Wie viele Bilder pro Sekunde sieht unser Auge?

7 min

1.9.2015

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Wer sich im Be­reich von Ga­ming und Film et­was um­hört, wird schnell auf Aus­sa­gen wie die­se tref­fen: »Un­ser Au­ge nimmt doch nur 30fps wahr, Ki­no ist ja auch flüs­sig!« Lei­der wer­den sol­che Aus­sa­gen im­mer oh­ne ver­nünf­ti­ges Hin­ter­grund­wis­sen ge­tä­tigt. Des­halb wür­de ich ger­ne Vor­ur­tei­le bei­sei­te keh­ren, auf­klä­ren, so­wie den Un­ter­schied zwi­schen Spiel und Vi­deo er­läu­tern und ei­ne hof­fent­lich zu­frie­den­stel­len­de Ant­wort auf die Über­schrift ge­ben. Wo­bei die ers­ten Ab­sät­ze über »fps« eher an Neu­lin­ge ge­rich­tet sind.

Was ist dieses FPS?

An al­ler ers­ter Stel­le soll­te je­doch ein­mal der Be­griff »frames per se­cond« er­läu­tert wer­den. Ein Vi­deo­si­gnal be­steht näm­lich nur aus ein­zel­nen Bil­dern (frames), durch das Hin­ter­ein­an­der­schal­ten von ähn­li­chen Bil­dern ent­steht die In­ten­ti­on ei­ner Be­we­gung. 25fps be­deu­ten, dass wir 25 (un­ter­schied­li­che) Bil­der je­de Se­kun­de ge­lie­fert be­kom­men und ein Bild da­mit 40ms lang zu se­hen ist.

Ki­no­fil­me lau­fen seit rund ei­nem Jahr­hun­dert mit 24fps (ab­ge­se­hen von der Hob­bit-Rei­he) und wer­den mit 72Hz, bzw. 96Hz wie­der­ge­ge­ben (wo­bei hier ein Bild je 3, bzw. 4 Mal dar­ge­stellt wird). Für das deut­sche Fern­se­hen wird das Vi­deo­ma­te­ri­al leicht be­schleu­nigt um 25fps (»PAL«) zu er­rei­chen. Ein­stei­ger-TV-Ge­rä­te zei­gen die Bil­der dop­pelt an um auf 50Hz zu kom­men, High-End-Ge­rä­te ver­wen­den Mo­ti­on In­ter­po­la­ti­on um ex­tra Frames zwi­schen den ge­ge­be­nen Bil­der zu »er­ra­ten«, sie be­sit­zen da­für ein Pa­nel mit min­des­tens 100Hz. Spie­le (zu­min­dest auf dem PC) kön­nen theo­re­tisch mit be­lie­big vie­len Bil­dern pro Se­kun­de lau­fen, der Mo­ni­tor be­schränkt sich je­doch ge­ne­rell auf Fre­quen­zen wie 60Hz oder 144Hz. Wo­mit sich ei­ne wei­te­re Fra­ge stellt…

Wieso ruckelt mein Spiel/Video, trotz fast 60 fps?

Schwan­ken­de Frame­times und Tearing kön­nen den Spiel­spaß na­tür­lich min­dern, wir be­schrän­ken uns je­doch lie­ber auf ak­ti­vier­tes VSync. Des­halb neh­me man ein­mal fol­gen­des Sze­na­rio zur Hand: Un­ser Mo­ni­tor läuft mit 60Hz, so­mit zeigt er im Ide­al­fall 60 auf­ein­an­der fol­gen­de Bil­der pro Se­kun­de an. Be­rech­net die Gra­fik­kar­te kon­stant 59fps in ei­nem Spiel, muss je ein Bild ei­ner Se­kun­de dop­pelt an­ge­zeigt wer­den (we­gen VSync). So­mit scheint der Ab­lauf kurz wie ein­ge­fro­ren, da ein Bild un­ge­fähr 33,3ms lang und die an­de­ren 58 Bil­der je fast 16,7ms lang pro Se­kun­de ge­zeigt wer­den. Glei­ches wür­de auch am TV pas­sie­ren, wenn eu­ro­päi­sche Sen­der auf un­ver­än­der­tes 24fps Ki­no­ma­te­ri­al um­stel­len. Wei­te­re Fäl­le und aus­führ­li­che Er­klä­run­gen fin­den sich im Ar­ti­kel über VSync, Free­Sync, Fast­Sync, CPU/GPU Sync & mehr.

Ge­ne­rell kann al­so auch ei­ne ho­he Bild­fre­quenz von der Gra­fik­ein­heit stö­ren, falls der Bild­schirm nicht mit der­sel­ben oder ei­ner viel­fa­chen Fre­quenz ar­bei­tet. In den fol­gen­den Ab­schnit­ten wird der Ver­ständ­lich­keit hal­ber im­mer von ei­nem pas­sen­den Mo­ni­tor/Bea­mer aus­ge­gan­gen.

Wieso ruckelt mein 24-fps-Spiel mehr als Kinofilme?

Spielt man auf ei­nem Röh­ren­mo­ni­tor oder über­tak­tet man sein durch­schnitt­li­ches TN-Pa­nel, kann man 72Hz ein­stel­len. Da 72 ein viel­fa­ches von 24 ist, wird auch je­des Bild ei­nes PC-Spie­les mit kon­stan­ten 24fps gleich lan­ge dar­ge­stellt. Trotz­dem ru­ckelt ein Re­al-Film deut­lich un­auf­fäl­li­ger.

Das liegt dar­an, dass für das Spiel je­des die­ser 24 Bil­der un­ab­hän­gig von­ein­an­der er­zeugt wird. Ein Ein­zel­bild (oh­ne Post-Pro­ces­sing) al­so wie ein ru­hi­ges Fo­to aus­sieht. Ei­ne Ka­me­ra hin­ge­gen nimmt ih­re Ein­zel­bil­der über ein paar Mil­li­se­kun­den auf, Be­we­gun­gen er­hal­ten da­durch Mo­ti­on Blur und er­schei­nen flüs­si­ger. Aber Ach­tung, Be­we­gungs­un­schär­fe-Op­tio­nen in Spie­len trick­sen oft­mals un­schön und sind dann kei­ne ech­te Kon­kur­renz. Wo­bei man sich auch fra­gen soll­te ob man das über­haupt will, es ent­steht näm­lich so­wie­so Un­schär­fe durch die Re­ak­ti­ons­zeit des Mo­ni­tors und durch et­was na­mens Per­sis­tence of Vi­si­on (mehr da­zu in Teil 3). Je nied­ri­ger die Re­spon­se-Time und die­se Per­sis­tence, des­to mehr Schär­fe und das will man doch schließ­lich.

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Drummer Arejay Hale: Motion Blur besonders sichtbar an den Sticks.

Ist denn Motion Blur jetzt gut oder schlecht?

Es gibt kein Gut oder Bö­se. Den Vor­teil bei 24fps ha­ben wir schon ge­klärt. Nach­teil, was uns auch schon der Na­me spoi­lert, ist die un­schö­ne Un­schär­fe. Wol­len wir uns in ei­nem Ac­tion­film auf die schwin­gen­den Fäus­te fo­kus­sie­ren, ver­wi­schen die­se ins Un­er­kennt­li­che, so­bald sie sich be­we­gen, da bei 24fps sehr schnell, sehr star­ke Be­we­gungs­un­schär­fe auf­tritt.

Seufz. Wä­re echt cool, wenn man et­was da­ge­gen tun könn­te. Ah! Aber na klar, wie wä­re es mit ei­ner hö­he­ren Bild­ra­te. Zeich­net man et­was mit bei­spiels­wei­se 48fps auf, er­hält man nicht nur ein flüs­si­ge­res Bild, son­dern es ge­lingt zu­sätz­lich mehr Be­we­gungsschär­fe. Ta­da!

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High-Speed-Kamera: Neben glatteren Bildwechseln gewinnen Bewegungen an schärfe, je mehr Frames aufgezeichnet werden.

Dann sind 30fps doch nicht genug?

Ge­nau, ent­we­der ru­ckelt das Bild zu stark oder Trans­lo­ka­tio­nen wer­den zu stark weich­ge­zeich­net. Des Wei­te­ren ver­rin­gert sich die La­tenz bei Ga­mes, um­so hö­her die Bild­fre­quenz wird. Kann je­des Bild bei 30 fps bis zu 33,¯3 ms alt wer­den (oh­ne Be­ach­tung wei­te­rer La­ten­zen), sind es bei 144 fps auf ei­nem Mo­ni­tor mit 144 Hz nicht ein­mal 7 ms. Für CS:GO-Sport­ler ein durch­aus kräf­ti­ges Ar­gu­ment.

Aber wo liegt dann die Grenze, wenn nicht bei 30fps?

Viel­leicht soll­ten wir am un­te­ren En­de be­gin­nen. 24 hin­ter­ein­an­der auf­ge­zeich­ne­te Bil­der pro Se­kun­de las­sen sich als Zu­sam­men­hän­gend in­ter­pre­tie­ren. Mehr na­tür­lich auch, aber wo liegt die un­te­re Gren­ze?

Wir schal­ten un­se­ren Mo­ni­tor ei­ne Stun­de lang aus, so ha­ben wir ein 1-fph-Schwarz­bild. Nun, dies ist wohl et­was pas­siv, aber für ei­ne Zeit­span­ne oh­ne Be­we­gung ge­nü­gen min­des­tens 0 fps. Lo­gisch. So star­ten wir lie­ber das gu­te al­te Sna­ke, pro Zeit­span­ne be­wegt sich hier die Schlan­ge um ei­nen Pi­xel (Kan­ten­glät­tung gab es da­mals noch nicht). Wenn sie sich al­so in ih­rer kur­zen Form noch lang­sam be­wegt, sa­gen wir al­le 1 Se­kun­de, muss auch nur 1 fps ge­lie­fert wer­den um flüs­sig zu wir­ken. Bei ge­film­ten Ma­te­ri­al (so­mit in­klu­si­ve Mo­ti­on Blur) mit ver­nünf­ti­gen Be­we­gun­gen liegt je­doch die In­ter­pre­ta­ti­ons­schwel­le bei ca. 16 bis 18 Bil­dern die Se­kun­de.

Trotz­dem, we­gen der Un­ter­tei­lung in Pi­xel kann ei­ne sehr lang­sa­me Be­we­gung auch noch mit 10 fps flüs­sig wir­ken. Doch bringt dies uns letzt­lich in vie­len Spie­len recht we­nig, da die meis­ten Gen­res nur von ih­ren dau­er­haf­ten Ka­me­ra­schwenks le­ben, so kön­nen hin­ge­gen Fil­me mit oft­mals sta­ti­schen Ka­me­ra­per­spek­ti­ven ab und an voll­kom­men zu­frie­den­stel­len. Die Fra­ge nach »Wie viel fps sind flüs­sig?« lie­fert al­so nicht un­be­dingt ei­ne Ant­wort auf die Frame­gren­ze des Au­ges.

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Snake: Einer langsamen Schlange genügen weniger Frames als einer schnellen um beide flüssig zu sehen.

Wie hoch muss jetzt die Bildfrequenz fürs Auge sein?

Weder 24, 30, 75, noch 144 Hertz.

Wur­de das Brow­ser­fens­ter nicht be­lei­digt ge­schlos­sen, hilft viel­leicht ein Ex­pe­ri­ment beim Mes­sen der »Au­gen­fre­quenz«. Schaut man in ein Licht, dass für ei­nen Au­gen­blick aus und wie­der an­ge­schal­tet wird, er­kennt man die Zu­stands­wech­sel bei ei­nem Aus­set­zen des Lich­tes ab ei­ner Zehn­tel Se­kun­de. Wenn das Licht kür­zer aus­setzt, wür­de man es nicht mer­ken. Des­halb läuft ja ein Film im Ki­no auf ei­nem Pro­jek­tor mit min­des­tens 72Hz, da das Bild für ei­nen Se­kun­den­bruch­teil Schwarz wer­den muss, so­lan­ge der nächs­te Frame vor­be­rei­tet wird.

Gut, das war's also, unser Auge sieht mit 72 fps, basta!

Halt! Selbst bei ei­nem Blind­test kann man noch zwi­schen 72 fps und 144 fps auf ei­nem pas­sen­den Pa­nel ei­nen Un­ter­schied aus­ma­chen. Zu­dem scheint die­ser Ver­such die De­fi­ni­ti­on von Be­we­gung zu über­stra­pa­zie­ren. Das Au­ge, so gut es auch ist, ist ein­fach zu faul um die­se Art der Um­ge­bungs­än­de­rung auf­zu­zeich­nen. Das ge­gen­tei­li­ge Ex­pe­ri­ment (al­so ein Licht­blitz im Dun­keln) zeigt noch­mals, dass Be­we­gung nicht im­mer gleich Be­we­gung ist: Leuch­tet et­was für 4 oder 5 Mil­li­se­kun­den in der Dun­kel­heit kann man es noch ge­ra­de so mit­be­kom­men. Hier ist das Au­ge al­so emp­find­li­cher.

Neu­es Mi­ni­mum für ma­xi­ma­le Flüs­sig­keit ist al­so ca. 200 fps. An­dern­falls könn­te un­ser Spiel mit 60 fps, wel­ches nun mal nur al­le 16,¯6 ms ein Bild be­rech­net, die­ses auf­blit­zen ver­pas­sen oder gar ei­nen gan­zen Frame lang an­zei­gen und da­mit deut­lich län­ger als be­ab­sich­tigt.

Wie findet unser Auge immer die passende Bildrate?

Un­ser Au­ge ak­tua­li­siert nicht den gan­zen Seh­be­reich mit ei­ner be­stimm­ten Fre­quenz. Ver­schie­de­ne Re­zep­to­ren im Au­ge ar­bei­ten un­ter­schied­lich schnell oder un­ter­schied­lich gründ­lich, und sind für ver­schie­de­ne Sicht­än­de­run­gen kon­zi­piert. So un­ter­schei­det sich ne­ben der Sen­si­ti­vi­tät auf hell und dun­kel auch die Emp­find­lich­keit für di­ver­se Far­ben.

Wenn Re­zep­tor Fritz­chen mit x Hertz ein Si­gnal über­mit­telt, könn­te das Ge­hirn zu­sam­men mit Zel­len­nach­bar Han­si ei­ne Fre­quenz grö­ßer x Hertz er­rei­chen. Dar­über hin­aus wer­tet das Ge­hirn wei­te­re Fak­to­ren hin­zu, wie das Räum­lich­keits­emp­fin­den durch das an­de­res Au­ge, Kopf- und Kör­per­be­we­gun­gen mit­hil­fe der Oh­ren, den Fo­kus der Lin­sen, usw.

Ein si­mu­lier­tes Ka­me­ra­wip­pen in Ego-Per­spek­ti­ve wird im­mer fremd wir­ken (au­ßer in der Ma­trix). Ge­nau­so wie ein­zel­ne Bil­der, die wir uns zu ei­ner über­gangs­lo­sen Be­we­gung zu­sam­men­den­ken. Und nie­mand wür­de al­le paar Se­kun­den ei­nes Fil­mes un­ge­fähr 3 Bil­der ein­schwär­zen um den Wim­pern­schlag zu si­mu­lie­ren.

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Theo­re­tisch gibt es trotz­dem ei­ne Gren­ze, ab der ei­ne Trans­lo­ka­ti­on von Pi­xeln bei ei­ner be­stimm­ten Frame­ra­te nicht mehr von der Rea­li­tät un­ter­scheid­bar sein könn­te. Wenn wir uns noch­mals Sna­ke wid­men und sa­gen, bei 60 Hz be­wegt sich die Schlan­ge um 60 Pi­xel pro Se­kun­de, bei 120 Hz um 120 Pi­xel, und im­mer so wei­ter. Gibt es dann ei­ne Fre­quenz bei der un­ser Au­ge uns vor­macht, die Schlan­ge über­sprin­ge Pi­xel? Bei 1000 fps? 60000 fps? Und macht die Grö­ße der Pi­xel ei­nen Un­ter­schied, wür­de ein Sna­keHD nicht von fei­ne­ren Pi­xeln pro­fi­tie­ren?

Gibt es dann viel­leicht nicht auch in Zu­kunft ei­ne bes­se­re Tech­nik um un­se­re Au­gen »aus­zu­trick­sen«? Denn beim Schwen­ken des Bli­ckes spielt die ei­gent­li­che Be­we­gung kaum ei­ne Rol­le, man kon­zen­triert sich nur auf das Ziel am En­de der Re­gung und nicht auf die Ges­te an sich.

GameStar-News: Auch ohne 60fps unterhaltsam. (Aber in den Kommentaren steht viel Quatsch über fps und das Auge.)

Hätte man das nicht gleich sagen können?

Hät­te, hät­te, Fahr­rad­ket­te, ich hof­fe nur, dass sich nicht so vie­le Leu­te ge­gen längst über­fäl­li­ge Än­de­run­gen weh­ren und bei ei­ner Er­hö­hung der Bild­ra­te nicht schrei­en: »Man sieht doch eh kei­ne Un­ter­schied, Wer­be­lü­ge!« oder »Der Film­flair geht ver­lo­ren, ist ja fast so schlimm wie Farb­fern­se­hen!«. Man soll­te all­ge­mein im­mer Of­fen­heit be­sit­zen wenn es neue Ver­bes­se­run­gen für we­nig Mehr­auf­wand gibt, egal bei wel­chem The­ma.

Kommt man selbst nicht so­fort da­mit zu­recht, wird es da­ge­gen für nach­fol­gen­de Ge­nera­tio­nen, die mit 48/60-fps-Fil­men oder 288-Hz-Bil­schir­men groß wer­den, merk­lich an­ge­neh­mer und na­tür­li­cher sein.

Spe­zi­ell bei Fil­men ist die Ein­ge­wöh­nungs­zeit durch­schnitt­lich sehr kurz und man nimmt Vi­de­os deut­lich be­kömm­li­cher wahr, da ei­nem die Bild­se­quenz we­sent­lich flüs­si­ger vor­kommt.

Per­sön­lich be­vor­zu­ge ich da­her 60+ fps in Spie­len, statt Ul­tra-Ein­stel­lun­gen und Me­ga-An­tia­li­sing. Wie auch Mo­ti­on In­ter­po­la­ti­on trotz der ab und an sicht­ba­ren Ar­te­fak­te. Wo­bei bei­des letzt­lich Ge­schmacks­sa­che ist.

Muss der Quatsch geglaubt werden? Gibt's Nachweise?

Sehr wich­tig, durch die­se zwei Quel­len bin ich über­haupt erst zu dem Groß­teil des Wis­sens ge­kom­men: