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            真實世界的幀率是多少?

             

            普朗克時間,5.39116*10^(-44)秒,是時間量子的最小單元。就是說,根據現有物理理論,在短于這個時間內發生的事情,我們無論如何不可能測得。

            它的倒數即是真實世界的幀率:

            1.85489*10^(+43) fps

            注:很多回答說的并不是“世界的真實幀率”,而是“人眼對世界的感知的真實幀率”,而且并不嚴謹。前者是個理論物理問題,后者是個神經科學問題,關于后者有興趣可以關注下黃鐵軍教授的工作。

             

            答題前先審題。許多人都沒有看提問的具體內容,就發表各種觀點是不對的。

            題目:真實世界的幀率是多少?

            內容:突然有一個腦洞,我們知道大腦通過補間動畫的形式創造出出一種世界的連續性。眼睛的采樣頻率也不是無限高。那么實際上世界如果是一個虛擬現實般的異世界,最少需要多高的幀率才能讓我們真的感到真實呢?或者再進一步,需要滿足多少種感官的最低感受性才能真的讓我們感覺身臨其境呢?


            由于是開發游戲的,我之前也反復想過這個問題。

            如果時間是連續的,那么幀率也是連續的,也就是無限。

            這變成了一個哲學問題,討論這個沒有任何意義。

            那么我們引申出另外一個問題:需要多高的幀率才能讓我們真的感到真實呢?

            前幾天上午體檢由于抽血項目較多,導致我暈倒了。暈倒之前出現了眼冒金星的特征。

            為什么人在低血壓或者能量不夠的時候會眼冒金星?

            眼冒金星看起來像是低分辨率光線追蹤的采樣噪點,這時是否是由于人腦會自動降低分辨率,和刷新速度,以維持生命體征?


            我一直以為人眼的分辨率并不高,而是由于超快速刷新率和身體不停的運動,產生了連續的動態畫面,所以看到的物體是清晰的。

            到底人眼看到的圖像是分辨率低刷新率高?

            還是人看到的圖像到底是還是分辨率高刷新率低?

            人所感知的分辨率和刷新率的是如何平衡的?

            在人的生物硬件是固定的情況下,人眼的分辨率和刷新率上線到底是多少?


            熱愛和觀察生活,可以讓我們發現很多有意思的東西。當你覺得一個問題或者想法很有趣味性時,你的思路肯定是連貫的,回答也是生動的。而不是為了表現自己的專業性而回答,去枯燥的尋找論文,當然網上也有專職寫手回答這種問題的。

            通過觀察和學習,我們能在新的領域找到新的知識應用到我們的日常工作中。


            The First Half Second: The Microgenesis and Temporal Dynamics of Unconscious and Conscious Visual Processes (The MIT Press)

            Art and Visual Perception

            通過查找資料(見下面的reference和視頻),并沒有發現人類感知幀率上限(回答),它是一個復雜的分析系統,由畫面輸入和視覺細胞感知傳輸和人腦信息處理所構成。

            大部分人會認為人眼每秒能看到30到60幀。

            有些人堅持認為人眼不可能感知超過每秒60幀的圖像。


            現在的游戲開發商正在制作越來越精致的游戲,包括虛擬現實游戲。

            它們單純為了追求更高的幀率,這犧牲了一些游戲品質。卻沒有或很少真的對幀率和感知方面進行研究。

            你的游戲類型是什么,運行在什么終端和操作系統,它們對于幀率的要求都是不一樣的。

            我們實際上看到的東西可能比我們意識到的要多,我們的大腦會不自覺的忽略掉一些自認為不重要的信息。感受到的采樣率也是不斷變化的。

            這包括靜態物體和動態物體的區別。

            那么我們的大腦是如何處理現實的呢?


            根據問題標題來回答:

            世界真實幀率:我覺得是無限細分的,普朗克時間可能是現有推測。

            根據問題描述來回答:

            我覺得描述人類可感知的極限幀率是一個非常貼切的視角。如果要表現虛擬世界的身臨其境感覺,不僅是幀率方面,五感方面的感知要同時滿足,而且你感受到的內容要完全合理,或者是讓你覺得合理

            電影《安德的游戲》中的場景和FUI效果是我覺得在交互方面做的比較好的之一。

            Enders Game Motion Graphics Rehttps://www.zhihu.com/video/1413561110214074368


            回到視覺感知方面。

            首先,重要的是要記住你一開始是如何看到圖像的。

            光線穿過你眼睛前面的角膜,直到它到達晶狀體。

            然后,晶狀體將光線聚焦在眼睛最后面一個叫做視網膜的地方。

            然后,位于眼睛后部的感光細胞將光線轉化為電信號,而被稱為視桿細胞和視錐細胞的細胞則在運動中接收光線。

            視神經將電信號傳送到大腦,大腦將電信號轉換成圖像。


            當你在看真實的球場觀看一場棒球比賽,或者你盯著一個在你的人行道上騎自行車的孩子時,你的眼睛——和你的大腦——正在把視覺輸入作為一個連續的信息流來處理。也就是在人類有限的感知下感受到的無限幀率。


            但如果你在電視上看電影,在電腦上看YouTube視頻,甚至玩電子游戲,就有點不同了。

            我們相當習慣觀看以每秒24到30幀的速度播放的視頻或節目。

            用膠片拍攝的電影是以每秒24幀的速度拍攝的。

            這意味著每秒鐘有24個圖像閃過你的眼睛,它叫“視覺暫留”,人眼會自動對兩幀之間的畫面進行腦補。


            讓我們來看一個關于《動態的錯視》的介紹視頻

            https://www.zhihu.com/video/1413572266903441408

            現在人們通過AI程序,可以自動對低幀率或者快速的視頻進行自動升格處理,最終獲得數百幀的慢動作視頻。

            https://www.zhihu.com/video/1413572419386376194

            當你使用電腦或者電視玩游戲的時候,它會帶來更快的60hz以上的刷新率。

            當你使用一個刷新率為60hz的電腦顯示器時,你的大腦處理來自顯示器的光作為一個穩定的流,而不是一系列不斷閃爍的光。頻率越高通常意味著閃爍越少。

            一部分人認為,大多數人檢測閃爍的最大頻率在50到90hz之間,或者說,一個人每秒最多能看到60幀。超過這個速度,人眼就無法察覺。

            https://www.zhihu.com/video/1413572530657947648

            你可能會想,如果你在觀看一些幀率非常高的內容會發生什么。你真的看到了那些閃過的畫面嗎?

            畢竟,你的眼睛不會以每秒30幅圖像的速度移動。

            簡而言之,你可能無法有意識地注意到這些畫面,但你的眼睛和大腦可能會意識到它們。

            以60幀每秒為例,這是許多人可以接受的最高限制。



            一些研究表明,你的大腦實際上可能能夠在比專家認為的更短的時間內識別你看到的圖像。

            例如,2014年麻省理工學院的一項研究的作者們發現,大腦處理眼睛看到的圖像的時間只有13毫秒,這是一個非常快的處理速度。與早期研究中公認的100毫秒相比,這尤其快。13毫秒轉換成大約75幀每秒。

            眼科醫生可以通過高速電影技術檢查眼球內部的運動,即眼內運動,從而了解更多關于眼睛運行速度的信息。

            如今,智能手機甚至可以通過拍攝高幀率慢動作視頻捕捉到這些細微的動作。這項技術可以讓手機在更短的時間內記錄更多的圖像。

            https://www.zhihu.com/video/1413572846375776256

            隨著技術的發展,專家們可能會繼續開發新的方法來判斷眼睛能看到什么。

            你的眼睛和大腦正在做大量的工作來處理圖像,比你可能意識到的還要多。

            你可能不會去想你的眼睛每秒能看到多少幀,但是你的大腦正在使用所有的視覺線索來幫助你做決定。

            每秒24幀的速度是指你不再能夠看到抖動的速度,這也是為什么電影使用這個幀速率的原因;但這需要運動模糊才能完全有效(否則你會看到幀的變化)。

            每秒50幀是閃爍融合速率,即中斷幀的閃爍消失,圖像看起來是堅實和連續的幀速率。這就是為什么50赫茲顯示器看起來不錯。

            在電影院放映的電影中,如果它們以24 fps的速度實際顯示,你會看到閃爍非常糟糕(屏幕變黑,而投影機推進幀)。

            然而,電影放映機有一個“光中斷器”,它為每一幀增加一個額外的閃爍:畫面只顯示一次,然后是黑色的,然后是同一幀,然后是黑色的。

            這需要一個24 fps的電影,并顯示它為48圖像閃爍,這就是為什么你沒有看到閃爍在電影院。

            70 fps開始達到這樣的程度:你真的看不到任何幀的變化或閃爍,甚至在你的眼角(外圍比眼睛的中心更閃爍敏感)。

            Left 60 Hz | Right 30 Hz Pattehttps://www.zhihu.com/video/1413600378134519808

            前幾年我在和工作室同事開發VR游戲的時候,普遍的規則是必須達到90幀以上,才會讓玩家減少3D眩暈的感覺。又由于VR游戲中兩個眼睛看到的畫面不同,所以帶來了很高的硬件門檻。


            你可能聽人說過,動物的視力比人類好。事實證明,事實并非如此——人類的視覺敏銳度實際上比許多動物都要好,尤其是小動物。

            所以,你不需要假設你的家貓實際上每秒看到的幀數比你多。事實上,你可能比你的貓、狗或金魚看得更清楚。

            然而,有一些動物的視力甚至比我們的還要好。這包括一些猛禽,它們每秒能看140幀。


            人對于視頻圖像的幀率感知能力也是潛移默化逐漸的被訓練出來的。

            之前大家肯定都看過很多的GIF圖片和flash動畫,這些動態圖像大多都只有十幾幀的播放速度,但是大家并沒有覺得很卡。

            電腦游戲玩家擁有最好的眼睛,這是因為視覺感知的訓練結果,競技類游戲尤其擅長訓練視覺。

            近幾年的電競顯示器或手機已經可以支持144hz高幀率模式,確實是帶來了更順滑的感覺。

            如果你聽說過關于戰斗機飛行員的研究,其中他們展示了一種感知屏幕上1/250秒閃過的圖像的能力。


            隨著科學家們繼續探索,我們可能會了解更多關于我們的眼睛和大腦能夠看到和理解的東西。

            我喜歡從感知方面去理解這個問題,因為無論外界如何變化,都會由于各個獨立的人的感知不同,帶來不同的感覺。


            人類視覺系統的時間整合通常遵循布洛赫定律(Bloch,1885),根據布洛赫定律,其他相同的視覺刺激的可檢測性只取決于它們的能量,即亮度和持續時間的乘積。

            例如,亮度為80 cd/m2、亮度為30 ms 的閃光燈與亮度為40 cd/m2、亮度為60 ms 的閃光燈同樣能被檢測到。這表明,時間積分可以很容易地用能量總和來描述。

            在持續時間小于100ms的閃光中,強度和持續時間之間存在權衡。

            當你的眼前出現一納秒的非常明亮的光 然后 再次出現十分之一秒的昏暗光,給人的感覺是一樣的。這個范圍的上限通常稱為臨界持續時間。

            一般來說,人們無法在非高度幾種的情況下,在十分之一秒的持續時間內清晰的區分短、亮和長、暗的刺激。

            另外單從圖像識別上來看,人類可以感知3微妙的閃光信息就能夠辨別出物體的形狀。


            Bloch,1885

            https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4129388/

            這有點像在相機快門速度和光圈的關系: 通過讓大量的光在大光圈和設置短的快門速度你的照片將會同樣采取良好的曝光,讓少量的光與狹窄的孔徑和設置一個長快門速度。

            但是,雖然我們很難分辨小于10毫秒的閃光強度,但我們可以感知到令人難以置信的快速運動殘影。


            布洛赫定律描述的是簡單的能量求和,而在特征融合中發現了復雜的時間動力學。

            在特征融合中,刺激物在同一視網膜位置快速連續呈現。

            由于刺激持續時間較短,觀察者看不到單個元素,只能看到一個融合對象。

            如果一個紅色圓盤緊接著一個綠色圓盤,那么顏色熔絲和兩個圓盤就被認為是一個黃色圓盤。

            此外,當游標之后緊跟著相應的反游標,即偏移方向相反的游標時,觀察者只能感知到一個熔融游標。感知到的這種融合游標的偏移量是游標和反游標偏移量的組合。

            可以通過改變游標或反游標的偏移量來改變融合游標的感知偏移量。

            例如,通過增加游標的偏移量,可以更經常地根據游標的偏移方向感知到融合游標的偏移量。

            熔融游標偏移量似乎較小,因為游標和反游標有相反的偏移方向,這在一定程度上相互抵消。另外,當一個以上的游標和反游標序列出現時,觀察者只能看到一個熔融游標。


            (a)當一個游標和一個反游標(具有相反偏移方向的游標)迅速相繼出現時,觀察員看不到單個的游標,只看到一個融合的游標。(b)游標、反游標和第二游標的順序也是如此。感知的融合游標偏移量取決于亮度,持續時間,偏移量大小,以及時間順序的單個元素。

            這種特異性與我們感知不同類型運動的方式有關。

            如果你坐著不動,看著前面的東西動來動去,這與你走路時看到的景象是非常不同的信號。


            人的視覺中心部分,在檢測運動時實際上是非常差的,所以如果你看著屏幕中間的東西移動,刷新率是多少并不是什么大問題。

            但在我們視覺重心的外圍,我們能很好地察覺到運動。

            這玩意好像和人類進化的注意力有關。


            以游戲為例。

            當玩家注意力集中在屏幕中央時,屏幕其他部分充滿了玩家的周邊視覺,并以60赫茲或更多的頻率更新時。

            許多人會說,在玩CS的時候他們有一種強烈的身體移動的感覺。(以前玩CS的時候會出現這種感覺)

            這就是為什么VR頭盔可以在周邊視覺中運行,更新速度如此之快(90hz)的部分原因。


            當然,職業玩家可能能分辨出細微的差別,但對我們其他人來說,這就像紅酒就是紅酒一樣。

            當玩家在玩第一人稱射擊游戲時,我們不斷地控制鼠標移動和視覺之間的關系,我們在三維空間中導航和移動,我們也在搜索和跟蹤敵人。


            因此,我們不斷地通過視覺信息更新我們對游戲世界的理解。

            流暢、快速、令人耳目一新的圖像的好處在于我們對大規模運動的感知,而不是對細節的感知。


            另外一項研究發現,我們在FPS游戲中尋找并將元素歸類為目標時,我們是在追蹤多個目標,并檢測小物體的運動。例如,如果你對小物體進行運動檢測,你能檢測到的物體的最佳時間頻率是多少?

            答案是在7 - 13hz之間。在那之后,我們對運動的敏感度顯著下降。

            當你想做視覺搜索,或多重視覺跟蹤,或只是解釋運動方向時,你的大腦會在一秒鐘內連續播放13張圖像,所以你會將中間的其他圖像平均成一張圖像。

            Example of Active aim in Counthttps://www.zhihu.com/video/1413622279649939456Example of Reactive aim in Couhttps://www.zhihu.com/video/1413622345383141376

            法國國家科學研究中心,認知科學研究員Rufin vanRullen 在 2010年發現,這確實發生在我們的大腦中。你可以看到一個穩定的活動在人腦右頂葉區域一個腦電圖中的13赫茲脈沖。

            這證明在游戲中我們能夠感知幀率的差異并不一定意味著感知會影響我們的反應時間。


            http://docplayer.net/64614964-Julien-dubois-perceiving-the-world-under-the-strobe-of-attention-psychophysical-and-electroencephalographical-investigations.html

            視覺頻率對于畫面運動影響是有極限的,但是超越這個極限只會讓你覺得舒服,而不會讓畫面完全達到真實感。

            分辨率要重要得多,但只對我們眼睛關注的中央小區域非常重要,它只包含你視覺中心的幾度范圍之內。所以我們只需要根據我們眼睛的視覺中心做更加高清的分辨率就好了。

            對此我們得到結論:視覺中心的分辨率和清晰度最重要,視覺邊緣的運動幀率最重要。

            電子游戲和人眼不一樣,電子游戲渲染到屏幕上的中心點,不一定是人眼的視覺中心,人眼依舊會往不同的屏幕區域看。所以不要盲目的開啟或濫用屏幕后處理效果,比如motionblur和自動曝光。


            人們感知到的畫面內容合理性非常重要,這是你從出生以來刻畫到腦中的經驗模型。

            就像做夢一樣,大腦自動生成的真實感畫面,由于呈現內容的不合理,會讓你覺得不真實和跳脫,你自己就會覺得是夢境。


            不同人由于感光細胞差異對于同一畫面的感受不同,世界上沒有任何兩個人看到的畫面是相同的。


            What Colors Are This Dress? Blue And Black Or White And Gold?!

            對于游戲來說,幀率是一個老生常談的問題。

            目前開發游戲的過程中,由于大量3D渲染和數據處理,往往會選擇性價比最高的分辨率和刷新率來讓玩家在硬件設備可以支撐的條件下有一個相對于流暢的體驗。

            如果在硬件可承受的范圍之內,肯定要保證畫面質量和刷新率達到一個平衡。

            通過本文內容,我們大概對于人對于連續運動畫面的感知有了一定的了解,我們知道了人類感知幀率的調節是復雜,且多變的。

            那么說到優化幀率,我們就要輸入大量的信息輸入,用來定制化的對性能進行優化。

            當我們試圖通過出錯誤的萬金油方式進行性能優化,那么這個方向很可能就是錯誤的。

            有可能花費大量人力,卻沒什么作用,或者是畫面被削弱的非常明顯,這都是不恰當的。


            埃隆馬斯克接受記者采訪時說過:許多時候,一群聰明的人大量浪費時間在完成一個愚蠢的決定。

            所以我們寧可把決定梳理清除,也不要盲目的進行開發。


            比如你玩手機游戲,玩了一會發燙降頻了,分辨率和幀率同時降低,自動切換到低畫質。這就像我抽血暈倒的那樣。這個降頻過程還是挺真實的。




            相關視頻資料:

             

            令人眼冒金星的昆視現象 Entoptic Phenomenon:

             

            還有一種說法是由:謝瑞爾氏現象(Scheerer's phenomenon)引起的。


            參考資料:
            幀率wiki
            知乎:人眼是否存在「視覺頻率極限」?
            How Many Frames Per Second Can the Human Eye See? BY: Ann Marie Griff
            How many frames per second can the human eye really see? BY: ALEX WILTSHIRE
            Entoptic Phenomenon Notes BY:Ophthalmology Notes

             

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