فریم ریت (Frame rate) چیست؟ اهمیت FPS یا فریم ریت در بازی (۱)

فریم ریت (Frame rate) یا FPS موضوعی است که این روز ها بر سر زبان ها میچرخد و به عنوان مهمترین عامل محدودیت و تعیین کننده در کنسول های نسل هشتمی PS4 و Xbox One تبدیل شده است. ما برای درک و بررسی بیشتر شما عزیزان با این مفهوم، سعی کردیم مقاله مناسب و مفید گردآوری کنیم و آن را در دو بخش به شما عزیزان تقدیم کنیم.

در بخش اول به صورت اجمالی به بررسی فریم ریت و تاریخچه آن میپردازیم و شما را با برخی اعداد و ارقام و روش های مختلف آن آشنا میکینم. در بخش دوم هم به صورت علمی به بررسی تاثیر فریم ریت در بازی و مقدار قابل حس فریم ریت برای چشم انسان و سیستم بینایی میپردازیم.

نگاهی فنی به فریم ریت (Frame rate) یا FPS

فریم ریت (Frame rate) در اصل فرکانس یا فریم در ثانیه (FPS) نامیده میشود. فریم ریت در واقع فرکانس (نرخ) تصویری منحصر به فردی است که به صورت متوالی و پشت سر هم توسط یک دستگاه تولید میشود و به آن فریم گفته میشود. این نرخ به صورت فریم در ثانیه (FPS) شناخته میشود و در تلویزیون هایی که برای رندر تصاویر از روش اسکن تصاعدی (progressive scan) استفاده میکنند به صورت هرتز (hertz) یا (Hz) معرفی میشود که همان فریم ریت تصویر است.

پیش زمینه تاریخی فریم ریت (Frame rate)

چشم انسان و رابط آن مغز، سیستم بینایی انسان، میتواند ۱۰ تا ۱۲ تصویر جداگانه را در هر ثانیه پردازش کنند و هر کدم از آنها را به خوبی درک کنند. آستانه ادراک بصری انسان بستگی به چیزی دارد که اندازه گیری میشود. زمانیکه یک صفحه نمایش روشن را دنبال کنید، (درون صفحه روشن) فضای تاریک مختصری (پیکسل های سیاه رنگ) در حدود ۱۶ میلی ثانیه یا بیشتر را حس خواهید کرد. فرد ناظر یا بیننده میتواند در یک زنجیره از تصاویر ناگسستنی، تصویر خاصی را به یاد بیاورد که فقط حدود ۱۳ میلی ثانیه طول میکشد.

زمانی که تصویر کوتاهی در حد تک میلی ثانیه مشاهده میشود، ادارک بصری انسان قادر است این تصاویر را در مدت زمانی بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ هزارم میلی ثانیه و با توجه به تدام دید هر فرد گزارش دهد. به همین دلیل ممکن است چنین تصاویری به صورت صحنه آهسته برای بیننده دیده شود. در واقع دلیل اینکه ادارک انسان میتواند تصاویر را به صورت آهسته ببینید این است که سیستم بینایی انسان و قوه ادراکش قادرند تصاویر را در مدت زمان ۱۰۰ تا ۴۰۰ هزارم میلی ثانیه پردازش و سپس کنند.

مثلا اگر در فاصله زمانی ۱۰ میلی ثانیه دو نور سبز و سپس قرمز به چشم تابانده شود و به دنبالش، شاهد فِلِشی از نور زرد خواهیم بود که همین مورد، قدرت ادارک انسان و میزان فریم ریت چشم را به خوبی نشان میدهد. تداوم دید ممکن است توهم دائمی ایجاد کند و این توهم است به مغز اجازه میدهد تصاویر را متحرک ببیند. در زمینه سینما و تلویزیون باید گفت که در اوایل، فیلم های صامت از فریم ریتی معادل ۱۶ تا ۲۴ فریم بر ثانیه استفاده میکردند. اما از آنجایی که دوربین ها به صورت دستی (hand-cranked) فیلم برداری میشدند، میزان تغییرات فریم ریت در طول صحنه نیز متناسب با همان صحنه بود.

پروژکتورها نیز قابلیت تغییر میزان فریم ریت فیلم را دارند. آنها با کمک رئوستات (rheosta) و تغییر ولتاژهای برق این کار را انجام میدهند. فیلم های صامت اغلب برای بالاتر از آن مقدار فریمی که در طول فیلم برداری ظبط میشدند مورد استفاده قرار میگرفتند. چون این مقدار فریم ریت برای ایجاد حس حرکت در بیننده کافی بود و استفاده از پروژکتورهای دو و سه شاتره موجب افزایش دو سه برابری بیینده ها شده بود. توماس ادیسون در صحبت هایش گفته بود که ۴۶ فریم بر ثانیه حداقل نیاز قشر بینایی یک انسان است و هر چیزی کمتر از این مقدار برای چشم مضر است.

از اواسط تا اواخر سال ۱۹۲۰ میلادی بود که نرخ فریم ریت برای فیلم های صامت به رقمی بین ۲۰ تا ۲۶ فریم بر ثانیه (FPS) افزایش یافت. پس از معرفی فیلم ناطق (فیلم هایی که پس از فیلم برداری صداگذاری میشوند) در سال ۱۹۲۶ میلادی بود که تغییرات مختلف در فریم ریت فیلم ها متوقف شد و مهمترین دلیل این امر هم حساسیت بیشتر گوش انسان به نسبت تغییرات مختلف فرکانس صدا بود. در آن زمان تئاترهای بسیاری بودند که فیلم های صامت ۲۲ تا ۲۶ فریمی را با صدای ۲۴ فریمی پخش میکردند.

از سال ۱۹۲۷ تا ۱۹۳۰ استدیوهای مختلف تجهیزات خود را بروز کردند و با این به روز رسانی، صنعت سینما و تصویربرداری وارد مرحله جدیدی شد. نرخ ۲۴ فریم بر ثانیه، آغازی برای استاندارد ۳۵ میلیمتری صدا شد. فیلم های ۲۴ فریم بر ثانیه از طریق پروژکتورهایی با نرخ ۴۵۶ میلیمتر (۱۸.۰ میلی ثانیه) پخش میشدند. این مقدار فریم ریت موجب شده بود پروژکتورهای دو شاتره بتوانند در هر ثانیه ۴۸ تصویر تولید کنند و توماس ادیسون هم خوشحال شود! در واقع استانداردهای فریم ریت صدا و تصویر امروزی را مدیون تلاش های توماس ادیسون و تیم فنی او هستیم.

پروژکتور دو شاتره ۳۵ میلیمتری

بسیاری از پروژکتورهای مدرن ۳۵ میلیمتری از سه شاتر استفاده میکنند که به آنها قابلیت پخش ۷۲ تصویر در هر ثانیه را میدهد. بدین معنا که هر فریم بر روی صفحه نمایش سه بار فِلَش (flash) میخورد. ۷۲ فریم بر ثانیه در حال حاضر به به صورت یک استاندارد رسمی تصویب نشده است. اما در حال گذراندن مراحل تست و آزمایشگاهی است. در ادامه در باره این فریم بیشتر توضیح میدهیم.

ویدئو دیجیتال و تلویزیون

یه صورت کلی سه نوع استاندارد فریم ریت در جهان وجود دارد که عبارتند از ۲۴p, 25p, و ۳۰p میباشد. با این حال استاندارد های جدیدی در حال ظهور است که در زیر به معرفی آنها میپردازیم:

۲۴p فریم | یک نوع فریم تصاعدی (progressive) است که به صورت گسترده توسط تولیدکنندگان فیلم و استدیوهای مختلف فیلم سازی و تلویزیونی استفاده میشود. این نرخ برو روی تلویزیون های منطقه NTSC به طور موثر به رقمی معادل ۲۳.۹۷۶ فریم در ثانیه میرسد که از رابطه (۲۴×۱۰۰۰÷۱۰۰۱) بدست آمده است. اما زمانی که همین فریم روی تلویزیون های منطقه PAL یا SECAM به سرعتی معادل ۲۵ فریم بر ثانیه میرسد. دوربین های فیلم برداری ۳۵ میلیمتری هم فیلم هایی با استاندارد ۲۴ فریم بر ثانیه تولید میکنند. هرچند بسیاری از دوربین ها نرخی معادل ۲۳.۹۷۶ فریم برای NTSC و ۲۵ فریم برای PAL/SECAM ارائه میدهند.

۲۵p فریم | یک نوع فریم تصاعدی (progressive) است که دقیقا ۳۰ فریم بر ثانیه است. این فریم برگرفته از استاندارد تلویزیونی PAL یا ۵۰i (رندر ۵۰ تصویر در هر ثانیه) میباشد. از این فریم ریت در مناطقی استفاده میشود که تصویرش به صورت ۵۰ هرتزی تولید میشود. اینفریم قابلیت تبدیل شدن به ۶۰ هرتز را دارد. بدین صورت که ابتدا ویدئو را ۲۴ فریم کند میکنند و سپس آن را برای مناطق ۶۰ هرتزی استفاده میکنند. همانند ۲۴ فریم، از این فریم هم برای رسیدن به حالت های سینمایی در استدیوهای فیلم سازی استفاده میشود.

۳۰p فریم | یک نوع فریم تصاعدی (progressive) است که دقیقا ۳۰ فریم بر ثانیه است. این در سال ۱۹۵۴–۱۹۵۶ طراحی و استاندارد سازی شد و اثرات لرزشش کمتر از ۲۴ فریم است و برای نمایش تصاویر صفحه عریض Todd-AO طراحی شده بود.

۴۸p فریم | یک نوع فریم تصاعدی (progressive) است و در حال حاضر در صنعت فیلم سازی استفاده میشود و سرعتی دو برابر ۲۴ فریم دارد. این فریم باعث کاهش تاری (motion blur) و سوسو زدن  در فیلم میشود. پیش از این، جیمز کامرون در صحبت هایش اعلام کرده بود که قصد دارد ادامه قسمت های دوم و سوم فیلم Avatar را با این فریم بسازد. اولین فیلمی که با این فریم ساخته شده فیلم هابیت: یک سفر غیرمنتظره (The Hobbit: An Unexpected Journey) است که توسط پیتر جکسون (Peter Jackson) تولید شده است.

۵۰i فریم | یک نوع فریم هم آمیخته یا مشبک (interlaced) است که برای مناطق PAL و SECAM استفاده میشود.

۶۰i فریم | همانند فریم بالا یک نوع فریم هم آمیخته یا مشبک (interlaced) است که برای مناطق NTSC (مثل ایالات متحده) مورد استفاده قرار میگیرد. فریم هم آمیخته (interlaced) به طور جداگانه توسط  فرانس وورس و زوریکین در سال ۱۹۳۴ توسعه پیدا کرده است.

۵۰p/60p فریم | این فریم از مدل فریم تصاعدی (progressive) است که مخصوص فیلم های High-End HDTV است. این مدل فریم از نظر فنی ربطی به ATSC و DVB ندارد. اینفریم فقط برای نسل بعدی تصاویر کیفیت بالا (High-Definition) استفاده میشود. در حال حاضر در کنسول های نسل جدید PS4 و Xbox One و تلویزیون ها و مانیتورهای جدید از این نوع فریم ریت برای رندر تصاویر استفاده میشود.

۷۲p فریم | این فریم از مدل فریم تصاعدی (progressive) است که در حال حاضر در مراحل تجربی و در موسساتی همچون اسنل (Snell) در حال تست و بررسی است و در مرحله اول قرار است به صورت ۷۲۰p با ۷۲ فریم بر ثانیه استاندارد سازی شود. سرعت شاتر در این فریم بالاتر است و تعداد تصاویر در هر ثانیه سه برابر اولین مدل است. در واقع دوربین های مدرنی همچون Red One میتوانند روی این فریم تصاویر صحنه آهسته ای (slow motion) با ۲۴ فریم تولید کنند.

۹۰p/۱۰۰p فریم | فرمتی است کاملا تجاری که در دوربین های فوق حرفه ای تصویر برداری GoPro استفاده میشود.

۱۲۰p فریم | (دقیقا ۱۲۰.۰۰ هرتز)  که به عنوان فریم ریت استاندارد نمایشگرهای UHDTV به ثبت رسیده است. دوربین های فوق حرفه ای تصویر برداری GoPro میتوانند با این فریم در وضوح تصویر ۷۲۰p و ۱۰۸۰p فیلم برداری کنند. این فریم در مناطق PAL به صورت ۱۰۰ هرتز و در مناطق NTSC به صورت ۱۱۹.۸۸ تصاویر مورد نظر را پخش میکند. به صورت ساده ۱۲۰ هرتز بدین معناست که مانیتورهای جدید از نرخ نوسازی تصویری (refresh rates) معادل ۱۲۰ هرتز استفاده میکنند. یعنی در هر ثانیه ۱۲۰ بار تصاویر جدید جایگزین میشود.

۱۴۴p فریم | مخصوص مانیتورهای جدید بازی است که نرخ نوسازی تصاویری معادل ۱۴۴ هرتز دارند. لازم به ذکر است که در مورد نوسازی تصویر یا (refresh rates)، درمقاله دوم به صورت مفصل بحث خواهیم کرد.

۲۴۰p فریم | مخصوص مانیتورهای جدید بازی است که نرخ نوسازی تصاویری معادل ۲۴۰ هرتز دارند. در این مانیتورها از دو قابلیت backlight flickers و backlight scanning استفاده شده است. بدین معنا که از ۱۲۰p برای نمایش ۲۴۰p استفاده میکنند. این فریم یا نرخ نوسازی هنوز اوایل مراحل تست به سر میبرد و هنوز حتی به مرحله بتا هم نرسیده است.

۳۰۰p فریم | این فریم برای اولین بار توسط بخش تحقیقاتی BBC در برنامه های ورزشی مورد تست و آزمایش قرار گرفت. این فریم یا نرخ نوسازی قابلیت تبدیل به دو نرخ ۵۰ و ۶۰ فریم بر ثانیه (FPS) را دارد.