Сколько видит глаз: мегапиксели сетчатки, 8K и миф о 24 кадрах

Сколько герц нужно глазу? Спор старый, как сами мониторы. Одни говорят, что выше 60 Гц смысла нет, другие клянутся, что различают 144 от 165. А заодно всплывает родственный миф, мол, глаз видит всего 24 кадра в секунду. Если честно, оба спора построены на одном недоразумении. У глаза нет ни фиксированного разрешения, ни фиксированной частоты кадров. Он работает совсем не так, как матрица камеры, и сейчас объясню, как именно. Заодно посчитаем, где заканчиваются 8K и высокие герцы.

Единого порога у зрения нет: картинка зависит от яркости, контраста, освещения комнаты и самого зрителя. Но порядки величин вполне себе надёжные, и они многое объясняют.

Пиксель на градус

Начнём с эталона. Острота зрения 1,0 означает способность различить две точки с угловым размером в одну угловую минуту, а градус делится на 60 таких минут. Отсюда главная метрика сегодняшнего разговора, пиксель на градус, PPD. Экран с плотностью 60 PPD считается эталоном для нормального зрения: отдельные пиксели не видны, а всё, что мельче, глаз уже не разбирает. Именно эта цифра годами кочевала по статьям как предел глаза.

Осенью прошлого года учёные из Кембриджа пересчитали предел по-новому, и глаз оказался острее. Для чёрно-белых узоров предел дошёл до 94 пикселей на градус, для красных и зелёных около 89, а вот жёлтые и фиолетовые глаз разбирает лишь при 53 PPD. Команда заодно выпустила онлайн-калькулятор: вводишь размер экрана, разрешение и расстояние, и он говорит, видите ли вы теоретический максимум или нет.

Теперь живые цифры. 50-дюймовый телевизор 1440p на трёх метрах даёт около 120 пикселей на градус, выше свежего предела. По расчётам команды, несовершенство такой картинки замечает лишь около одного процента участников, и все они с остротой заметно выше эталонной, а на 4K и 8K отклонение не засчитал ни один участник. Забавно, что фраза «8K неотличимо от 1440p с трёх метров» звучит как троллинг, а по факту это аккуратная физика.

Мегапиксели глаза

Ну и куда без знаменитой цифры. Вы наверняка встречали утверждение, что глаз соответствует 576-мегапиксельной камере. Число посчитал астроном и фотограф Роджер Кларк, взяв горизонтальное поле зрения около 120 градусов при разрешении 0,3 угловой минуты. Если считать скромнее, с полем в 90 градусов, выходит 324 мегапикселя.

Но эта цифра и вводит в заблуждение. Резкость у глаза распределена неравномерно до безобразия. Высокой деталью обладает только фовеа, ямка в центре сетчатки, по популярным прикидкам её вклад равен 7-9 мегапикселям. Всё остальное поле постепенно уходит в размытость, а мозг бесшовно склеивает картинку, пока глаз прыгает микродвижениями по сцене. По классической оценке, в сетчатке около 6 миллионов колбочек и порядка 120 миллионов палочек, но сигнал сжимается ещё до выхода из глаза. Реальные прикидки эффективного разрешения расходятся на порядки, и все они сильно ниже кларковских 576. Так что сравнивать глаз с камерой напрямую, так сказать, некорректно. Это не один кадр, а конвейер со сканированием сцены в реальном времени.

Видим ли мы 8K

А вот здесь уже интереснее. В 2020 году Pixar, Amazon, LG, Warner Bros. и Американское общество кинематографистов поставили честный эксперимент. 139 зрителей смотрели на 88-дюймовом 8K OLED-телевизоре ролики, от кадров «Дюнкерка» до анимации Pixar, где 4K-версии аккуратно растянули до 8K. Передний ряд сидел в полутора метрах от экрана, задний в 2,75 метрах, это ближе типичного домашнего просмотра.

Вывод вышел отрезвляющим. Большинство участников оценили 8K лишь «совсем немного лучше». Заметить разницу сумели только зрители с остротой 20/10, вдвое выше эталонной, и лишь на двух роликах, анимационном и природном, где плотность мелких деталей была максимальной. Теперь, когда есть цифры по PPD, результат легко перепроверить: 88 дюймов 8K с полутора метров дают около 100 пикселей на градус, чуть выше свежего предела, вот и объяснение, почему сработали только лучшие глаза с первого ряда. Два исследования, разделённые годами, сходятся в одну точку, что отдельно радует.

Практический вывод простой. Для 55-дюймового 4K-телевизора порог в 94 PPD достигается уже с расстояния около 1,7 метра. Сидите дальше, и 8K ничего не добавит. С мониторами жёстче. Для 27-дюймового 4K-монитора на привычных 60 сантиметрах классические 60 PPD уже пройдены, но до новых 94 ещё далеко. Причём запас касается контрастных деталей вроде текста, цветовые тонкости глаз на таком мониторе уже почти не различит. Так что сверхплотные панели не совсем маркетинг.

Миф о 24 кадрах

Кстати, если у глаза нет фиксированной частоты, откуда миф про 24 кадра. Ответ скучнее легенды. В немом кино крутили и 16, и 18, а Эдисон вообще стоял за 46, кто как умел и кому сколько плёнки не жалко. С приходом звука в конце двадцатых понадобилась единая стабильная скорость для синхронизации фонограммы, и студии остановились на 24 кадрах в секунду. Это экономичный минимум, а не физиологический идеал.

Мерцание при этом убирает не сама частота. В проекторе стоит обтюратор, диск с лопастями, который дважды за один кадр перекрывает свет, и на экране происходит 48 вспышек в секунду. Плюс съёмка традиционно идёт с выдержкой порядка 1/48 секунды, и движение в кадре естественно смазывается. Киношная картинка — это связка из трёх вещей: низкой частоты кадров, двойных вспышек и смазанного движения. Именно поэтому фильм на 24 кадрах смотрится цельно, а игра на 24 FPS выглядит рвано. В игре выдержку увеличить нельзя, каждый кадр — это мгновенный срез, и недостающее движение глазу приходится домысливать самому.

Телевизионные же стандарты 50 и 60 Гц взялись вообще из частоты электрической сети и к физиологии зрения отношения не имеют.

Сколько же нужно

Теперь ответ на вопрос из первого абзаца. Определить, что за сцена мелькнула перед глазами, мозг успевает за 13 миллисекунд, это показали ещё в 2014 году исследователи из MIT. Но это порог для одиночного мелькнувшего кадра, а не предел восприятия движения, к частоте мониторов цифра отношения не имеет. Порог слияния мерцания у обычного человека лежит в районе 50-90 Гц, при этом нейроны сетчатки и зрительного тракта откликаются на частоты и за 100 Гц, просто сознание этого уже не регистрирует. В специальных лабораторных условиях артефакты замечали и на 500 FPS. В обычной жизни всё скромнее, но и здесь глаз работает как аналоговый датчик без тактового генератора, а не как кадры на ленте.

И отсюда же понятно, что дают высокие герцы в мониторах. Не «видимость» самих кадров, а плавность. При 144 Гц изображение уже давно не мерцает, зато быстрее отрабатываются повороты камеры и меньше смаз при слежении за движущимся объектом. Прирост от 60 к 144 заметен почти всем, дальше он становится всё тоньше и сильнее зависит от жанра и рефлексов.

Итоги

Если совсем коротко. Телевизору 4K достаточно, если вы сидите дальше пары метров, а 8K имеет смысл только для гигантских диагоналей при просмотре с полутора метров и ближе. 27-дюймовый 4K-монитор на дистанции 60 сантиметров уже зашёл за классический порог, и даже тут глаз с отличной остротой способен различить чуть больше, но в основном за счёт контрастных деталей. Герцы в мониторах важны не из-за «глаз видит только 60», а ради плавности и отклика, и после 144 Гц каждый следующий шаг ощущается всё слабее.

Ну и куда без ложки дёгтя. Все эти тесты гоняли изолированные пиксели и статичные картинки, а не живой фильм или игру, и исследователи сами предупреждают, что с реальным контентом восприятие работает немного иначе. Но общий вывод, как мне кажется, уже не оспорить. У глаза нет ни разрешения в мегапикселях, ни частоты в герцах как константы. Есть переменная физиология восприятия, и она куда интереснее любой таблички из маркетинга.

Изображение в превью:
Автор: Nano Banana Mini
Источник: gemini.google.com