Введение
Количество кадров, отрисованных в секунду. Частота кадров (обычно выражается как FPS) – это частота (скорость), с которой последовательные изображения (кадры) захватываются или отображаются. Это определение применимо к кино- и видеокамерам, компьютерной анимации и системам захвата движения. В этих контекстах частота кадров может использоваться как синоним частоты обновления, которые измеряются в герцах. Кроме того, в контексте производительности компьютерной графики, FPS – это скорость, с которой система, в особенности графический процессор (GPU), способна генерировать кадры, а частота обновления – это частота, с которой дисплей отображает готовые кадры. В характеристиках электронных камер частота кадров указывает на максимально возможную скорость захвата кадров, однако на практике другие настройки (например, выдержка) могут снизить фактическую частоту до значения, меньшего заявленной частоты кадров.
Frame rate (commonly expressed in or FPS) is typically the frequency (rate) at which consecutive images (frames) are captured or displayed. This definition applies to film and video cameras, computer animation, and motion capture systems. In these contexts, frame rate may be used interchangeably with and refresh rate, which are expressed in hertz. Additionally, in the context of computer graphics performance, FPS is the rate at which a system, particularly a GPU, is able to generate frames, and refresh rate is the frequency at which a display shows completed frames. In electronic camera specifications frame rate refers to the maximum possible rate frames could be captured, but in practice, other settings (such as exposure time) may reduce the actual frequency to a lower number than the frame rate.
Видение человека
Временная чувствительность и разрешение человеческого зрения варьируются в зависимости от типа и характеристик визуального стимула, а также различаются у разных людей. Человеческая зрительная система способна обрабатывать от 10 до 12 изображений в секунду и воспринимать их по отдельности, в то время как более высокие частоты воспринимаются как движение. Модулированный свет (например, изображение на компьютерном дисплее) воспринимается большинством участников исследований как стабильный при частоте выше 50 Гц. Это восприятие модулированного света как устойчивого известно как порог слияния мерцания. Однако, если модулированный свет неоднороден и содержит изображение, порог слияния мерцания может быть значительно выше – в сотнях герц. В отношении распознавания изображений, было установлено, что люди могут распознать конкретное изображение в непрерывной последовательности различных изображений, каждое из которых длится всего 13 миллисекунд. Явление сохранения зрительного образа иногда объясняет, что очень короткий, одномиллисекундный визуальный стимул может восприниматься как длительностью от 100 мс до 400 мс. Несколько очень коротких стимулов иногда воспринимаются как один, например, 10-миллисекундная зеленая вспышка, немедленно за которой следует 10-миллисекундная красная вспышка, воспринимаемая как одна желтая вспышка.
Немой фильм
В ранних немых фильмах частота кадров составляла от 16 до 24 кадров в секунду (fps), но поскольку камеры были с ручным приводом, частота часто менялась во время сцены, чтобы соответствовать настроению. Проекционисты также могли изменять частоту кадров в кинотеатре, регулируя реостат, контролирующий напряжение, подаваемое на механизм транспортировки пленки в проекторе. Фильмкомпании часто рассчитывали, что кинотеатры будут показывать их немые фильмы с более высокой частотой кадров, чем та, с которой они были сняты. Таких частот кадров было достаточно для создания ощущения движения, но оно воспринималось как прерывистое. Чтобы минимизировать воспринимаемое мерцание, проекторы использовали двойные и тройные затворы, благодаря чему каждый кадр отображался два или три раза, увеличивая частоту мерцания до 48 или 72 герц и снижая нагрузку на глаза. Томас Эдисон утверждал, что для восприятия движения глазом необходимо минимум 46 кадров в секунду: «Все, что меньше, будет напрягать глаза». В середине и конце 1920-х годов частота кадров для немых фильмов увеличилась до 20–26 кадров в секунду. С 1927 по 1930 год, по мере обновления оборудования различными студиями, частота 24 кадра в секунду стала стандартом для 35-мм звуковой пленки. Несмотря на низкую частоту обновления изображения, плавность достаточна для большинства объектов. Однако, когда персонажу требуется выполнить быстрое движение, обычно необходимо вернуться к анимации «на единицы», так как «на двойках» слишком медленно, чтобы адекватно передать движение. Комбинация этих двух техник обманывает глаз без излишних производственных затрат. Анимация для большинства «мультфильмов выходного дня» производилась максимально дешево и чаще всего снималась по «троикам» или даже «четверкам», то есть три или четыре кадра на рисунок. Это означает, что в секунду будет только 8 или 6 рисунков соответственно. Аниме также обычно рисуют втроем или вдвоем.
Современные видео стандарты
Из-за частоты сети электрических сетей аналоговое телевизионное вещание было разработано с частотой кадров 50 Гц (большая часть мира) или 60 Гц (Канада, США, Япония, Южная Корея). Частота электрической сети была чрезвычайно стабильной, поэтому её логично было использовать для синхронизации. Введение цветного телевидения потребовало снизить частоту 60 кадров в секунду на 0,1%, чтобы избежать "ползучей развёртки" – артефакта, проявляющегося на старых черно-белых дисплеях в виде искажений на насыщенных цветами поверхностях. Было установлено, что снижение частоты кадров на 0,1% минимизирует этот нежелательный эффект. По состоянию на 2021 год стандарты передачи видео в Северной Америке, Японии и Южной Корее по-прежнему основаны на 60 / 1.001 ≈ 59.94 кадрах в секунду. Обычно используются два размера изображения: 1920×1080 ("1080i/p") и 1280×720 ("720p"). Сбивает с толку то, что для разностных форматов обычно указывают половину частоты кадров (29,97/25 FPS) и удвоенную высоту изображения, однако эти значения условны; в каждом формате генерируется 60 кадров в секунду. Разрешение 1080i выдаёт 59,94 или 50 кадров 1920×540, каждый из которых при съёмке сжимается по высоте вдвое и затем растягивается до полного размера экрана при воспроизведении на телевизоре. Формат 720p выдаёт 59,94/50 или 29,97/25 кадров 1280×720p без сжатия, поэтому расширение или сжатие изображения не требуется. Эта путаница была широко распространена в индустрии на заре цифрового видео, и многие программы были написаны с ошибкой: разработчики полагали, что ожидается только 29,97 кадра в секунду, что было неверно. Хотя каждый элемент изображения опрашивался и передавался только 29,97 раза в секунду, местоположение пикселя непосредственно под ним опрашивалось через 1/60 секунды, являясь частью совершенно отдельного кадра для следующей 1/60 секунды. При родной частоте 24 кадра в секунду фильм нельзя было отобразить на видео 60 Гц без применения специального преобразования (pulldown), что часто приводило к эффекту "дергания" (judder). Для преобразования 24 кадров в секунду в 60 кадров в секунду каждый нечётный кадр повторяется дважды, а каждый чётный – утроится. Это создаёт неравномерное движение, напоминающее стробоскопическое. Другие преобразования используют аналогичное неравномерное удвоение кадров. Более новые видеостандарты поддерживают 120, 240 или 300 кадров в секунду, что позволяет равномерно семплировать кадры для стандартных частот кадров, таких как 24, 48 и 60 FPS для кино или 25, 30, 50 или 60 FPS для видео. Разумеется, эти более высокие частоты кадров также могут отображаться в своём родном режиме.
Спецификации электронных камер
В спецификациях электронных камер частота кадров указывает на максимальную скорость, с которой могут быть засняты кадры (например, при минимальном времени экспозиции). Однако на практике другие параметры, такие как время экспозиции, могут снизить фактическую частоту кадров до значения ниже заявленной.
Преобразование частоты кадров вверх
Преобразование частоты кадров вверх (FRC) — это процесс повышения временного разрешения видеопоследовательности путем синтеза одного или нескольких промежуточных кадров между двумя последовательными кадрами. Низкая частота кадров приводит к алиасингу, вызывает резкие артефакты движения и снижает качество видео. Следовательно, временное разрешение является важным фактором, влияющим на качество видео. Алгоритмы FRC широко применяются в различных областях, включая повышение визуального качества, сжатие видео и создание видео замедленной съемки.
Методы
Большинство методов FRC можно классифицировать как методы, основанные на оптическом потоке или ядрах, и методы, основанные на галлюцинации пикселей.
FRC на основе потоков
Методы, основанные на потоках, линейно комбинируют предсказанные оптические потоки между двумя входными кадрами для аппроксимации потоков от целевого промежуточного кадра к входным кадрам. Они также предлагают реверс потока (проекцию) для более точной деформации изображения. Более того, существуют алгоритмы, которые назначают различные веса перекрывающимся векторам потока в зависимости от глубины объектов в сцене, используя слой проекции потока.
FRC на основе галлюцинаций пикселей
Методы, основанные на галлюцинации пикселей, используют деформируемую свёртку в генераторе центрального кадра, заменяя оптические потоки векторами смещения. Существуют алгоритмы, которые также интерполируют промежуточные кадры с помощью деформируемой свёртки в пространстве признаков. Однако, поскольку эти методы напрямую галлюцинируют пиксели, в отличие от методов FRC, основанных на потоках, предсказанные кадры, как правило, получаются размытыми при наличии быстро движущихся объектов.