie się na współczynniki kontrastu. „Kiedy widzimy naprawdę prawdziwą czerń i jasną biel, jest to naprawdę fascynujące” – mówi.

Co naprawdę wiemy

Po tym wszystkim, co tak naprawdę wiemy? Że mózg jest skomplikowana i nie ma uniwersalnej odpowiedzi, która dotyczy każdego.

• Niektórzy ludzie mogą dostrzec migotanie źródła światła o częstotliwości 50 lub 60 Hz. Wyższe częstotliwości odświeżania zmniejszają zauważalne migotanie.
• Lepiej wykrywamy ruch na obrzeżach naszego wzroku.
• Sposób, w jaki odbieramy błysk obrazu, jest inny niż sposób, w jaki postrzegamy stały ruch.
• Gracze częściej mają jedne z najbardziej wrażliwych i wyszkolonych oczu, jeśli chodzi o postrzeganie zmian w obrazie.
• Tylko dlatego, że potrafimy dostrzec różnicę między liczbą klatek na sekundę, niekoniecznie oznacza, że percepcja wpływa na nasz czas reakcji.

Nie jest to więc uporządkowany temat, a ponadto musimy również rozważyć, czy nasze monitory są w stanie wyświetlać obrazy w tych wysoka liczba klatek na sekundę.Wiele z nich nie przekracza 60 Hz, a Busey pyta, czy monitory reklamowane przy 120 Hz naprawdę wyświetlają tak szybko (zgodnie z niektórymi bardzo dogłębnymi testami w TFTCentral, z pewnością tak jest). Jako ktoś, kto również lubił gry w 30 klatkach na sekundę (a często raczej rzadziej) renderowane przez moje konsole, mogę się do nich odnieść, sugerując, że inne aspekty wyświetlania wizualnego mogą lepiej łączyć się z moją percepcją wizualną.

Z drugiej strony chciałbym usłyszeć od profesjonalnych drużyn o ich obiektywnych doświadczeniach z liczbą klatek na sekundę oraz o tym, jak wpływa to na wydajność graczy. Być może potwierdzą lub zaprzeczą obecnemu myśleniu nauki w tej dziedzinie. Jeśli gracze są tak wyjątkowi, jeśli chodzi o wizję, być może powinniśmy być tymi, którzy zapoczątkowują nowe jej zrozumienie.