Ile herców rejestruje Twój wzrok? Pytanie stare jak... ekran

Jakiś czas temu na blogu opublikowaliśmy artykuł dotyczący komputerowych mitów, które – pokrótce – staraliśmy się obalić, potwierdzić lub – przynajmniej – w jakikolwiek sposób wypowiedzieć się na temat danego wierzenia, zabobonu, panującej opinii.

Jest jednak kilka bardzo mocno wałkowanych tematów dotyczących tematyki komputerowej i „okołokomputerowej”, którym należałoby się przyjrzeć bliżej.

Jednym z bardzo często (wręcz nieustannie) wałkowanych tematów w branży jest częstotliwość odświeżania ekranów, na które – bądź co bądź – musimy patrzeć podczas pracy z komputerem, czy oglądając telewizję, tudzież grając na konsolach. Stanowiska wobec możliwości dostrzegania więcej niż 30 klatek na sekundę na ekranie monitora są skrajnie podzielone.

Dyskusja o tym, czy wzrok człowieka może z powodzeniem przetwarzać obraz z ekranu w częstotliwości większej niż 30Hz z reguły – z nieznanych mi przyczyn – sprowadza się prawie zawsze do traktowania ludzkiego narządu wzroku jak urządzenia elektronicznego, którego projekt zakładał dostrzeganie płynności ruchu już przy 24 klatkach na sekundę.
Skąd w ogóle te magiczne 24 klatki? Otóż ludzkie oko jako płynny dostrzega właśnie obraz z taką częstotliwością odświeżania. Poniżej tej wartości będziemy widzieli coś na wzór pokazu slajdów.
Teoretycznie – im więcej tym lepiej... Jednak przez wiele dziesięcioleci filmy kręcono właśnie w 24Hz. Pamiętajmy, że w czasach, gdy nie istniał zapis cyfrowy, a taśma filmowa nie należała do tanich materiałów, w jakiś sposób trzeba było ograniczyć jej zużycie. 24Hz w filmie to – ni mniej, ni więcej – dawna forma kompresji danych. Dziś to dalej standard kręcenia filmów. Czemu? Podobno, według filmowców z Hollywood, efekty zbliżenia w filmach, wyświetlane z większą częstotliwością, mogą... wywoływać takie efekty jak zawroty głowy, mdłości etc.

Początkowo moim pomysłem było, by pytanie „jak to jest z tymi hercami?” zadać specjaliście zajmującemu się biologią oka. W poszukiwaniu kogoś, kto chciałby się podjąć tego tematu, trafiłem na osobę, która powiedziała mi prosto: „podam Ci kontakt do specjalistki od działania i możliwości przetwarzania danych przez ludzki mózg – to z nią musisz porozmawiać”. Tak oto otrzymałem kontakt do mgr Małgorzaty Osowieckiej – ambitnej doktorantki, laureatki Studenckiego Nobla na sopockim Wydziale Szkoły Wyższej Psychologii Społecznej. O zdobytych przez panią Małgorzatę nagrodach w trakcie jej rozwoju naukowego, możecie przeczytać tu.

Więc jak to jest z tymi hercami na ekranie? Gdzie jest granica możliwości naszej percepcji? 30, 60... a może jeszcze więcej klatek na sekundę? Być może poniższy wywiad przyniesie na to jakąś odpowiedź.

P: Jeśli mówimy o odbiorze obrazu przez mózg, to – logicznie rzecz biorąc – ów obraz musi przejść do mózgu przez nasze oko. Zacznijmy może właśnie od tego: jak – w uproszczeniu, bo przecież nie jesteś okulistą – wygląda komunikacja na drodze oko-mózg?

M: Jakikolwiek obiekt postrzegany przez Ciebie, najpierw – co oczywiste – odbierany jest przez Twoją siatkówkę. Co ważne – a wynika to z budowy samego oka – początkowo obraz jaki widzimy jest odwrócony – do góry nogami. Nasz mózg w pierwszych dniach życia uczy się ten obraz odczytywać poprawnie. Wbrew pozorom obraz jaki odbierasz w swojej głowie, musi wpierw przejść bardzo długą drogę i być odpowiednio przetworzony. Oczywiście, Twój mózg ma pewną granicę możliwości przetwarzania.

P: To już? Już dochodzimy do granicy? Jeszcze pewnie wyrazisz ją w hercach?

M: Tak. Mózg może przetworzyć do trzystu klatek na sekundę. Maksymalnie. Najczęstszą granicą naszych możliwości to dwieście klatek na sekundę. Niektóre, wybrane jednostki, widzą trochę więcej, ale te „widełki” to maksimum. Podobno były przeprowadzane badania na pilotach – ale nie mogłam ustalić źródła – które potwierdzają, że to najczęściej właśnie oni mogą dostrzec większą płynność ruchu na ekranie. Ty i ja prawdopodobnie zobaczymy – a raczej przetworzymy – do dwustu klatek na sekundę.

P: Czyli mit o tym, że nie zobaczymy więcej niż trzydzieści klatek na sekundę to brednia?

M: Oczywiście, nie ma ku temu żadnych logicznych ani fizjologicznych przeciwskazań.

P: Ale płynność zobaczymy przy około dwudziestu czterech klatkach, tak?

M: Tak. Ale tylko dlatego, że jesteś do tego przyzwyczajony. Jeśli całe życie patrzyłeś na filmy nagrane w dwudziestu czterech czy trzydziestu klatkach na sekundę, to – owszem – będzie to dla Ciebie płynny obraz. Ale idź do kina i zobacz sobie Hobbita w czterdziestu ośmiu, a potem usiądź do zwykłego telewizora. To już nie będzie to samo, zaczniesz zauważać brak płynności w filmie oglądanym w domu.
Co ważne: im mniej klatek na sekundę, tym bardziej męczy się wzrok. Patrząc na obraz powyżej siedemdziesięciu klatek na sekundę, praktycznie przestajemy męczyć się patrząc. Twój wzrok najbardziej męczy się przy ruchu szarpanym. Dlatego też wiele osób narzeka na jarzeniówki i wszelkie te nowe wynalazki oświetleniowe. W żarówkach starego typu żarnik po prostu się świeci – ciągle. W nowych typach oświetleń światło emitowane jest z pewną częstotliwością, co w dłuższej perspektywie męczy i – jakby nie patrzeć – niszczy Twój wzrok. Obraz z ekranu monitora to – pamiętaj – też jest światło. Im wolniej „miga”, tym gorzej.
Twój mózg w dodatku przy niższej płynności – na przykład dziesięciu herców – potrafi sam... nazwijmy to „dorabiać” brakujące klatki, kompensować sobie te straty płynności. To „dorabianie” męczy. Ale nie Twoje oczy, tylko Twój mózg właśnie.

P: A co powiesz na to, że wiele osób skarży się, że obraz z ekranu wyświetlany w wysokiej częstotliwości wydaje się być dla nich nienaturalny? Mówią o braku rozmycia, które – w rzeczywistości – występuje gdy coś szybko się porusza.

M: Bezsprzecznie, zawsze uderzy Cię coś, co realnie występuje, a na ekranie nie. I ten brak rozmycia, to jeszcze nie tak duży problem, jak sama specyfika płaskiego ekranu... Sama jego płaskość jest tylko z pozoru trafionym pomysłem. Pewnie wiesz o tym więcej niż ja, ale zakrzywione ekrany to naprawdę dobry pomysł. W Polsce są jeszcze mało popularne, ale miałam okazję oglądać filmy na takim wynalazku w Holandii. Tak naprawdę „omiatasz” wzrokiem obszar praktycznie stu osiemdziesięciu stopni i do odbioru takiego obrazu jesteś najbardziej przyzwyczajony. Oczywiście, ogniskujesz wzrok tylko w pewnym punkcie, ale zawsze widzisz i rejestrujesz ruch i rzeczywistość poza tym punktem, na którym jesteś skupiony. Odbiór obrazu z płaskiego ekranu jest dla nas straszliwie nienaturalny. Ale nawet najbardziej „zaokrąglony” ekran, pozwalający obserwować obszar zbliżony do tego, jaki widzimy na co dzień, może okazać się jeszcze bardziej nienaturalny... Brzmi jak absurd, ale to prawda.

{loadposition fb-like-it}

P: Trochę się gubię... I nie rozumiem... To jakby sprzeczność logiczna. Bardziej naturalne ale dalej gorsze?

M: Masahiro Mori. Japoński inżynier, który konstruował roboty, opisał kiedyś takie zjawisko, jak „dolina niesamowitości”. Badał on reakcje emocjonalne ludzi na swoje konstrukcje, a dokładniej na wygląd zewnętrzny swoich robotów. Okazało się, że reakcje były przewidywalne tylko na początku. Paradoksalnie, im robot był mniej podobny do człowieka, tym wydawał się być... milszy. Okazało się, że roboty różniące się od człowieka tylko drobnymi szczegółami, budzą niechęć. Od pewnej granicy, im bardziej podobne były do ludzi, tym niechęć była większa, (wręcz wpadała w poczucie strachu).
Właśnie ten nagły spadek na wykresie komfortu psychicznego badanego, Masahiro Mori nazwał „doliną niesamowitości”.

Źródło: wikipedia

P: I sądzisz, że dla wielu osób obraz z ekranów prawie idealnie odwzorowujących rzeczywistość może być niekomfortowy?

M: Tak, sądzę, że te osoby, które mówią, że obraz w sześćdziesięciu klatkach jest dla nich „dziwny” właśnie wpadają w tą „dolinę”. Fikcja miesza się u nich z rzeczywistością, powodując poczucie dyskomfortu.

P: A co z tymi jednostkami, które utrzymują, że za nic nie odróżniają trzydziestu klatek na sekundę od sześćdziesięciu? Zaznaczę, że odkąd YouTube wprowadził filmy w sześćdziesięciu klatkach jest ich znacznie mniej...

M: Nie jest to możliwe, by tej różnicy nie widzieć. Ktoś może nieuważnie patrzeć, czy wręcz udawać. Nie jest możliwe, by nie widzieć tak znaczącej różnicy, trzeba czasami tylko skupić się na tym na co się patrzy. Z tego co wiem, nie da się nawet posiadać takiej wady wzroku, która powodowałaby niedostrzeganie płynności. Pomijamy przypadki praktycznie ślepych ludzi czy jaskry... To się widzi, mózg musi to rejestrować. Różnica jest oczywista i zawsze ją widać. Jeśli ktoś twierdzi inaczej, to usiądź z nim i mu pokaż. Zobaczy.
Nasz wzrok i mózg odbiera praktycznie każdą różnicę – nawet pięć herców.
Z tego co wiem, te dwadzieścia cztery klatki wzięły się ze starych telewizorów.

P: A co sądzisz o takim wynalazku, którego istnienia pewnie nie znasz – czyli, w uproszczeniu, łączeniu kilku monitorów w jeden? Nowe karty graficznej dwóch wiodących firm: AMD i Nvidii, posiadają dziś funkcje wyświetlania obrazu – na przykład z gier – na wielu monitorach, poszerzając perspektywę i zakres widzenia użytkownika. Problemem są oczywiście ramki monitora...
Rozumiesz w czym rzecz?

źródło: geeks3d.com

M: Nie wiedziałam, że coś takiego istnieje, ale domyślam się o co chodzi i wiem, co masz na myśli. Widzimy więcej na wielu monitorach, ale nie jest to po prostu „rozmazany” po nich obraz, tylko rozszerzenie perspektywy mówisz? I martwisz się o ramki – czy nie będą sztucznie wyglądać i psuć efektu...

P: Dokładnie tak.

M: To się nie martw. Mózg umie Cię oszukać lepiej, niż sądzisz. W sumie... to złe określenie. Potrafi oszukać sam siebie. Te ramki znikną. Wystarczy jakiś czas posiedzieć przed takim obrazem i obszar mózgu odpowiedzialny za filtrowanie treści dochodzących z oka pominie te ramki, tak, jakby ich tam w ogóle nie było. Tak samo, jak potrafi odwrócić obraz z siatkówki. Umie jeszcze wiele ciekawych sztuczek, trudniejszych od pominięcia ramek w monitorach. Mózg pomija, dodaje, filtruje co trzeba. A czasem to, czego nie trzeba...

M: Podsumujmy: albo stworzymy w końcu urządzenie do wyświetlania obrazu idealnie odwzorowujące rzeczywistość, albo – im bliższy ideału będzie nasz monitor – może on być nienaturalny i dziwny?

M: Dokładnie, to jest to. W tym przypadku im bliżej, tym często gorzej.

Cóż, wywiad nie poszedł do końca tak, jak sobie to zaplanowałem: chciałem prostej odpowiedzi naukowca na to, od i do jakiego momentu nasz mózg rejestruje różnice w płynności obrazu.

Wywiad jednak „popłynął” i okazało się, że trafiłem na osobę, która zagłębiła się w problem dużo głębiej niż planowałem. Okazuje się, że najbardziej zaawansowany superkomputer na ziemi, czyli ludzki mózg, nie tylko widzi płynność daleko, daleko poza „umownymi” 60Hz, ale wyłapuje tak subtelne różnice jak 5Hz. Owa „dolina niesamowitości” okazała się kluczem do rozwiązania zagadki sporej ilości malkontentów narzekających na „dziwność” wysokich częstotliwości odświeżania obrazu na monitorze.

Przyznam także, że zakrzywione ekrany traktowałem dotąd jako drogi bajer technologiczny, który przyozdobi tylko salony bogaczy (naprawdę nie są to tanie wynalazki). Okazuje się jednak, że taki kształt ekranu jest jak najbardziej uzasadniony, z czysto biologicznych przyczyn.

Czy jednak moją intencją jest, byś po przeczytaniu tego artykułu wygrzebywał wszystkie oszczędności i zaskórniaki i leciał kupić monitor o częstotliwości odświeżania 144Hz? Niekoniecznie. A nawet wcale nie. Nie bez powodu, monitory takie są (jeszcze) bardzo drogie, zaś samo uzyskanie takiej płynności ruchu na ekranie okupione jest często choćby jakością barw.

Osobiście – jako osoba, która od dłuższego czasu nie gra już nagminne w gry komputerowe – nad superpłynność obrazu stawiałbym lepsze odwzorowanie barw na matrycach typu IPS.

Sam zaś artykuł i wywiad miały za zadanie potwierdzić lub zaprzeczyć obiegowej, wręcz „podwórkowej” opinii, że nie dostrzegamy płynności ponad tą, jaką zapewniały nam ekrany starych, kineskopowych telewizorów. Dlatego tym bardziej śmiesznie w tym kontekście czyta się słowa Nicolasa Guérina z Ubisoft Studios, który stwierdził: "W Ubisofcie przed długi czas chcieliśmy osiągnąć 60 FPS. Moim zdaniem nie był to dobry pomysł, ponieważ 60 FPS nie daje zbyt wiele i nie wygląda zbyt realistycznie. Myślę, że razem z innymi firmami z branży gier komputerowych porzucimy ten standard (60 FPS), ponieważ jest trudny do osiągnięcia."¹

Być może jednym z powodów, dla których praktycznie przestałem grać, jest to, że producenci gier komputerowych próbują coraz mocniej robić z konsumenta idiotę? Całkiem możliwe.

Moja rozmówczyni potwierdziła to, czego spodziewałem się od momentu, w którym miałem okazję bawić się urządzeniem znanym jako Oculus Rift – czyli: prawdopodobnie żadna technologia, która sprowadza się do wyświetlania obrazu na płaskiej powierzchni, niezależnie od tego w jakiej formie, nigdy nie da nam w pełni „zanurzyć” się w wirtualnym świecie, czy nawet zwykłym filmie. Dopiero urządzenia o wiele mocniej wchodzące w interakcje z naszym wzrokiem mogą unaturalnić nam odbiór multimediów. Pozostaje jednak kwestia „doliny niesamowitości”: czy kiedykolwiek będzie to obraz tak bardzo naturalny, że damy się oszukać, czy tak bardzo prawie idealny, że nas odrzuci?

Autor: Patryk Cichocki

1) http://www.techradar.com/news/gaming/viva-la-resoluci-n-assassin-s-creed-dev-thinks-industry-is-dropping-60-fps-standard-1268241