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帧率

帧率(Frame rate)是称为帧的位图图像连续出现在显示器上的频率(速率)。该术语同样适用于胶片摄像机,计算机图形和动作捕捉系统。帧速率也可以称为帧频率,并以赫兹(Hz)表示。

人类视觉的时间敏感度和分辨率根据视觉刺激的类型和特征而变化,并且在个体之间不同。人类视觉系统每秒可处理10到12个图像并单独感知它们,而较高的速率则被视为运动。 [1] 当速率高于50 Hz至90 Hz时,大多数研究参与者认为调制光(如计算机显示器)稳定。这种调制光的稳定感被称为闪烁融合阈值。然而,当调制光是不均匀的并且包含图像时,闪烁融合阈值可以高得多,数百赫兹。 [2] 关于图像识别,已经发现人们在不间断的一系列不同图像中识别特定图像,每个图像持续少至13毫秒。 [3] 视力的持久性有时会导致非常短的单毫秒视觉刺激,其感知持续时间在100毫秒到400毫秒之间。非常短的多个刺激有时被认为是单个刺激,例如10毫秒的绿色闪光,紧接着是10毫秒的红色闪光,被感知为单个黄色闪光 [4]

而对游戏,一般来说,第一人称射击游戏比较注重FPS的高低,如果FPS<30的话,游戏会显得不连贯。所以有一句有趣的话:“FPS(指FPS游戏)重在FPS(指帧率)。

每秒的帧数(fps)或者说帧率表示图形处理器处理场时每秒钟能够更新的次数。高的帧率可以得到更流畅、更逼真的动画。一般来说30fps就是可以接受的,但是将性能提升至60fps则可以明显提升交互感和逼真感,但是一般来说超过75fps一般就不容易察觉到有明显的流畅度提升了。如果帧率超过屏幕刷新率只会浪费图形处理的能力,因为监视器不能以这么快的速度更新,这样超过刷新率的帧率就浪费掉了。

早期的无声电影已经规定了每秒16到24帧(fps)的帧速率, [5] 但是由于摄像机是手摇的,因此在场景中频率变化以适应心情。投影仪还可以通过调节变阻器来改变影院中的帧速率,该变阻器控制为投影仪中的薄膜承载机构供电的电压。电影公司经常打算让影院以更高的帧速率展示他们的无声电影。 [6] 这些帧率对于运动感度来说足够了,但它被认为是不稳定的运动。为了最大限度地减少感知到的闪烁,投影仪采用了双刀片和三刀片百叶窗,因此每帧显示两次或三次,将闪烁率增加到48或72赫兹并减少眼睛疲劳。托马斯爱迪生说,每秒46帧是眼睛感知运动所需的最小值:“任何不足都会让眼睛疲劳。”在20世纪20年代中后期,无声电影的帧速率增加到20到26 fps之间。

当声膜在1926年推出时,不再容忍电影速度的变化,因为人耳对音频的变化更敏感。许多影院都以22到26 fps的速度播放了无声电影 - 这就是为什么业界选择24 fps的声音作为妥协。 [7] 从1927年到1930年,随着各种工作室更新设备,24 fps的速率成为35 mm声音电影的标准。 [1] 以24 fps的速度,胶片以每秒456毫米(18.0英寸)的速度穿过投影机。这允许简单的双叶片百叶窗以每秒48张的速度投射一系列图像,满足爱迪生的推荐。许多现代35毫米电影放映机使用三片百叶窗每秒提供72张图像 - 每帧在屏幕上闪烁三次。

这匹奔马的动画片以每秒12幅图形显示,快速运动处于令人反感的不稳定的边缘。

在绘制的动画中,移动角色通常是“两次拍摄”,也就是说,每两帧胶片(通常以每秒24帧的速度运行)显示一幅画,这意味着每秒只有12幅画。即使图像更新率低,但流动性对于大多数受试者来说是令人满意的。然而,当一个角色需要进行快速移动时,通常需要恢复动画“上一个”,因为“两个”太慢而无法充分传达动作。两种技术的融合使得眼睛被愚弄而没有不必要的生产成本。

大多数“星期六早上漫画”的动画尽可能便宜地制作,并且通常以“三个”拍摄,或甚至“四个”拍摄,即每幅画三或四帧。这意味着每秒仅转换8或6个图。动漫通常也是三分之一。

另请参阅:广播视频格式列表

现代视频格式利用各种帧速率。由于电网的电源频率,模拟电视广播的帧速率为50 Hz或60 Hz,有时视频交错,因此可以在相同的可用广播带宽上发送更多的运动信息,有时视频会在25或30 fps,每帧加倍。电影几乎普遍以每秒24帧的速度拍摄,无法以其原始帧速率显示,这需要下拉转换,通常导致“抖动”:将每秒24帧转换为每秒60帧,每个奇数帧加倍,每个偶数帧三倍,这会产生不均匀的运动。其他转换具有类似的不均匀帧加倍。较新的视频标准支持每秒120,240或300帧,因此帧可以均匀地乘以常见帧速率,例如24 fps电影和30 fps视频,以及在300 fps显示的情况下25和50 fps视频。这些标准还支持原生在较高帧速率下的视频,以及在其原始帧之间具有内插帧的视频。一些现代电影正在试验帧速率高于24 fps,例如48和60 fps。

电子相机规格中的帧速率可以指每秒最大可能帧数,其中,在实践中,其他设置(例如曝光时间)可以将频率降低到较低数量。

电影:23.976fps

电视(PAL):25fps

电视(NTSC):29.97fps

CRT显示器:60Hz-85Hz

液晶显示器:60Hz-75Hz

3D显示器: 120Hz

既然刷新率越快越好,为什么还要强调没必要追求太高的刷新率呢?

其中原因是在显示‘分辨率’不变的情况下,FPS越高,则对显卡的处理能力要求越高。

电脑中所显示的画面,都是由显卡来进行输出的,因此屏幕上每个像素的填充都得由显卡来进行计算、输出。

当画面的分辨率是1024×768时,画面的刷新率要达到24帧/秒,那么显卡在一秒钟内需要处理的像素量就达到了“1024×768×24=18874368”。

如果要求画面的刷新率达到50帧/秒,则数据量一下子提升到了“1024×768×50=39321600”。

FPS与分辨率、显卡处理能力的关系如下:

处理能力=分辨率×刷新率。这也就是为什么在玩游戏时,分辨率设置得越大,画面就越不流畅的原因了。

刷新频率:即屏幕刷新的速度。

刷新频率越低,图像闪烁、停顿和抖动的就越厉害,眼睛疲劳得就越快。

采用70Hz以上的刷新频率时才能基本消除闪烁,显示器最好稳定工作在允许的最高频率下,一般是85Hz。

在显示器内部,有一些振荡电路。

人们通常所说的刷新频率,指的就是振荡电路的频率。

刷新频率的计算公式是:水平同步扫描线X帧频=刷新频率。

普通显示器的刷新频率在15.75kHz-95kHz间。

15.75kHz是人体对显示器最低要求的刷新频率,是由525(线)X30(fps)=15.75kHz计算所得。

由此,我们可以逆推出显示器扫描一条水平线所花的时间:众所周知,时间和频率是倒数关系,即1/频率=时间。

在这里,1/15.75kHz= 63.5us(微秒),也就是说在每帧525线、每秒30帧的模式下,显示器扫描一条水平线所花的时间是63.5微秒。

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