Мой блог

Разберёмся с кадрами в секунду

На втором курсе университета на лекции по информационным технологиям Валерий Евгеньевич рассказывал о методах передачи информации. Вот отрывок из конспекта:

Динамический видеоряд включает три группы:
1) Обычное видео — просто пролистывающиеся фото и картинки, 24 FPS
2) Квази-видео, от 6 до 16 FPS
3) Анимация

Квази-видео? 16 кадров в секунду? Нам начали рассказывать о том, что 25 кадр воздействует на мозг и эффективно используется в рекламе. На все возражения о том, что количество кадров в секунду никак не может влиять на человека был один ответ — мол, я преподаватель и я даже спорить с вами не буду. Я знаю, что прав и всё.

Плохо, когда такое преподают в университетах, ещё хуже, если кто-то считает это правдой. В этой заметке я постараюсь рассказать всё, что стоит знать о кадрах в секунду. Думаю, это такие же основы, как знания о битрейтах или графиках.

Первая кадровая частота и немые фильмы

Для начала уточню, чтобы не запутаться.

ФПС = фрейм рейт = частота кадров в секунду = кадры в секунду = кадровая частота

Это всё одно и то же.

Любая анимация существует благодаря инертности зрения. Если изображения сменяются достаточно быстро, то мозг не видит их по отдельности, а создаёт иллюзию непрерывного движения. Скорость смены изображений должна быть выше 10-12 в секунду, иначе мозг успевает разглядеть каждую картинку и никакого движения не получается. Казалось бы, вот и подходящая для человека кадровая частота — 12 FPS и больше. Но не всё так просто.

Представьте себе ленту немого фильма, в которой 1 500 отдельных изображений. Если мы покажем фильм со скоростью 12 кадров в секунду, то увидим что-то такое. Гифку сделал по ссылке, чтобы не раздражала мерцанием.

Движение есть, но мерцание в кадре всё портит. Оно появилось из-за того, что мы должны закрыть проектор, чтобы прокрутить ленту дальше и показать новое изображение. По словам Томаса Эдисона, наше зрение не заметит мерцание, если мы прокрутим ленту со скоростью 46 кадров в секунду. Но это не лучший вариант, и вот почему.

Сейчас у нас фильм состоит из 1 500 изображений и мы его проигрываем со скоростью 12 кадров в секунду.
1 500 кадров / 12 кадров в секунду = 125 секунд
Значит, нам достаточно 1 500 кадров, что создать двухминутный фильм.

Со скоростью 46 кадров в секунду наш фильм будет идти примерно 32 секунды. То есть, чтобы восстановить хронометраж мы должны создать не 1 500 кадров, а 5 750 = 125 секунд * 46 кадров в секунду. Лента будет длиннее в четыре раза, количество кадров больше, а значит отснять, смонтировать и показать фильм выйдет намного дороже.

Легче изменить конструкцию проектора. Поэтому вместо обычного обтюратора поставили трёхлезвийный.

Теперь один кадр показывают три раза и только потом сменяют на новый. Получается частота кадров (хоть и одинаковых) увеличилась. Количество мерцания увеличилось по количеству, но в три раза сократилось по времени. Таким образом инертность зрения стала «съедать» мерцание в кадре.

Мы сменяем кадры со скоростью 16 FPS, но зрителям показываем один и тот же кадр три раза. И получаем 48 спроецированных кадра в секунду = 16 кадров * 3 повторения. Прямо как и хотел Эдисон, даже лучше.

Мы взяли 16 FPS, а не 12 или 14, так как 16 — минимальное целое число, которое умножается на 3 и в результате даёт число больше 46.

Вот мы и получили первую кадровую частоту — 16 FPS для немых фильмов. Плюс немых фильмов в том, что мы можем легко увеличить или уменьшить количество кадров в секунду, это повлияет только на скорость воспроизведения. Ручку проектора крутил человек и мог варьировать скорость кадров от 14 до 26 FPS.

Звук всё стандартизировал

Всё сложнее стало со звуком. Теперь нельзя крутить фильм быстрее или медленнее. Нужно соблюдать постоянную кадровую частоту, чтобы скорость, а значит и тембр голоса не изменялся на протяжении фильма. С 16 FPS была проблема, звук не звучал точно, как задумывалось. Нужно было выбрать новую частоту, чтобы она была больше 16 и в итоге давала 48 проецируемых FPS. В итоге, вместо трёхлезвийного обтюратора стали использовать двулезвийный. И утвердили новый фрейм рейт — 24 FPS.

24 кадра * 2 повторения = 48 проецируемых кадров в секунду. Всё просто. И удобно, 24 нацело делится на 2, 3 и 4. То есть мы знаем, что половина секунды — 12 FPS, треть — 8, а четверть — 6.

Тут вроде становится понятно — мы и сейчас используем 24 FPS. Тогда зачем нам 25, 30 и тем более 29,97?

Появляется телевидение

Когда решили транслировать изображение по телевизору возникли новые проблемы. Показывать два раза один и тот же кадр было не вариант, да и технически это было невозможно. Ещё надо было передать аналоговый сигнал по радиоволнам. И чем больше кадров, тем больше вес файла, а значит канал передачи должен быть шире, а стоимость передачи выше. Поэтому стали передавать кадры по половинкам — полукадрами. Разбиваем изображение на полосы и показываем сначала все нечётные, а потом все чётные. Инертность зрения делает своё дело и мы видим целый кадр.

interlaced video

Люди в чёрном 3
В телевизоре происходит то же самое, только намного быстрее.

По-умному, это называется чересстрочная развёртка и обозначается буквой «i», от слова «interlaced». Ролик с чересстрочной развёрткой и разрешением 1920 × 1080 будет называтся 1080i. А такой же ролик с прогрессивной развёрткой — 1080p. Это означает «progressive» или то, что кадры передаются целиком.

Чтобы не было лишних шумов и конструкция телевизора была проще, полукадры решили обновлять с частотой электросети. Для Европы это 50 Гц. Получилось 50 полукадров в секунду или 25 целых кадров в секунду. В США частота электросетей 60 Гц, значит полукадров будет 60, а кадров соответственно 30.

И вот вроде как всё хорошо, но тут появляется цвет.

Цвет всё усложнил

Теперь через тот же канал нужно донести больше информации. Мы должны передать чёрно-белое изображение для старых телевизоров, цветное изображение и звук. И сделать это было довольно сложно. Потому что как только мы добавляем в электромагнитный спектр информацию о цвете его частота пересекается со звуком и создаёт помехи. Чтобы чётко разделить цвет и звук решили снизить частоту полукадров на 0,1%.

60 полукадров — 0,1% = 59,94 полукадров в секунду
59,94 полукадров в секунду/2 = 29,97 кадров в секунду

Система вещания с такой странной кадровой частотой называется NTSC и использовалась в США и ещё парочке стран.

В Европе таких сложностей не было, в качестве стандарта сразу взяли PAL, который был создан, чтобы решить проблемы с цветом. Поэтому как было 25 кадров в секунду, так и осталось.

Зачем 60 FPS, если и так всё хорошо

Камера размывает любое резкое движение в сторону направления объекта. Величина размытия зависит от расстояния, которое объект прошёл за 1 кадр. И чем больше количество кадров в секунду, тем меньше размытие.

1 секунда / 25 фпс = 0,04
1 секунда / 60 фпс = 0,016

Это называется моушн-блюр.

Разница между фильмами с 25 FPS и 60 FPS только в плавности движения. Резкие движения в фильме выглядят менее размытыми. За счёт этого картинка кажется более реалистичной. Вот и вся разница.

25 кадра не существует

Количество кадров это просто насыщенность изображения информацией. Как будто кадр, это чистый лист. На котором может быть написано 15 слов, а может и 60. Естественно, что каждое 25 слово не может влиять на работу вашего мозга.

Вот мы и разобрались с основными понятиями о кадрах в секунду. Теперь факультатив.

Слоумоушн

Слоумоушн это, когда мы снимаем видео с большей частотой кадров, а смотрим с меньшей. Снимаем в 120, смотрим в 25.

Снимем на айфон 6 секунд в 120 FPS. Это значит, что за секунду он создаст 120 изображений. За 6 секунд — 720. А смотреть мы их будем в 25 FPS. Это значит, что 720 изображений / 25 FPS мы будем смотреть почти 29 секунд. За это время мы и рассмотрим все детали.

А если мы возьмём высокоскоростную камеру, снимем 1 секунду с фреймрейтом 5 000 FPS и посмотрим в 25 FPS.

27 000 * 1 / 25 = 1 080 секунд или 18 минут

Одну секунду реального времени мы рассматриваем целых 18 минут. Можно в деталях рассмотреть выстрел пистолета под водой.

После таких расчётов становится понятно почему Slow Mo Guys не выкладывают свои ролики в 60 FPS. Мы просто увидим меньше деталей.

27 000 * 1 / 60 = 450 секунд или 7 минут 30 секунд

Также, есть противоположность для слоумоушна — timelapse. Снимаем видео с меньшей частотой, а проигрываем с большей. Ставим штатив на балкон и делаем одну фотографию в день на протяжении года. Получается, что у нас получилось видео с частотой кадров — 1 кадр в день. За год у нас получилось 365 кадров. Теперь мы включаем скорость 25 FPS. В итоге, получаем 365 / 25 = 14,6 секунд в которые уместился целый год.

FPS в играх

Почему играм недостаточно 25 FPS? А нужно намного больше — 60 FPS или даже 100.

Как написано в абзаце про фильмы с 60 FPS — камера всегда снимает с небольшим размытием в движении. А компьютер создаёт абсолютно чёткие изображения. Из-за этого мозгу сложнее складывать их в непрерывную картинку. И чем больше движения в игре, тем больше чётких кадров нам нужно для корректного восприятия.

Для сапёра нам хватит и 2 FPS. Два раза в секунду компьютер будет обновлять изображение на мониторе и показывать попали мы в бомбу или нет. А для Counter-Strike не хватит и 30. Просто потому, что движения там слишком динамичные.


Конечно, игры научились включать искуственное размытие, но оно похоже только мешает игровому процессу. По крайней мере, я не знаю ни одного человека, который включает моушн-блюр в играх. Да и система лишний раз нагружается.

На восприятие также влияет то, что фильмы мы смотрим с постоянной кадровой частотой. В играх же в зависимости от происходящего FPS меняется. Как только FPS резко падает, мозг сразу же замечает это. То же самое было бы и с фильмами, если бы кадров в секунду было то 25, то 60.

FPS для игр важен не только для комфортного восприятия игры. Частота кадров равна частоте обновления физической модели. Это значит, чем больше FPS, тем чаще компьютер проверяет сделали вы выстрел или нет. Иногда эти доли секунды становятся решающими. Любители H’n’S модов знают.

Итоги

1) Первый фрейм рейт — 16 FPS
2) Звук увеличил кадровую частоту и сделал её постоянной — 24 FPS
3) Частота электросети определила новую кадровую частоту для телевизоров — 25 FPS и 30 FPS
4) Цвет превратил 30 FPS в 29,97 FPS из-за того, что не дружил со звуком.
5) Фильмы в 60 FPS плавнее.
6) Слоумоушн — снимаем с большим FPS, смотрим с меньшим. В таймлапсе наоборот.
7) Игры генерируют абсолютно чёткие кадры, нужно больше FPS, чтобы создать плавное движение.
8) В фильмах кадры в секунду постоянные, в играх зависят от ситуации.

Вот и все основы о кадрах в секунду. В следующей статье расскажу о методах сжатия видео.

Источники

FIlmMakerIQ.com
standupmaths
FPS в играх
The Slow Mo Guys

13 июля  

Непонятный логотип «Газелькина»

Частенько в метро и в автобусах вижу рекламу «Газелькина». Как я понимаю, это такое грузовое такси. Перевозят в целости и сохранности всякие тяжелые вещи. Не знаю, может это отличная служба грузоперевозок, но судя по логотипу «Газелькин» просто не доедет до заказа. У него же отвалилась часть кузова и блокирует колёса.

газелькин анимация

Или посмотрим с другой стороны. Как вещи довезёт машина с дыркой в кузове? Часть мелких вещей просто потеряется по пути.

газелькин анимация

Дизайнеры задумали кузов в виде комиксового баббла. Мол, быстро реагируем на вызов и всегда на связи. Так ведь эта концепция не используется в собственной же рекламе.

Реклама Газелькина в метро

Речь девушки почему-то в белом прямоугольнике.

Грузоперевозки должны быстро приехать по вызову и бережно перевезти вещи. А логотип всеми силами говорит, что произойдёт наоборот. Непонятно, как такая работа ушла дальше дизайнерского концепта.

2017  

Хронология развития российских метрополитенов

Примерно полгода назад решил запомнить примерное расположение станций в Петербургском метрополитене, собрал информацию и сделал простенькую гифку. Меня это затянуло, да и станции вроде начали откладываться в памяти, поэтому я сделал схему развития всех семи метрополитенов России.

Чем ниже гифка, тем больше станций. В начале девять, в конце двести три.

Оказывается, одиннадцать лет у красной ветки конечная была на улице. Обратите внимание на 1966 и 1977 год — появляется и исчезает станция «Дачное».

Честно говоря, в итоге так ничего и не запомнил. Видимо надо было усложнить задачу и подписать каждую станцию.

2017  

Мистер Чад

В афтер эффектсе кнопка скрытия слоёв сделана в виде граффити времён Второй мировой войны: «Здесь был Килрой».

shy layers kilroy

Синенькая кнопка посередине

Странно.

2017  

Корень прокрастинации

golden ratio poop

Что происходит?

Появляется в голове идея сделать собственный проект. Десятисекундный мультфильм, например. Думаешь: вот сейчас точно получится круто. Работа без правок и наставлений, да и времени как раз хватает. Вот проходит первая неделя, вторая, третья. Уже с персии скачал новых плагинов, насмотрелся референсов, сделал каких-то два мимолётных заказа… А начать все не получается. В чём проблема? Дело в том, что страшно получить неидеальный результат. Посмотришь перед работой шоурил MPC, открываешь АЕ, создаёшь пару шейпов и что-то пропадает настроение работать.

И что делать?

С этим помогают бороться обычные черновики. Лучше от руки на бумаге.

  1. Сначала определим цель: что хотим сделать и подробно расписываем её. Не: «Написать сценарий мультфильма», а: «Написать сценарий о мальчике у которого сердце физически притягивает то, что он любит и отталкивает, что не нравится.»
  2. Ставим таймер на двадцать минут. Эти двадцать минут выделены полностью под работу, отвлекаться нельзя. Отключите музыку в наушниках, поставьте телефон на авиарежим.
  3. Начинаем писать сценарий. Не старайтесь писать «идеально». Пусть это будет поток мыслей из бессвязных предложений с матом и кучей ошибок. Пишите так, как будто объясняете концепт своему другу во вконтакте. Можно прямо в поле ввода сообщений и написать. Как только прозвенит таймер — закончите работу, сразу же.
  4. Как только написали — отдохните минут пятнадцать. Заварите чаю, посмотрите вдаль.
  5. Смотрим, что получилось. Обычно где-то четверть безболезненно удаляем. А остальное приводим в порядок: создаём структуру, пишем заголовки, убираем грубые ошибки.
  6. В итоге, получился готовый скелет для начала работы. Страх белого листа преодолён. Текст можно отредактировать ещё несколько раз, чтобы достичь наилучшего результата. Лучше всего поспать — после сна часто наступает прозрение.

Самое крутое, что этот способ работает не только с текстом. Таким же образом рисуются раскадровки, делаются наброски анимации. Главное ограничить себя во времени и представить, что объясняете концепт своему другу: «Справа нарисовано золотое сечение с кружками разного цвета. А слева по скейлу с баунсом появляются штук двадцать тех же самых кружочков. Как только они появились из прозрачности появляется эмодзи-какашка…»

Почему это помогает?

Вы заведомо получаете неидеальный результат. Постепенно улучшать его намного легче, чем создавать с нуля. Вы как будто выступаете критиком для своей же работы: видите грубые ошибки и тут же исправляете. Главное не сильно увлечься улучшением, а для этого нужно ставить себе чёткие дедлайны.

2017  

Новые чеки в магазинах

Похоже, что теперь в чеках указывают НДС к каждой покупке. Это мега-круто.

чек с ндс

Налоги перестают быть чем-то абстрактным. Теперь я вижу: купил бананы — доплатил сверху 15 рублей государству. Было бы чуть лучше, если вместо процентной ставки касса мне бы сразу подсчитала НДС к каждому продукту. И ещё внизу подписали:
Итого без НДС — 306,34
НДС — 38,66
Итого к оплате — 345,00

Вот тогда было бы вообще здорово!

Надеюсь, что похожее когда-нибудь появится у зарплат, чтобы сразу было видно сколько уходит на пенсионное, социальное и медицинское страхование. Может тогда и миф про 13% исчезнет.

2017  

Об отсылках в роликах

Один из моих основных принципов в работе заключается в том, что практически весь контент, созданный мной, должен содержать скрытый подтекст. Это могут быть отсылки к кинематографу, параллели с различными датами, ассоциации с художественными произведениями и другие небольшие приятные мелочи.

Это сделано по двум причинам. Первая — по моему мнению, работа, с дополнительным смыслом живёт намного дольше. Ее можно пересматривать не один раз, получая новую информацию с каждым просмотром. Вторая причина заключается в том, что таким образом, можно увлечь зрителя, который изначально был не заинтересован в контенте. Точно также работают вставки с мультфильмами в обучающих программах для детей, только в более явно выраженной форме.

Чаще всего отсылки внедрены настолько незаметно, что считываются только при четвёртом или пятом просмотре. У работ в портфолио после публикации автоматически заводится таймер, который через месяц показывает какой дополнительный смысл был вложен в их создание.

2017