Tại sao mắt và não người thích các nội dung chạy ở 60fps?

Hiện nay, các nhà phát triển nội dung chủ yếu đều tăng cường về độ phân giải hơn là tỷ lệ khung hình (fps) của nội dung và chúng thường chỉ dừng lại ở 24fps và 30fps. Vậy thì tại sao con người lại thích các nội dung hiển thị ở 60fps (60 khung hình một giây) hơn là 24fps và 30fps?

Một trong số những vấn đề thường xuyên được đặt ra trong các cuộc thảo luận về khoa học kỹ thuật đó là tỷ lệ khung hình như thế nào được xem là "đủ tốt" dành cho mắt người. Một mặt, nhiều người cho rằng các đoạn phim chạy ở 24 khung hình một giây (fps) và game chạy ở 30fps là hoàn hảo nhất dành cho mắt người và nếu tăng con số ấy lên thì sẽ không có bất kỳ lợi ích gì. Tuy vậy, có rất nhiều bằng chứng khách quan cho thấy điều này là không đúng sự thật, một bài blog mới của Simon Cooke đến từ bộ phận Xbox của Microsoft đã đào sâu vào một câu hỏi duy nhất: Tại sao con người lại có xu hướng thích các nội dung chuyển động với số khung hình cao hơn?

Một phần của vấn đề này đó là mắt của con người là một bộ phận rất phức tạp, mắt người sẽ thực hiện việc xử lý hình ảnh của mình trước khi truyền tín hiệu đến não. Chúng ta thường có xu hướng nghĩ về những gì mà chúng ta thấy như là một tổng thể được liên kết lại với nhau, vì toàn bộ hệ thống thị giác của con người cho phép chúng ta làm như vậy. Trong nhiều trường hợp, điều này lại không đúng. Độ nhạy của mắt để những màu sắc, các chuyển động, ánh sáng và sự tăng tốc/giảm tốc đều khác nhau. Trong khi chúng ta vẫn thường xuyên nghĩ rằng mắt người là một chiếc máy ảnh, chúng ta sử dụng mắt người để nói về những chuyển động đồ họa do máy tính tạo ra. Video dưới đây được đăng tải lên Imgur của người dùng có tên Vz58V cho chúng ta thấy sự khác biệt giữa 30fps và 60fps ở 3 mức chuyển động khác nhau.

Sau khi xem video trên, bạn đã biết được việc người ta có xu hướng thích các nội dung có tốc độ khung hình cao hơn (đặc biệt là khi chơi game) là đúng, thậm chí có cả các nội dung trên 60fps (60Hz), tốc độ khung hình còn tùy thuộc vào tính chất, đồ họa và nhịp độ nhanh hay chậm của từng hành động trong trò chơi.

Lý thuyết mà Simon Cooke nói ở đây đó là xu hướng trên đã tạo ra các khía cạnh thú vị về tầm nhìn của con người – ngay khi bạn tập trung chú ý đôi mắt của bạn vào một điểm duy nhất, thực chất võng mạc không bao giờ đứng yên. Sự rung động – đúng hơn gọi là ocular microtremor – xảy ra ở một tần số trung bình 83.68Hz, với một loạt rung lắc khoảng 150-250nm (nanomet), hoặc về chiều rộng từ 1 đến 3 tế bào cảm quang nằm trong võng mạc.

Do sự rung lắc qua lại của võng mạc, chẳng hạn khi cùng nhìn vào một điểm với cả 2 mắt nhưng khi chỉ mở 1 trong 2 mắt – mở qua mở lại, mở mắt này rồi nhắm mắt kia và ngược lại – làm liên tiếp như thế thì sẽ thấy điểm đó nằm ở vị trí sát gần với nhau chứ không chính xác tuyệt đối. Đó là do các tế bào bên trong mắt bạn có hai loại tế bào hạch thần kinh võng mạc khác nhau – các tế bào trung tâm sẽ phản hồi khi trung tâm tế bào tiếp nhận các ánh sáng chiếu vào nó, và các tế bào lệch tâm sẽ phản hồi khi trung tâm tế bào không tiếp nhận bất kỳ ánh sáng nào.

Khi võng mạc rung động qua lại, ánh sáng sẽ chiếu đến cả tế bào trung tâm và tế bào lệch tâm làm kích thích cả 2 tế bào. Nếu lý thuyết này là chính xác, nó có nghĩa rằng võng mạc của người khá hữu ích đối với thế giới xung quanh chúng ta, giống như video card và các cỗ máy game console có thể khiến cho độ phân giải của game có thể cao hơn trước khi xuất ra màn hình lớn. Hình ảnh dưới đây cho thấy ví dụ về cách dùng nhiều vật mẫu của một đồ vật có thể mang lại kết quả cao và chính xác hơn.

Nhưng khả năng này nhằm trích xuất thông tin bổ sung từ những gì mà chúng ta nhìn thấy phụ thuộc vào lượng thông tin vào hệ thống ở một tỷ lệ nhất định. Nếu tỷ lệ của vật mẫu (30Hz, 30fps) thấp hơn khoảng một nửa tỷ lệ microtremor của võng mạc, hình ảnh sẽ không thay đổi một cách nhanh chóng đủ cho mắt có thể lấy thêm thông tin.

Siêu phân giải

Nếu bạn đã theo dõi các cuộc thảo luận về "microstutter" và khung thời gian trễ (frame latency) trong game, bạn đã biết rằng một trong số những lý do mà microstutter có vẻ ít trực quan hơn so với tỷ lệ khung hình. Cắt một khung hình có độ trễ từ 33,3ms (30fps) đến 25ms (40fps), bạn sẽ cảm thấy chúng không mượt bằng so với các di chuyển từ 40-60fps – mặc dù thực tế rằng sự thay đổi thứ hai – cả 2 đều lớn hơn tương đối và tuyệt đối.

Nếu Cooke chính xác, lời giải thích dành cho hiện tượng này đó là của chế độ "siêu phân giải" của mắt mà sẽ có hiệu quả hơn khi vật di chuyển ở khoảng 43fps. Điều thú vị rằng, ông gợi ý một tỷ lệ khung hình cao hơn so với độ phân giải thấp hơn có thể mang lại một cái nhìn đẹp hơn so với độ phân giải 1080p ở 30fps, cho dù có nhiều nhà phát triển có sẵn sàng hay không vẫn là một câu hỏi mở, hầu hết các hệ máy Xbox đã thất bại khi cố gắng đạt được độ phân giải 1080p@30fps, nhưng hầu hết đều dừng lại ở mức 900p chứ không phải là 720p.

Nếu bạn đang thắc mắc để xem 60fps và 30fps khác nhau như thế nào trong khi chơi game, hãy vào trang web 30vs60.com, đây là một đoạn clip MP4 chứ không phải được lấy từ YouTube, chúng tôi đã xác nhận rằng clip đã được mã hóa dưới dạng 30fps và 60fps tương ứng.

Tuy vậy, không có dấu hiệu nào cho thấy ngành công nghiệp game sẽ áp dụng những thay đổi đó để tận dụng những lợi thế mạnh nhất từ nghiên cứu của Cooke. Ngành công nghiệp game đang gắn bó và có xu hướng thích độ phân giải cao hơn là tốc độ khung hình, và nếu 720p@60fps không thể phổ biến trong thời điểm hiện tại, có rất ít hy vọng rằng 1080p@60fps sẽ xuất hiện (trái ngược với 4K@30fps). Các game thủ, tất nhiên vẫn có quyền truy cập vào các lợi thế đã có, mặc dù họ vẫn có thể yêu cầu một card màn hình mạnh mẽ hơn hoặc giảm các thiết lập về chất lượng ảnh để tăng số khung hình lên. Một màn hình máy tính với V-Sync được kích hoạt sẽ chỉ duy trì tốc độ làm tươi (refesh) 60Hz nếu các game thủ có thể giữ tốc độ chơi liên tục – nếu tỷ lệ khung hình của game bị giảm xuống dưới mức đó, màn hình sẽ tự động trở lại khung hình 20Hz hoặc 30Hz.

Theo tiến bộ của thời đại công nghệ này, các công ty công nghệ luôn tìm cách để nâng cao tầm nhìn của con người. Từ kính áp tròng thông minh thế hệ mới để có thể nhìn rõ vào ban đêm, các thiết bị ngoại vi như Oculus Rift, hay một số dự án nghiên cứu khác để tập trung vào việc tích hợp công nghệ với tầm nhìn của con người theo những cách chưa từng được áp dụng trước kia. Các dự án đang tồn tại sẽ là những chiến lược tuyệt vời và chúng sẽ có khả năng hoạt động ăn khớp và chặt chẽ nhất với những gì mà mắt của con người đã làm được trên cơ thể của chính mình, và có thể làm theo các chức năng của con người theo những cách không ảnh hưởng đến các hành động bình thường hằng ngày.

Phúc Thịnh

Theo ExtremeTech