我們的肉眼每秒能夠捕捉多少畫面?

作者 | 發布日期 2017 年 02 月 02 日 8:24 | 分類 尖端科技 , 生物科技 , 穿戴式裝置 follow us in feedly

越來越多的玩家開始注意幀數的議題,像是每秒有幾幀、幀數是否穩定、掉幀的幅度有多大等等。然而比起遊戲幀數,我們也該關注肉眼對幀數的接受度。人類的肉眼每秒能夠捕捉多少畫面?肉眼與幀數之間有著什麼樣的關係呢?




 

某些玩家習慣將幀數顯示在畫面角落,掌握遊戲全程的幀數,一旦幀數出現任何異常,就開始感到焦慮,想要關掉占用資源的常駐程式,或是抱怨開發商沒有將遊戲最佳化。網路上有一派人認為60幀才是王道,另一派人覺得30幀就堪用了,大家對幀數都有自己的看法。

人類對幀數的感覺非常主觀,而且不怎麼精確。我們可以感知一定範圍內的幀數,卻無法憑肉眼算出精確的幀數。你該怎麼分辨 30Hz 與 60Hz 的畫面?你能夠區分 60Hz 與 120Hz 的不同嗎?你能夠觀察到多細微的幀數變化?遊戲幀數到底該設定為多少,才能夠達到最佳視覺效果?

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▲ 肉眼可以感知幀數,但是必須用程式才能算出正確幀數。

上面這些問題的答案不一而足,就算是專業的視覺學家或眼科醫師,也不見得可以提出一套公認的滿意答案。每個人的肉眼構造不同,視覺認知也不盡相同。眼前的景象是一回事,神經運作與大腦解析又是另外一回事。人類的視覺與感知能力既奇特且複雜,其運作原理還經常與我們的預期大相逕庭。

外界的影像藉由光線反射,投射在我們的視網膜上。這些影像會被解析成資訊,然後透過神經傳入大腦,大腦再以極快的速度處理這些資訊。一連串過程精巧絕倫,其原理足以寫滿好幾本書。

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▲ PS4 版的《最後生還者》提供 60FPS 與高畫質 30FPS 兩種顯示模式。

「你無法只經由一個細胞,或是一個神經元,來預測整個視覺系統的運作。」美國聖若瑟大學的心理學教授,研究領域為視覺系統的喬登.迪隆(Jordan DeLong)指出,「要感知一件單純的事物,像是一條線的寬度,或是兩條線的對齊程度,用一個神經元來處理就綽綽有餘。可是若要感知整個視覺影像,通常必須動用成千上萬的神經元。比起單一神經元,大腦可以對事物做出更具體的認知。」

某些人,如電競選手與球類運動選手,其視覺格外敏銳。「若你與玩家共事,就等於和眼力超群的怪咖打交道。」迪隆表示,「視覺的感知能力可藉由後天訓練獲得,動作遊戲就很適合用來訓練視覺。」

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▲ 電競選手的視覺比常人更靈敏。

「電子遊戲很特別,因為電子遊戲幾乎可以全方位鍛鍊視覺感官,包含了敏感性、注意力,以及物件追蹤能力。」主修認知科學的艾迪恩.蕭邦(Adrien Chopin)這麼表示。事實上,某些遊戲還被拿來做為視覺療法呢。

想深入了解肉眼與幀數的關係,就必須先認識頻閃頻率(Flicker Frequency)。大部分的人可以感知每秒 50 次至 60 次,也就是50Hz至60Hz的頻閃。一般人在注視 60Hz 的 LED 光源時,若試著搖晃光源,或是搖晃自己的腦袋,就可以察覺頻閃的影響:看見影像產生類似水波紋的晃動,以及程度不一的閃爍。

某些研究證實,部分戰鬥機駕駛員可以感知高達 250Hz 的頻閃。

▲每一盞燈的頻閃頻率不盡相同。

「想像一下,你眼前有一個持續閃動的光源。」印第安納大學的心理與大腦科學系的教授,湯瑪斯.波西(Thomas Busey)表示,「該光源先是發光一段時間,然後熄滅很長一段時間,如此周而復返,發光與熄滅的時間長度比約為 1  比10。如果該光源的頻閃頻率夠高,人們就會認為該光源持續發亮,而看不出有任何閃爍。」

我們可以用另一個例子來做說明:照相機以極快的快門拍下連續影像,再依序將影像照順序播放,每一張影像之間相隔一小段期間。如果影像間的相隔時間夠短,我們就會看到一段平順的影片,反之就是看到不甚協調的一連串影像,就像是在觀賞幻燈片。

 

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▲ 中心窩位於眼球底部,黃斑部的中央位置。

值得注意的是,坐在椅子上的視覺感受,與走在路上的視覺感受並不相同。「中央窩(Fovea,黃斑部的中央位置)位於視網膜的中心,該部位可以感知到最豐富的影像細節。」迪隆說,「但是中央窩並不適合拿來感知影像動態,理由是過多的資訊會干擾我們對動態的感受。如果你坐在椅子上,直盯著正前方的影像,就很難得到客觀的動態觀察結果。」

相較於眼睛正中央的中央窩,中央周邊的位置比較適合觀察影像動態。科學家做過實驗,將 60Hz 的影像投射在受測者中央窩以外的位置,許多受測者都指出影像有閃爍的現象。要避免影像閃爍,就得提升畫面更新率,當代VR裝置總是習慣將更新率向上調整,原因就在這裡(Oculus Rift為  90Hz,PSVR 為 120Hz,皆高於一般顯示器的 60Hz)。

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▲ PSVR 的畫面更新率為 120Hz,目的是避免影像閃爍。

所以囉,我們玩遊戲的時候(特別是 FPS),有必要考慮更多的因素。玩家進行遊戲時總是緊盯螢幕,接收豐富的視覺資訊,再根據這些資訊採取對應行動,利用滑鼠與鍵盤輸入指令,如此不斷循環。比起精緻的材質或逼真的渲染,流暢的畫面才是幫助玩家融入遊戲的關鍵。

玩家想要流暢的遊戲畫面,部分玩家追求更高的幀數,但是幀數應該設定為多少比較好呢?如同先前所言,「流暢」並沒有一個絕對的標準,但是我們仍然可以找出一個普遍能夠被接受的答案:30 幀至 60 幀之間。

「60 幀的視覺效果絕對高過 30 幀,這點無庸置疑。」波西說,「遊戲理論上可以將幀數持續往上加,但是這麼做並沒有任何實質意義。就算開發商將幀數設為 120 幀,甚至是 180 幀,其視覺感受並不會比 60 幀來得好。」

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▲ FPS 強調反應速度,所以玩家對幀數要求較高。

「我的一貫看法是,當幀數衝上 200 幀,畫面的動態就會十分接近現實世界的動態。」迪隆指出,「根據我的觀察,極少數的人可以察覺 90Hz 的畫面。幀數達人可能有辦法指出高幀數的差異。然而對大部分的人來說,紅酒再怎麼看仍舊是紅酒。」

蕭邦對遊戲幀數的看法與其他人截然不同。「根據文獻的資料,我們無法分辨高於 20Hz 的畫面。」蕭邦說。蕭邦的說法可能讓你把嘴裡的咖啡噴出來,可是他的解釋還挺有說服力的。

蕭邦認為,FPS的玩家不斷重複做兩件事:追蹤多重目標,以及偵測小物件的動態。根據研究結果,如果要對物件進行動態偵測,該物件的理想時間頻率應該是在 7Hz 至 13Hz 之間。如果超過這個範圍,玩家對物件的敏感度就會明顯下滑。

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▲ 拍攝影片得選擇解析度與幀數。

「當你想進行視覺搜索、進行多重視覺追蹤,或是只想單純推論出物件的動態方向時,由於你的大腦每秒只能處理 13 張連續畫面,所以平均起來,你只能在這幾張畫面內執行你的動作。」蕭邦這麼表示。

一份 2010  年的研究報告指出,根據腦電圖的感應資料,我們大腦的活動脈衝呈現穩定的13Hz,還有機會產生頻閃觀察效應(Wagon Wheel Effect,理應往前轉的車輪看起來卻在往後轉的視覺效果)。我們眼睛所看到的影像,在腦海中可能以相反的順序進行處理。簡單地說就是一句話:我們的大腦無法順利處理超過 13Hz 的視覺資訊。

「所有的研究都指出,一旦視覺資訊超過 20Hz,大腦對資訊的判讀將不會產生任何差異。我們可以將畫面設定為 24Hz,這是電影的業界標準,可是在我的眼中,這麼做沒有任何價值。」蕭邦說。

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▲ 頻閃觀察效應又叫做馬車輪效應,是一種視覺相關的奇特現象。

▲ 頻閃觀察效應的範例:輪子逆時針旋轉,內輪卻以順時針緩慢旋轉。

蕭邦以大腦的觀點來解釋幀數的影響,然而他並沒有說我們無法察覺 20Hz 與 60Hz 的差異。「我們可以看出影像的差異,但是這不代表高幀數有助於進行遊戲。」蕭邦強調,「24Hz 以上的畫面沒有實質幫助,只能提升我們的感官體驗。」也就是說,影像的「有效性」不等於「感受度」。

波西與迪隆等人同意高幀數有助於提升遊戲體驗,然而他們都不認為幀數代表遊戲的一切,蕭邦則是認為解析度比幀數重要得多。

「我們對時間的詮釋眾說紛紜,對空間的詮釋卻有近乎具體的共識。」蕭邦說。

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▲ 對一般人而言,60 幀就很堪用了,更高的幀數沒有實質意義。

迪隆不怎麼認同蕭邦的見解。他認為解析度的確有其重要性,卻只是視覺成像系統的小環節,只有眼晴正中央的位置(中央窩)才需要在意解析度。

「我所看過最精采的視覺體驗,是利用眼球追蹤技術達成的。」迪隆說,「既然要追求解析度,為何不將這份精力用在眼睛真正需要解析度的位置呢?」

迪隆認為畫面的重點應該是對比率。「一旦我們能夠看見真正的全白與全黑,眼前的光景想必會教人讚嘆不已。」迪隆說。

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▲《血源詛咒》無法衝上 60 幀乃一大遺憾。

看完上面的論述,可以發現大家對幀數的觀點莫衷一是,沒有一套客觀的正確答案。一般人的肉眼可以感知 50Hz~60Hz 的頻閃,較高的畫面更新率可以降低頻閃的影響。肉眼正中央的位置適合觀察影像細節,中央以外的位置適合感受影像動態。肉眼可以分辨畫面的幀數差異,然而這不代表幀數和反應時間有實質關聯性。

肉眼對幀數的感受十分主觀,其觀點見仁見智。就算專家學者用科學加以解釋,我們也不見得能夠接受他們的結論。我們玩家還是專心玩遊戲就好,別去爭論 30 幀與 60 幀的優劣了,追根究底的重責大任就交給專業的人去煩惱吧。

(本文由《T客邦》授權使用) 

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