电影、电视和游戏中的帧率

之前在即刻上看到一个搬运自极客湾的视频，知乎上也有更详尽的文字解释https://www.zhihu.com/question/21081976/answer/34748080。我这里再简单总结一下。

众所周知，电影一般是24帧的，有一个电影的公众号就叫24帧。首先我们来看为什么大多数电影都是24帧，然后再比较一下电影中的帧数和游戏中的帧有什么区别，为什么游戏中需要更高的帧数会流畅。

通常的解释是：24帧的视频就能满足人眼，然后大家墨守成规，同时为了音画同步，大家就都统一使用24帧的画面。即便是在数字时代，更高的帧数依然需要高昂的成本，24帧依然是主流。当然也有一些例外，如《霍比特人》使用了48帧技术，《比利林恩的中场故事》使用了120帧技术。更高的帧数会有什么效果呢？可以在b站就可以找到很多60帧视频。李安使用4K加取120 帧技术绝对是一项技术革命，从光源，到播放技术，到演员的表演，因为在这种清晰度下真的是毫发毕现，但是这也造成了一种电视剧感，因为我们理解的电影就因为是有一种距离感，一种old school的美学。为什么帧率越高越清晰呢？电影不是连续曝光，24帧是在一秒内拍摄了24张照片，但是不是说每一张照片的曝光时间就是1/24秒，曝光时间应该是1/48秒。曝光时间是通过叫做叶子板的半圆形装置进行的，通过改变开角就可以调整曝光时间，可以理解为快门。只要快门时间不为0，理论上就会造成残影。更高的帧率就代表了每一张照片的曝光时间更短，对比于30帧的视频，60帧的视频中每一幅画面的快门时间更短，造成的模糊效应更小，所以虽然分辨率没有改变，但是视频更加清晰。

以60帧制作的视频相比于30帧的更清晰，那么60帧的视频以30帧的速率播放呢？我们在播放时可以选择更低的帧率，可以发现，当使用30帧播放时画面显得卡顿，这是因为30帧画面丢失了一些模糊的细节信息，所以人脑自动补全受到了更大的挑战。这其实也是游戏中要求更高的帧率才能流畅的原因，因为在游戏中画面不是拍摄得到的，而是渲染制作出来的，所以游戏中的快门时间可以认为是0，在游戏中不会有运动模糊。赛车游戏中，即便已经飙车到了120迈，按下截图键依然可以得到清晰的截图，而我们手机拍照时稍微不稳定都可能拍糊。同样是24帧，如果我们将快门速度从1/48秒改为1/96秒，单张图像的清晰度高了，但是由于少了运动模糊，在连贯播放时我们依然会觉得不流畅。所以说帧率和快门时间还要有一个对应关系，而且运动模糊对于视频来说是很重要的。

游戏中由于静止帧造成的卡顿可以通过开启动态模糊选项进行模糊帧的模拟。但是这种模拟的改善有限。此外，游戏中需要更高帧率的原因还有两个：一是帧生成时间（帧与帧间隔的时间），因为游戏场景更复杂，显卡渲染不同的帧需要的时长不确定，会造成间隔不稳定，解决的方法是开启垂直同步。还有一个是游戏特有的人机交互，人眼最大能接受的响应时间是100ms，而机器和屏幕的反应时间是3-5帧，所以游戏中一般要求60帧才能流畅。特别地，如果使用游戏主机玩游戏，在30帧下就算是流畅，这是因为相比于PC机，游戏主机做了针对性的优化，且默认都开启了动态模糊和垂直同步，并且手柄相比于鼠标限制了用户大范围的大动作，当鼠标一秒60像素的时候，鼠标箭头是1像素1像素的移动，一秒600像素的时候，箭头就变成10像素10像素的移动了，中间9个像素的位置信息就丢失了，画面就不连贯了，就卡了。同时，游戏主机情景下人眼离屏幕更远，这也在一定程度上对流畅性有影响。

前面说的是电影和游戏之间的一些区别，那么电影和电视呢？CCTV电影频道经常播放电影（此时播放的其实叫做电视电影），从电影到电视播放时需要哪些转换呢？电视剧等电视节目与电影除了美学方面的区别，还有很多技术方面的区别：电视的显像管的扫描方式是隔行扫描，而即便是胶片电影，其形成的数字中间片是逐行扫描的；在帧率方面，PAL和SECAM制式是25fps，在美国等一些国家使用的电视扫描频率是59.94Hz，帧率是29.97fps。下面就主要介绍了个从电影到电视的帧率适应技术：pulldown。

我国和大多数欧洲国家使用的交流电是50Hz，由于采用隔行扫描，在PAL或者SECAM视频标准中播放是25 frames per second(fps)，PAL标准中为电视节目录制的电影也是25 frames per second，所以对于每一个film frame，捕获得到一个video frame。但是对于最初以24frames/s拍摄的电影，在播放时要加快1/24来匹配，这样就会导致声音不同步，需要使用音高变换器进行校正。使用pulldown方法可以避免加速的过程。为了适应mismatch，需要将24电影帧分配在50个PAL fields中。

NTSC制下交流电频率信号是60Hz，而如果采用间隔扫描下，其实每秒是30张图片，就是30fps，为了把信号和载波区分开，频率降低千分之一，变成了29.97fps。而在电影上播放时，要变成24帧，问题是你不能随便删掉开头的6帧或者结尾的6帧，这样画面会变得很不连续，所以就想出一个方法，叫做2：3pulldown，硬是把5帧的内容缩成了4帧第一个电影帧显示两次，第二帧显示3次，第三帧又显示两次，按照这个规律循环，这样29.97*4/5就是23.976fps了。

Reference：

1. https://www.zhihu.com/question/21081976/answer/34748080
2. https://www.zhihu.com/search?type=content&q=24%E5%B8%A7
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Telecine#2:2_pulldown
4. https://wenku.baidu.com/view/b2dcf05de45c3b3567ec8bcf.html
5. https://www.zhihu.com/question/24245483/answer/145785359