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 30 fps 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. 25 fps be­deu­ten, dass wir 25 (un­ter­schied­li­che) Bil­der je­de Se­kun­de ge­lie­fert be­kom­men und ein Bild da­mit 40 ms lang zu se­hen ist.

Ki­no­fil­me lau­fen seit rund ei­nem Jahr­hun­dert mit 24 fps (ab­ge­se­hen von der Hob­bit-Rei­he) und wer­den mit 72 Hz, bzw. 96 Hz wie­der­ge­ge­ben (wo­bei hier ein Bild je 3, bzw. 4 Mal dar­ge­stellt wird). Für das deut­sche Fern­se­hen wird das Vi­deo­ma­te­ri­al leicht be­schleu­nigt um 25 fps (»PAL«) zu er­rei­chen. Ein­stei­ger-TV-Ge­rä­te zei­gen die Bil­der dop­pelt an um auf 50 Hz zu kom­men, High-End-Ge­rä­te ver­wen­den Mo­ti­on In­ter­po­la­ti­on um ex­tra Frames zwi­schen den ge­ge­be­nen Bil­der zu »er­ra­ten«, sie be­sit­zen da­für ein Pa­nel mit min­des­tens 100 Hz. Spie­le (zu­min­dest auf dem PC) kön­nen theo­re­tisch mit be­lie­big vie­len Bil­dern pro Se­kun­de lau­fen, der Mo­ni­tor be­schränkt sich je­doch ge­ne­rell auf Fre­quen­zen wie 60 Hz oder 144 Hz. 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 60 Hz, so­mit zeigt er im Ide­al­fall 60 auf­ein­an­der fol­gen­de Bil­der pro Se­kun­de an. Be­rech­net die Gra­fik­kar­te kon­stant 59 fps in ei­nem Spiel, muss je ein Bild ei­ner Se­kun­de dop­pelt an­ge­zeigt wer­den (we­gen VSync). So­mit scheint der Ab­lauf kurz wie ein­ge­fro­ren, da ein Bild 33,3 ms lang und die an­de­ren 58 Bil­der je 16,6 ms lang pro Se­kun­de ge­zeigt wer­den. Glei­ches wür­de auch am TV pas­sie­ren, wenn eu­ro­päi­sche Sen­der auf un­ver­än­der­tes 24-fps-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 72 Hz ein­stel­len. Da 72 ein viel­fa­ches von 24 ist, wird auch je­des Bild ei­nes PC-Spie­les mit kon­stan­ten 24 fps 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 24 fps 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 24 fps 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 48 fps 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 30 fps 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 30 fps?

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 72 Hz, 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 60 fps 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: