Wie viele Bilder pro Sekunde kann das menschliche Auge wirklich sehen?

Ich verbringe viel zu viele meiner ersten zarten Minuten in einem neuen Spiel mit einem Framerate-Zähler in der Ecke meines Bildschirms. Ich spiele, überempfindlich gegenüber den kleinsten Störungen, schalte die Grafikeinstellungen ein und aus, um sie zu optimieren, und mache mir Sorgen, und optimiere und mache mir wieder Sorgen.

Ich schwöre, bei mir läuft der Zähler nicht ständig. Das wäre ungesund, oder? Aber die Framerate ist uns wichtig. Es ist das zentrale Maß, anhand dessen wir sowohl unsere Ausrüstung als auch die technischen Fähigkeiten eines Spiels bewerten. Und warum nicht? Ein Framerate-Zähler lügt nicht. Es handelt sich um eine gerade, einfache Zahl. In einer unsicheren Welt ist es etwas, zu dem wir stehen können.

Aber kannst du sehen hohe Frameraten? Damit beginnt ein Streit, der so alt ist wie PC-Spiele, ein ständiger und verworrener Krieg, in dem Stolz auf wackelige Wissenschaft trifft. Aber abgesehen von der Wut im Internet ist es eine interessante Frage, vor allem weil sie sich mit der primären Art und Weise befasst, wie wir Computerspiele erleben. Was Ist die maximale Framerate, die das menschliche Auge sehen kann? Wie deutlich ist der Unterschied zwischen 30 Hz und 60 Hz? Zwischen 60 Hz und 144 Hz? Ab wann ist es sinnlos, ein Spiel schneller anzuzeigen?

Die Antwort ist komplex und ziemlich unordentlich. Möglicherweise sind Sie mit Teilen davon nicht einverstanden. manche machen dich vielleicht sogar wütend. Augen- und visuelle Kognitionsexperten, selbst diejenigen, die selbst Spiele spielen, haben möglicherweise eine ganz andere Sichtweise als Sie, wenn es darum geht, was an der fließenden Bilddarstellung, die Computer und Monitore anzeigen, wichtig ist. Aber das menschliche Sehen und Wahrnehmen ist eine seltsame und komplizierte Sache, und es funktioniert nicht ganz so, wie es sich anfühlt.

Aspekte des Sehens

Das erste, was wir verstehen müssen, ist, dass wir verschiedene Aspekte des Sehens unterschiedlich wahrnehmen. Das Erkennen einer Bewegung ist nicht dasselbe wie das Erkennen von Licht. Eine andere Sache ist, dass verschiedene Teile des Auges unterschiedlich funktionieren. Das Zentrum Ihrer Sicht ist in anderen Dingen gut als die Peripherie. Und eine andere Sache ist, dass es natürliche, physische Grenzen für das gibt, was wir wahrnehmen können. Es braucht Zeit, bis das Licht, das durch Ihre Hornhaut dringt, zu Informationen wird, auf die Ihr Gehirn reagieren kann, und unser Gehirn kann diese Informationen nur mit einer bestimmten Geschwindigkeit verarbeiten.

Noch ein weiteres wichtiges Konzept: Die Gesamtheit dessen, was wir wahrnehmen, ist größer als das, was jedes einzelne Element unseres visuellen Systems erreichen kann. Dieser Punkt ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis unserer Wahrnehmung des Sehens.

„Man kann das Verhalten des gesamten Systems nicht anhand einer Zelle oder eines Neurons vorhersagen“, sagt Jordan DeLong. DeLong ist Assistenzprofessor für Psychologie am St. Joseph’s College in Rensselaer und der Großteil seiner Forschung befasst sich mit visuellen Systemen. Wir können tatsächlich Dinge wahrnehmen, wie zum Beispiel die Breite einer Linie oder zweier aneinandergereihter Linien, die kleiner sind als das, was ein einzelnes Neuron leisten kann, und das liegt daran, dass wir den Durchschnitt über Tausende und Abertausende von Neuronen bilden. Ihr Gehirn ist tatsächlich viel genauer als ein einzelner Teil davon.

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Gamer ... [sind] eine wirklich seltsame Gruppe von Menschen, die wahrscheinlich nahezu die maximale [Sichtweite] erreichen.

Assistenzprofessor Jordan DeLong

Und schließlich sind wir etwas Besonderes. Computerspieler haben einige der besten Augen überhaupt. Wenn man mit Spielern arbeitet, hat man es mit einer wirklich seltsamen Gruppe von Leuten zu tun, die wahrscheinlich nahe am Maximalniveau arbeiten, sagt DeLong. Das ist, weil Die visuelle Wahrnehmung kann trainiert werden, Actionspiele eignen sich besonders gut zum Trainieren des Sehvermögens .

[Spiele sind] einzigartig, eine der wenigen Möglichkeiten, fast alle Aspekte Ihres Sehvermögens massiv zu verbessern, also die Kontrastempfindlichkeit, die Aufmerksamkeitsfähigkeit und die Verfolgung mehrerer Objekte, sagt mir Adrien Chopin, ein Postdoktorand in den Kognitionswissenschaften. So gut, dass Spiele in der visuellen Therapie eingesetzt werden.

Bevor Sie sich also darüber ärgern, dass Forscher darüber reden, welche Frameraten Sie wahrnehmen können und welche nicht, klopfen Sie sich selbst auf die Schulter: Wenn Sie actionlastige Spiele spielen, sind Sie wahrscheinlich sensibler für Frameraten als der Durchschnittsmensch.

Bewegung wahrnehmen

Kommen wir nun zu einigen Zahlen. Das erste, worüber man nachdenken sollte, ist die Flimmerfrequenz. Die meisten Menschen nehmen eine flackernde Lichtquelle als gleichmäßiges Leuchten mit einer Frequenz von 50 bis 60 Mal pro Sekunde oder Hertz wahr. Manche Menschen können ein leichtes Flackern in einer 60-Hz-Leuchtstofflampe wahrnehmen, und die meisten Menschen werden flackernde Schlieren in ihrem Sichtfeld sehen, wenn sie eine schnelle Augenbewegung machen, während sie auf die modulierten LED-Rücklichter schauen, die in vielen modernen Autos zu finden sind.

Dies ist jedoch nur ein Teil des Rätsels, wenn es darum geht, flüssige, flüssige Spielaufnahmen wahrzunehmen. Und wenn Sie von Studien über Kampfpiloten gehört haben, in denen diese die Fähigkeit bewiesen haben, ein 1/250stel Sekunde lang auf dem Bildschirm aufblitzendes Bild wahrzunehmen, dann ist das auch nicht ganz das, worum es bei der Wahrnehmung flüssiger, fließender Computerspielbilder geht . Das ist, weil Spiele geben bewegte Bilder aus und rufen daher andere visuelle Systeme auf als diejenigen, die einfach Licht verarbeiten.

Als Beispiel gibt es dieses Ding namens Blochs Gesetz . Im Grunde ist es eines der wenigen Gesetze in der Wahrnehmung, sagt mir Professor Thomas Busey, stellvertretender Lehrstuhlinhaber am Department of Psychological and Brain Sciences der Indiana University. Darin heißt es, dass es bei einem Lichtblitz, der weniger als 100 ms dauert, einen Kompromiss zwischen Intensität und Dauer gibt. Sie können eine Nanosekunde unglaublich helles Licht haben und es wird genauso erscheinen wie eine Zehntelsekunde schwaches Licht. Im Allgemeinen können Menschen nicht innerhalb einer Zehntelsekunde zwischen kurzen, hellen und langen, schwachen Reizen unterscheiden, sagt er. Es ist ein bisschen wie das Verhältnis zwischen Verschlusszeit und Blende bei einer Kamera: Wenn Sie bei großer Blende viel Licht einlassen und eine kurze Verschlusszeit einstellen, wird Ihr Foto genauso gut belichtet wie ein Foto, das mit wenig Licht aufgenommen wurde Licht mit kleiner Blende und langer Verschlusszeit.

Aber während wir Schwierigkeiten haben, die Intensität von Lichtblitzen mit einer Dauer von weniger als 10 ms zu unterscheiden, können wir unglaublich schnelle Bewegungsartefakte wahrnehmen. Sie müssen sehr spezifisch und besonders sein, aber man könnte ein Artefakt bei 500 fps sehen, wenn man wollte, sagt DeLong.

Die Spezifität bezieht sich auf die Art und Weise, wie wir verschiedene Arten von Bewegung wahrnehmen. Wenn Sie still sitzen und beobachten, wie sich Dinge vor Ihnen bewegen, ist das ein ganz anderes Signal als die Aussicht, die Sie beim Gehen haben. Sie konzentrieren sich auf verschiedene Orte, sagt DeLong. Der mittlere Teil Ihres Sehvermögens, die Fovealregion, die am detailliertesten ist, ist eigentlich ziemlich schlecht, wenn es um die Bewegungserkennung geht. Wenn Sie also beobachten, wie sich Dinge in der Mitte des Bildschirms bewegen, ist das kein so großes Problem Wie hoch ist die Bildwiederholfrequenz? Sie können es mit diesem Teil Ihres Auges unmöglich sehen.

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Aber Draußen in der Peripherie unserer Augen nehmen wir Bewegungen unglaublich gut wahr . Bei einem Bildschirm, der ihr peripheres Sichtfeld ausfüllt und der mit 60 Hz oder mehr aktualisiert wird, berichten viele Menschen, dass sie das starke Gefühl haben, dass sie sich körperlich bewegen. Dies ist zum Teil der Grund dafür, dass VR-Headsets, die im peripheren Sichtfeld betrieben werden können, so schnell aktualisiert werden (90 Hz).

Es lohnt sich auch, über einige Dinge nachzudenken, die wir tun, wenn wir beispielsweise einen Ego-Shooter spielen. Wir kontrollieren kontinuierlich die Beziehung zwischen unserer Mausbewegung und der Ansicht in einer wahrnehmungsbezogenen Motor-Feedback-Schleife, wir navigieren und bewegen uns durch den 3D-Raum und wir suchen und verfolgen auch Feinde. Daher aktualisieren wir unser Verständnis der Spielwelt kontinuierlich mit visuellen Informationen. Busey sagt, dass die Vorteile glatter, schnell auffrischender Bilder eher in unserer Wahrnehmung großräumiger Bewegungen als in feinen Details liegen.

Aber wie schnell können wir Bewegung wahrnehmen? Nach allem, was Sie oben gelesen haben, können Sie wahrscheinlich vermuten, dass es keine gibt präzise Antworten. Aber es gibt einige eindeutige Antworten, wie zum Beispiel diese: Man kann den Unterschied zwischen 30 Hz und 60 Hz deutlich erkennen.

Welche Frameraten können wir wirklich sehen?

Sicherlich sind 60 Hz besser als 30 Hz, nachweislich besser, sagt Busey. Das ist also eine abgewiesene Internetklage. Und da wir Bewegungen schneller wahrnehmen können als eine flackernde 60-Hz-Lichtquelle, sollte der Pegel höher sein, aber er wird sich nicht auf eine Zahl einlassen. Ob das bei 120 Hz ein Plateau erreicht oder ob man einen zusätzlichen Boost auf bis zu 180 Hz bekommt, weiß ich einfach nicht.

„Ich denke, wenn man einmal über 200 fps kommt, sieht es normalerweise wie normale, reale Bewegung aus“, sagt DeLong. Aber allgemeiner ausgedrückt geht er davon aus, dass die Wahrscheinlichkeit, dass Menschen Veränderungen in der Glätte eines Bildschirms erkennen können, bei etwa 90 Hz abnimmt. Klar, Kenner können vielleicht winzige Unterschiede erkennen, aber für den Rest von uns ist es so, als wäre Rotwein gleich Rotwein.

Chopin betrachtet das Thema ganz anders. Aus der Literatur gehe klar hervor, dass man nichts über 20 Hz sehen könne, sagt er mir. Und obwohl ich zugeben muss, dass ich anfangs in meinen Kaffee schnupfte, ergab sein Argument bald viel mehr Sinn.

Sicherlich sind 60 Hz besser als 30 Hz, nachweislich besser.

Professor Thomas Busey

Er erklärt mir, dass wir, wenn wir in einem Ego-Shooter nach Elementen suchen und diese als Ziele kategorisieren, mehrere Ziele verfolgen und Bewegungen kleiner Objekte erkennen. Wenn Sie beispielsweise die Bewegungserkennung eines kleinen Objekts verwenden, was ist die optimale zeitliche Frequenz eines Objekts, das Sie erkennen können?

Und Studien haben ergeben, dass die Antwort zwischen 7 und 13 Hz liegt. Danach lässt unsere Bewegungsempfindlichkeit deutlich nach. Wenn Sie eine visuelle Suche oder eine mehrfache visuelle Verfolgung durchführen oder einfach nur die Bewegungsrichtung interpretieren möchten, nimmt Ihr Gehirn nur 13 Bilder aus einer Sekunde kontinuierlichen Flusses auf, sodass Sie die anderen dazwischen liegenden Bilder zu einem Bild mitteln.

2010 vom Forscher Rufin vanRullen entdeckt, Dies geschieht buchstäblich in unserem Gehirn : Sie können in einem EEG einen stetigen 13-Hz-Aktivitätsimpuls sehen, und dies wird weiter durch die Beobachtung gestützt, dass wir auch das „ Wagenradeffekt “, das man bekommt, wenn man Aufnahmen eines sich drehenden, mit Speichen versehenen Objekts fotografiert. Bei der Wiedergabe kann es so aussehen, als ob sich das Objekt in die entgegengesetzte Richtung dreht. Das Gehirn macht dasselbe, sagt Chopin. Das kann man auch ohne Kamera sehen. Angesichts aller Studien sehen wir keinen Unterschied zwischen 20 Hz und höher. Gehen wir zu 24 Hz, dem Standard der Filmindustrie. Aber ich sehe keinen Sinn darin, darüber hinauszugehen.

In diesem Artikel geht es darum, welche Frameraten das menschliche Auge wahrnehmen kann. Der Elefant im Raum: Wie schnell können wir reagieren zu dem, was wir sehen? Es ist eine wichtige Unterscheidung zwischen Spielen und Filmen, die einen weiteren ganzen Artikel verdient.

Warum also können Spiele fühlen deutlich unterschiedlich bei 30 und 60 fps? Es passiert mehr als nur die Framerate. Eingabeverzögerung ist die Zeitspanne, die zwischen der Eingabe eines Befehls, der Interpretation dieses Befehls durch das Spiel und der Übertragung an den Monitor sowie der Verarbeitung und Darstellung des Bildes durch den Monitor vergeht. Zu viel Input-Lag führt dazu, dass sich jedes Spiel träge anfühlt, unabhängig von der Bildwiederholfrequenz des LCD.

Aber ein Spiel, das für die Ausführung mit 60 fps programmiert ist, kann Ihre Eingaben möglicherweise schneller anzeigen, da die Frames kürzere Zeitabschnitte (16,6 ms) im Vergleich zu 30 fps (33,3 ms) darstellen. Die menschliche Reaktionszeit ist definitiv nicht so schnell, aber unsere Fähigkeit zu lernen und vorhersagen kann dazu führen, dass unsere Antworten viel schneller erscheinen.

Wichtig hierbei ist, dass Chopin davon spricht, dass das Gehirn visuelle Informationen erfasst, die es verarbeiten und auf die es reagieren kann. Er sagt nicht, dass wir keinen Unterschied zwischen 20-Hz- und 60-Hz-Filmmaterial feststellen können. Nur weil Sie den Unterschied sehen, heißt das nicht, dass Sie im Spiel besser sein können , er sagt. Nach 24 Hz wird es Ihnen nicht besser gehen, aber Sie haben möglicherweise eine phänomenologische Erfahrung, die anders ist. Es gibt daher einen Unterschied zwischen Wirksamkeit und Erfahrung.

Und obwohl Busey und DeLong den ästhetischen Reiz einer reibungslosen Framerate anerkennen, war keiner von ihnen der Meinung, dass die Framerate das A und O der Gaming-Technologie ist, die wir vielleicht nutzen. Für Chopin ist die Auflösung weitaus wichtiger. Wir sind bei der Interpretation zeitlicher Unterschiede sehr begrenzt, aber bei der Interpretation räumlicher Unterschiede sind uns fast keine Grenzen gesetzt, sagt er.

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Für DeLong ist auch die Auflösung wichtig, aber nur für den kleinen, zentralen Bereich des Auges, der sich darum kümmert, der nur ein paar Grad Ihres Sichtfelds umfasst. Zu den überzeugendsten Dingen, die ich je gesehen habe, gehört das Eye-Tracking. Warum machen wir die volle Auflösung nicht nur für die Bereiche des Auges, in denen wir sie tatsächlich benötigen? Sein eigentlicher Fokus liegt jedoch auf Kontrastverhältnissen. Wenn wir wirklich echtes Schwarz und strahlendes Weiß sehen, ist das wirklich überzeugend, sagt er.

Was wir wirklich wissen

Was wissen wir nach all dem wirklich? Dass das Gehirn kompliziert ist und dass es wirklich keine allgemeingültige Antwort gibt, die für jeden gilt.

• Manche Menschen können das Flackern einer 50- oder 60-Hz-Lichtquelle wahrnehmen. Höhere Bildwiederholraten reduzieren wahrnehmbares Flimmern.
• Am Rande unseres Sehvermögens erkennen wir Bewegungen besser.
• Die Art und Weise, wie wir das Aufblitzen eines Bildes wahrnehmen, unterscheidet sich von der Art und Weise, wie wir ständige Bewegung wahrnehmen.
• Gamer verfügen wahrscheinlich über die empfindlichsten und geschultesten Augen, wenn es darum geht, Bildveränderungen wahrzunehmen.
• Nur weil wir den Unterschied zwischen den Frameraten wahrnehmen können, bedeutet das nicht unbedingt, dass die Wahrnehmung unsere Reaktionszeit beeinflusst.

Es ist also kein aufgeräumtes Thema und obendrein müssen wir uns auch noch überlegen, ob unsere Monitore tatsächlich in der Lage sind, Bilder mit diesen hohen Frameraten auszugeben. Viele gehen nicht über 60 Hz hinaus, und Busey fragt sich, ob Monitore, die mit 120 Hz beworben werden, wirklich so schnell anzeigen (laut einigen gründlichen Tests bei TFTCentral , das tun sie auf jeden Fall). Und als jemand, der auch Spiele mit den 30 Bildern pro Sekunde (und oft etwas weniger) genossen hat, die meine Konsolen rendern, kann ich sie nachvollziehen, wenn sie meinen, dass andere Aspekte der visuellen Darstellung möglicherweise besser zu meiner visuellen Wahrnehmung passen.

Andererseits würde ich gerne von Profiteams über ihre objektiven Erfahrungen mit der Framerate und deren Auswirkungen auf die Spielerleistung hören. Vielleicht bestätigen oder widersprechen sie der aktuellen wissenschaftlichen Denkweise auf diesem Gebiet. Wenn Gamer so besonders sind, wenn es um Visionen geht, sollten wir vielleicht diejenigen sein, die ein neues Verständnis davon vorantreiben.