Olhos, cérebro, qualidade de vídeo: reflexões sobre 120fps, 8K, HDR, varinhas, cones e o “efeito novela”

Escrevi muito neste blog sobre a fidelidade da reprodução de som, e o vídeo foi injustamente ignorado e tocado apenas indiretamente. Decidi resolver a situação - o artigo é inteiramente dedicado aos problemas de qualidade de imagem, alta fidelidade na reprodução de vídeo e também à conexão com a visão humana.



Como uma fidelidade impecável à reprodução de vídeo, pode-se tomar um nível tecnológico em que a imagem no monitor não possa ser distinguida da realidade circundante. Sabe-se que, no momento, nem TVs e projetores tradicionais, nem óculos e capacetes da realidade virtual são capazes disso, mas os padrões e direções em que faz sentido trabalhar já estão sendo rastreados. Sob o corte, tentarei determinar os critérios mais significativos para a qualidade da reprodução, de acordo com o modo como nossa percepção visual funciona.

Neurofisiologia da percepção visual

Para entender o quão significativo é esse ou aquele critério, você precisa ter uma idéia de como a visão funciona e como o cérebro reconhece e processa sinais visuais. Na retina humana, há uma área extremamente significativa - a fossa central da retina. É essa área, que representa apenas 1% da área total do sensor visual, que pode ver e transmitir imagens detalhadas e de alta definição (ou seja, possui receptores visuais suficientes: bastões e cones). Além disso, as informações provenientes deste site carregam mais da metade dos neurônios da zona visual do córtex cerebral com trabalho.



Ao mesmo tempo, a fossa visual é capaz de cobrir apenas 2 graus do campo visual. Uma imagem visual em maior escala do mundo ao redor é criada na zona visual do córtex devido a seções de informações "digitalizadas" separadas, bem como graças ao sistema de memória visual. O processo de "digitalização" visual é rápido, mas ainda leva algum tempo. No momento, não há consenso sobre a diferença sobre qual resolução o olho humano não é capaz de determinar.

O processamento de informações visuais pelo cérebro é rápido e invisível para nós, mas é essa alta velocidade de percepção e processamento que nos permite perceber claramente a diferença entre diferentes taxas de quadros e vários outros recursos que sinalizam ao cérebro que a imagem de um tília não é realidade. Ao mesmo tempo, podemos dizer que toda a imagem da realidade que vemos é um produto da atividade cerebral regular, um pouco atrasada no tempo (em milissegundos) dos eventos que estão acontecendo no momento. Portanto, pode-se argumentar que nossos olhos vivem em um passado muito recente.



Um aspecto importante é a taxa de quadros. A ilusão de movimento contínuo já surge com uma frequência de 13 a 17 quadros por segundo. Também é sabido que a visão humana é capaz de capturar objetos na tela que aparecem por uma fração de segundo (de 1/16 a 1/220 segundos). Essa habilidade é individual e especialmente bem desenvolvida entre esportistas e engenheiros de vídeo. Segundo o professor Stuart Enstos, o cérebro é capaz de reduzir o "atraso" na percepção visual para 10 a 15 milissegundos.

As hastes praticamente não são suscetíveis a flores e os cones são mais lentos que as hastes. Grosso modo, podemos dizer que o "FPS máximo" na visão humana é possuído por paus. No centro da retina, as hastes e os cones estão concentrados, o que permite obter uma imagem completa, enquanto os cones “lentos” formam um maior grau de percepção de cores, e as hastes registram principalmente o movimento.

A inércia dos receptores da retina (bastonetes e cones) é considerada a principal limitação física da velocidade da percepção visual; eles determinam principalmente o atraso na transmissão de informações do olho para o cérebro. O Instituto Tecnológico de Massachusetts mediu a inércia mínima dos fotorreceptores para a transmissão de informações visuais - foram 13 ms (o que corresponde a 77 fps), confirmando os dados da Enstos. Sabe-se também que a inércia mínima do “cone da varinha” é de 20 ms (o que corresponde a 50 fps). Simplificando, a limitação fisiológica da velocidade da percepção visual é de 77 qps e a percepção de cores é de 50 qps.

No entanto, existem observações empíricas que indicam que uma imagem de 50 qps e, por exemplo, 96 qps visualmente difere na intensidade da cor e uma avaliação subjetiva da clareza da imagem. Essa diferença justifica a criação de filmes e outros conteúdos com uma frequência acima de 77 fps.

Alguns autores escrevem que o cérebro está equipado com um certo algoritmo que processa informações visuais e até as compara com algoritmos de processamento de câmeras. Na realidade, a comparação não está correta, e o conceito do algoritmo é aplicável apenas ao puxar a retina para o globo. Acredito que nosso cérebro, como muitos sabem, é um sistema analógico, e nele ocorrem processos eletroquímicos e bioquímicos que determinam os resultados de sua atividade. Isso pode ser chamado de algoritmo, mas estará muito longe dos algoritmos de processamento de dados digitais.

Assim, os critérios responsáveis ​​pela fidelidade da reprodução estão diretamente relacionados à forma como recebemos informações visuais e como o cérebro as percebe e processa. Seria justo dizer que o segredo do realismo está no plano de criar uma ilusão que o cérebro não pode identificar como uma imagem falsa. E existe um grande problema: os dados sobre a velocidade da percepção do real e a formação de uma imagem visual fictícia não são bem compreendidos, podem variar individualmente em uma ampla gama. e dependem de centenas de fatores fisiológicos. Por esse motivo, as normas de imagens de alta qualidade são geralmente determinadas empiricamente, pelo método mais preciso de cutucada científica.

Resolução

Freqüentemente, as pessoas que estão apenas começando a investigar os problemas da qualidade da imagem digital acreditam que seu único critério significativo é a resolução. Em parte, podemos concordar com eles, pois os detalhes da imagem dependem principalmente disso. Hoje, há um debate sobre quanto a vida precisa de formatos com uma resolução maior que o FullHD. É claro que o realismo em vídeo não pode ser alcançado sem alta resolução, embora não seja a única condição para alta fidelidade na reprodução.

A partir da experiência subjetiva, podemos concluir que, se você prestar atenção e prestar atenção aos detalhes, especialmente quando se trata de projetores e tamanhos de tela realmente grandes, o uso de 4K é justificado. Além disso, hoje o 4K está se transformando em um tipo de padrão para as pessoas que se preocupam com a qualidade da imagem, dizem eles, com uma resolução abaixo que é até indecente comprar. As empresas comerciais, incluindo a nossa, estão muito felizes com esse estereótipo - isso nos permite ganhar mais.



Hoje, muitos compradores consideram o 8K um mal necessário. Como regra, esse desejo não surge do fato de que a diferença é realmente perceptível para o comprador. Muitas vezes, eles só querem comprar um dispositivo que não duvidarão, ou seja, para saber que a TV ou o projetor adquirido foi criado no limite das capacidades tecnológicas de seu tempo. A resolução adquire um significado especial nos sistemas de RV, onde eles tentam obter a imersão do usuário e se esforçam para criar a ilusão mais confiável da realidade.

Ao contrário das previsões de especialistas sãos, mas não muito astutos, a transmissão em 8K já começou. RED e NHK são transmitidos neste formato, e talvez alguém que eu não conheça, mas esses se tornaram pioneiros. Com base em pesquisas no campo da RV, alguns prevêem 8K de futuro e escrevem que esse formato tem um grande valor prático. Não compartilho esse otimismo franco, embora esteja convencido de que, mais cedo ou mais tarde, posso encontrar algumas diferenças em relação a 4K e até mesmo que 8K não será o último na corrida de resolução.



Isso não é do fato de que 8K é realmente necessário, mas em conexão com isso, o progresso não deve parar. A capacidade tecnológica de aumentar a resolução depende do tamanho real do pixel; é lógico que o último é menor, maior a resolução. Duvido que os pixels possam ser reduzidos indefinidamente, mais cedo ou mais tarde esse processo atingirá um limite físico.

O problema da alta resolução é o volume cada vez maior de vídeo e, consequentemente, a necessidade de aumentar constantemente a largura de banda dos canais de dados. Quando se trata de televisão e transmissão regular, volumes colossais de dados de alta resolução (até 4K) às vezes causam atrasos e distorções, o que está associado a um canal insuficiente para transmissão.

Faixa dinâmica

A capacidade da nossa visão de perceber a luz e as cores de várias intensidades, de distinguir um grande número de tons, formou outro critério para a qualidade da imagem do vídeo - a faixa dinâmica. Um recurso que captura a proporção da cor mais brilhante para a menos brilhante (mas ainda não preta) no conteúdo do vídeo. A alta faixa dinâmica e a tecnologia que fornece hoje é chamada HDR. É geralmente aceito que o olho humano é capaz de determinar a faixa dinâmica dentro de 1.000.000: 1 e, às vezes, até mais alto. Essa capacidade de visão se deve em grande parte à necessidade de distinguir entre as dimensões e a forma dos objetos que nos cercam, mesmo com pouca iluminação.



Sabe-se um experimento que reflete a importância da faixa dinâmica junto com a resolução. Então, 1080p SDR e UHD HDR, e então 1080p HDR e UHD HDR, foram comparados. Na primeira comparação, a diferença foi perceptível a olho nu, mas para o segundo caso não foi óbvia. A avaliação subjetiva foi de que o uso de HDR é percebido como uma melhoria na qualidade (clareza, detalhe, precisão) de uma imagem em 90% em comparação com a SDR.

Taxa de quadros por segundo

Em nosso blog, abordamos uma vez a questão da taxa de quadros por segundo. Objetivamente, a alta taxa de quadros por segundo definitivamente torna a imagem mais realista. O que o primeiro filme do mundo filmado a 96fps, sobre o qual já escrevemos, provou. Caracteristicamente, o filme era documentário. Não é por acaso que são precisamente as frequências muitas vezes mais altas que os tradicionais 24fps para cinema, que são usadas no melhor sistema de realidade virtual serial do mundo, o HTC vive pro. Como mencionei, é na VR que há uma necessidade urgente da imagem mais realista.



Registro documental, sobre o qual escrevemos, foi derrotado pelo filme americano “Long Way Billy Lynn no intervalo de uma partida de futebol” de Ang Lee, onde a frequência já era de 120 fps. Apesar dos avanços no campo da frequência, a maioria das pessoas encontra inovações com indignação, culpando o efeito de "novela", "televisão", "baixa cinematografia", "malignidade artística" dessa frequência. Assim, a frequência ruim mata toda a "mágica do tubo quente do filme".

O efeito é explicado pelo fato de a grande maioria dos críticos identificar um bom cinema com o que eles já viram, e viram um bom cinema em cinemas com 24fps. Ao mesmo tempo, um aumento na frequência da maioria está associado a séries de televisão, longe de serem de boa qualidade. O padrão está tão enraizado na cultura humana que é garantido que se reflete na percepção e se torna um dos critérios de qualidade, embora objetivamente não deva ser.

Total

Os componentes lógicos da fidelidade à reprodução, como sempre, tornaram-se características bastante compreensíveis, fisicamente explicáveis, como no caso do som. Nesse caso, por analogia, há um pedido de arcaico (no caso do som, havia lâmpadas quentes) e fortes críticas à direção progressiva do desenvolvimento. Obviamente, gerações devem passar antes do momento em que um bom cinema e outro conteúdo de vídeo são percebidos não através do prisma do número de quadros por segundo, mas de acordo com outros critérios. Talvez eu tenha perdido alguns dos fatores significativos da fidelidade da reprodução. Deixe-me saber nos comentários. Também apreciaria suas idéias pessoais sobre o que pode ser o vídeo do futuro.

Conteúdo da foto usado:
www.quora.com/How-come-its-really-hard-to-look-directly-at-something-in-low-light-but-when-we-look-right-next-to-the-object-we-can-see-it-better
data.cyclowiki.org/images/9/90/Centralnaya-yamka-setchatki.jpg
www.provideomontaj.ru/tv-8k-chto-jeto-nuzhno-li-sejchas-pokupat-televizor-8k


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