RSS-feed bekijken

Ultima Ratio Epyon

De waarheid over ... refresh rates

Waardering: 7 stemmen, 4,71 gemiddeld.
by , 2 januari 2010 at 21:40 (6238 Bekeken)
Er zijn zo van die technische zaken waar je vaak wel eens mee in aanraking komt, wel ergens van weet hoe het zit maar er toch niet helemaal het fijne van snapt. Iemand die er ook niet zo heel veel van snapt - maar het wel denkt te snappen - probeert het je dan te verduidelijken, maar heel veel wijzer word je er niet van. Tot overmaat van ramp heeft iemand anders er dan een compleet afwijkende verklaring voor.

We zagen het fenomeen eerder al bij lithium-ion batterijen die door veel mensen nog als de oude nikkel-cadmium cellen behandeld worden en we zien het vandaag ook opduiken bij het concept van refresh rates. Volgens de ene is een refresh rate van 60Hz te weinig en zie je het beeld knipperen, een ander komt af dat het oog geen verschil meer ziet vanaf 24 beelden per seconde, etc.

In dit artikel zullen we het concept refresh rate en alles wat er bij komt kijken even verduidelijken in de hoop misverstanden de wereld uit te helpen en ook even de oorzaak van al die verwarring nagaan.



Refresh & frame rate

In principe kunnen we kort zijn: iedereen heeft gelijk. Ja, een bewegend beeld aan 60Hz kan een onrustig knipperend gevoel geven en ja, het menselijk oog ziet geen verschil tussen bewegende beelden aan 24 beelden per seconde meer. Beide statements hebben echter betrekking tot twee verschillende concepten: respectievelijk dat van de refresh rate en dat van de frame rate.

Refresh rate slaat op het aantal keren dat een beeldscherm of projector het weergegeven beeld zal verversen. Sinds mensenheugenis, of om precies te zijn: vanaf 1967, werken beeldschermen op een refresh rate van 50Hz (Europa) of 60Hz (VS). Dit betekent dat het scherm vijftig maal per seconde het weergegeven beeld zal verversen. Cinemaprojectors gebruiken sinds de jaren '30 een refresh rate van 48 of 72Hz. Sinds de jaren '90 zijn er ook televisies verschenen met refresh rates van 100Hz of hoger.

Frame rate daarentegen slaat op het aantal keren dat een nieuw beeld op het scherm getoond wordt. Een film wordt bijvoorbeeld opgenomen aan 24 beelden of frames per seconde (fps). Dit volstaat ruimschoots om bij het afspelen kijkers de indruk van vloeiende beweging te geven. Immers, reeds vanaf een snelheid van 16 beelden per seconde krijgt de kijker - of liever: zijn hersenen - de indruk van een vloeiend beeld. Het was zelfs zo dat, om de kosten te drukken, veel handgetekende animatieseries slechts 12 beelden per seconde bevatten. Slechts wanneer snelle bewegingen getoond moesten worden deden de tekenaars moeite om wat meer 'tussentekeningen' te maken. Om een constante frame rate van 24fps te behouden werden de meeste tekeningen dan maar gewoon twee maal na elkaar weergegeven.

Net datzelfde gebeurt ook bij een refresh rate van 50 of 60Hz: hetzelfde beeld wordt meerdere malen na elkaar weergegeven. De indruk van een vloeiende beweging is dankzij de frame rate van 24fps of meer verzekerd, maar inderdaad, het beeld neigt soms wat nerveus te knipperen. Dit fenomeen van flicker heeft zijn wortels echter in andere materie.


Flicker & judder

Toen de broers LumiŤre omstreeks 1900 de cinemaprojector introduceerden werd er nog niet zoveel rond refresh rate gemaald. Het bleek dat vanaf 16 beelden per seconde de kijkers een vloeiende beweging ervaren en dat was voldoende. Het was pas toen de projectors met sterkere lampen en grotere schermoppervlakken werden uitgerust dat een raar fenomeen verscheen: flicker. Het leek alsof de beelden in lichtintensiteit stonden te trillen. Men vermoedde al snel dat dit kwam door het openen en sluiten van de sluiter: om het doorschuiven van het ene filmbeeld naar het andere te verbergen moest men immers de lens van de projector even afschermen waardoor ook de lichtbron even onderbroken werd. Aangezien dit bij kleine schermen en beperkte lichtsterkte geen probleem opleverde had men niet verwacht dat het dit nu wel zou doen.

Pas decennia later zou men de verklaring hiervoor vinden. Het menselijk oog bestaat immers uit verschillende soorten fotoreceptoren, de lichtgevoelige cellen die invallend licht omzetten in elektrische zenuwsignalen. Bij zwak licht en kleine beeldoppervlaktes worden vooral de centrale receptoren gebruikt, die een nogal trage respons hebben. Wordt het beeld helderder en groter dan bereikt het licht ook de receptoren die meer aan de buitenkant van het netvlies liggen, receptoren die veel gevoeliger zijn en sneller reageren. Alhoewel het brein dus nog steeds een continue beweging van de film waarneemt 'voelen' deze receptoren wel degelijk het openen en sluiten van het diafragma van de projector, iedere keer de film een frame wordt opgeschoven.

De oplossing die men bedacht was even elegant als simpel. Nadat men eerst het brein om de tuin had geleid door een snelle opeenvolging van beelden als een vloeiende beweging te doen ervaren zou men nu ook de ogen bedotten door het diafragma van de projector twee of drie maal zoveel te doen openen en sluiten als het getoonde aantal beelden. Bij een film die aan 24 beelden per seconde werd afgespeeld zou het diafragma dus 48 of 72 maal per seconde openen en sluiten. Ieder beeld werd zo twee tot drie maal belicht, wat te snel voor de fotoreceptoren was om het fenomeen van flicker nog waar te nemen. Het onderscheid tussen de frame rate en de refresh rate was geboren.

Hetzelfde probleem kwam men bij televisies rond de jaren '30 tegen, toen de beeldbuis van labotoepassing tot commercieel product evolueerde. De beeldbuis was weliswaar kleiner dan een projectiescherm, maar de kijker zat er dichter bij en ze was - omdat ze bij klaarlichte dag ook zichtbaar moest zijn - ook heel wat helderder. In tegenstelling tot bij de mechanische projector konden de elektrotechnische ingenieurs echter niet zomaar een bepaalde verversingsfrequentie uit de mouw schudden. Toen bestonden er nog geen - commerciŽle - elektronische elementen die een nauwkeurige en stabiele frequentie konden genereren. Men besloot de refresh rate van de beeldbuis te laten synchroniseren op de netfrequentie, wat in de VS 60Hz en bij ons 50Hz was (met 50Hz zijnde 50 keren per seconde). Dit bleek toen voldoende te zijn om de kijker geen flicker te laten ervaren.

De ingenieurs zaten toen echter met een probleem. Hun beeldbuizen verversten het beeld toen wel snel genoeg om geen flicker te veroorzaken, maar enkel als de frame rate een gehele deler van de refresh rate was. Films werden echter aan 24 beelden per seconde opgenomen, wat duidelijk geen deler van 50 of 60 was. Dit zorgde ervoor dat de televisiekijker twee maal per seconde het wisselen van het filmbeeld zou zien, omdat dit net zou gebeuren terwijl de beeldbuis bezig was het beeld aan het opbouwen. Dit fenomeen leek sprekend op flicker, terwijl men dit net wilde vermijden.

Voor de Europese ingenieurs was de oplossing gelukkig eenvoudig. De 50Hz refresh rate lag niet zover uiteen van de 48Hz die filmprojectoren gebruikten. Door de film 4% te versnellen, resulterende in een frame rate van 25fps en een refresh rate van 50Hz, was het probleem opgelost. De film liep hierdoor wel wat sneller dan ze gefilmd was, maar geen enkele kijker merkte dit op (uiteraard diende ook de geluidsband versneld te worden).

De Amerikanen daarentegen hadden het lastiger. De filmband 20% versnellen of 17% vertragen was natuurlijk uitgesloten, dus men moest iets creatiever tewerk gaan. Men besloot een techniek te hanteren die men 2:3 pulldown kerstende. Een refresh rate van 60Hz betekende een frame rate van 30 fps. Film had een framerate van 24fps. De verhouding 30:24 kwam neer op 5:4. De ingenieurs besloten daarom iedere vier opeenvolgende filmbeelden in vijf opeenvolgende televisiebeelden te vatten. Televisiebeeld 1 & 2 werden rechtstreek overgenomen van filmbeeld 1 & 2. Televisiebeelden 3 en 4 waren echter een combinatie van filmbeeld 2,3 en 4, terwijl televisiebeeld 5 dan weer identiek was aan filmbeeld 4. De ingenieurs hoopten dat de kijker het 'overgangsbeeld' 4 niet zou opmerken omdat het een combinatie van het voorgaande en achterkomende beeld was.

Dit bleek zo te zijn, en tot grote vreugde van de ingenieurs kon men nu ook in de Verenigde Staten naar films op de beeldbuis kijken zonder het storende flicker of aanverwante effecten. Echter, hun creatieve oplossing bleek niet volledig bestand te zijn tegen de grilligheid van het medium film. Bij trage, glijdende shots - het zogenaamde panning - vertoonde de film bij overgangsbeeld 4 een kleine hapering omdat een stuk van het voorgaande beeld herhaald werd. Men besloot echter met deze hick-up te leven, omdat de technologie toen niet in staat was dit euvel te verhelpen. Dit fenomeen ging men judder gaan heten, en wordt wel eens op een hoopje gesmeten met flicker - terwijl het iets fundamenteels verschillend is.


Dubbel zo snel maar niet dubbel zo goed

Rond de jaren '90 deden, dankzij de vooruitgang van de elektronica, de eerste 100 (EU) en 120Hz (VS) televisies hun intrede. Vooral voor de Amerikanen was dit een welgekomen verbetering. 120Hz is immers een geheel veelvoud van 24 fps, waardoor men een alternatief voor de 2:3 pulldown techniek en het bijhorende judder had. Net zoals de Europese televisietoestellen deden konden de Amerikanen nu simpelweg een frame meerdere keren op het scherm tonen.

Voor Europa had de techniek eerst maar weinig verbeteringen in petto aangezien flicker niet problematisch was op 50Hz. Maar de ambitieuze televisie-ingenieurs hadden nog een ander trucje in hun hoed zitten. In de jaren '90 was de elektronica immers al zo ver gevorderd dat men zogenaamde frame buffers kon inbouwen. Dit waren zeer elementaire geheugens die elk net ťťn beeld tijdelijk konden opslaan. Het televisietoestel sloeg de twee opeenvolgende beelden die het ontving op en een microprocessor berekende tussenbeelden gebaseerd op het verschil tussen de twee originele beelden, een techniek die men interpolatie noemde. In plaats van nu twee, vier of vijfmaal hetzelfde beeld te tonen kon het toestel nu wel degelijk verschillende, zij het synthetische, beelden op de buis toveren.

De techniek van interpolatie was vooral bedoeld om problemen zoals judder die voortkwamen uit het weergeven van videomateriaal dat aan een andere frame rate was opgenomen dan de frame rate waaraan het werd weergegeven te onderdrukken. Alhoewel de 100Hz toestellen een subjectief betere beeldkwaliteit bekwamen - wat vooral veroorzaakt werd door het volledig afwezig zijn van flicker, ook bij zeer heldere scŤnes - was het ook hier niet altijd koek en ei. Soms deed de interpolatieprocessor zijn werk immers iets tť goed, zeker bij videobronnen met een zeer lage framerate zoals analoge televisie. De tussenbeelden zorgden ervoor dat het beeld zelf iets onscherper werd, wat bvb zeer goed opviel bij bewegende tekst. Ook zeer snel bewegende beelden kunnen onder interpolatie te leiden hebben, wat vooral zichtbaar werd bij special effects.

Iedere fabrikant ontwikkelde zijn eigen variant van het interpolatieproces met geÔntegreerde intelligente algoritmes die het soort beeld moesten analyseren en op basis daarvan de interpolatiebeelden bijstuurden. Alhoewel de problemen nooit volledig verholpen werden vond men algemeen dat de subjectieve kwaliteitsverbetering opwoog tegen de nieuwe artificiŽle artefacten . Bovendien bleek het 100Hz-label een goede verkoopslokker, of het nu beter beeld creŽerde of niet. De consument gaat altijd voor de grootste nummers.


Het einde van flicker

Toen naar het einde van de jaren '90 toe de LCD schermen stilaan hun intrede deden stierf het fenomeen flicker een stille dood. Inderdaad, flicker is bij deze schilderijtelevisies niet meer mogelijk. De oorzaak hiervan moeten we zoeken bij de ontkoppeling van de lichtbron en de opbouw van het beeld.

Bij een traditionele beeldbuistelevisie was de opbouw van het beeld tegelijkertijd ook de bron van het uitgestraalde licht. Een beeldbuis beschikt over een kanon die elektronen in horizontale rijen op de voorkant van de beeldbuis afschiet. Hier raken ze een fosforlaag die door de inval van het elektron oplicht en zo de lichtgevende pixel vormt.

Bij een LCD scherm is dit echter niet het geval. Het beeld van een dergelijke monitor wordt opgebouwd door miljoenen transparante elektroden die aan een matrix van vloeibare kristallen bevestigd zijn. Als er op deze kristallen een spanning gezet wordt kunnen ze ofwel licht blokkeren ofwel doorlaten. Dit licht is niet afkomstig van de kristallen, maar van een achterliggende backlight. In een LCD scherm is het opbouwen van het beeld dus losgekoppeld van het belichten van het beeld.

Omdat een backlight veel simpeler aan te sturen is dan een beeldbuis besloten fabrikanten de frequentie hiervan onmiddellijk hoog genoeg te leggen, meestal 200Hz of hoger. Ieder beeld van een 24 fps film zal dus maar liefst 8 maal belicht worden. Terwijl je dit zit te lezen zal de backlight in je scherm deze tekst al 200 maal per seconde herbelicht hebben. Deze snelheid ligt zover boven de gevoeligheid van onze ogen dat flicker onmogelijk nog op te merken is. Zelfs bij technieken die de frame- en refresh rate halveren, zoals de 3D brilletjes die grafische kaarten fabrikant nVidia nu promoot, is de overblijvende 100Hz nog steeds ver boven de grens waar we flicker beginnen waar te nemen.


En de refresh rate?

Wie echter wat gaat snuffelen in de eigenschappen van zijn grafische adapter zal zien dat een LCD monitor nog steeds een al dan niet instelbare refresh rate heeft, die meestal ergens rond de 60 of 70Hz schommelt. De refresh rate bestaat dus nog steeds, maar slaat nu enkel op het aantal keer per seconde de monitor 'kijkt' of er een nieuw beeld bij de grafische adapter (de bron van de beelden) beschikbaar is. Speel je bijvoorbeeld een spel dat meer dan 60 fps genereert zullen de overtollige frames je monitor nooit bereiken. Draai je aan minder dan 60 fps dan zal je monitor beelden meerdere malen tonen (in principe: niet verversen) of zal het een beeld interpoleren (niet gebruikelijk bij computermonitoren).


Conclusie

Alhoewel de moderne technologie komaf heeft gemaakt met oude problemen zoals flicker en judder heeft het ook nieuwe geÔntroduceerd, zoals wazige geÔnterpoleerde beelden of visuele artefacten bij snel bewegende beelden. In tegenstelling tot voordien zijn dit echter problemen die vooral op een softwarematige manier zullen opgelost worden en zullen ze weinig tot geen hardwarematige evolutie meer vereisen. Het komt er op neer de beeldprocessor in de televisietoestellen intelligenter te programmeren, zodat deze veel beter aanvoelt hoe hij de beelden op het scherm moet weergeven. En dat is wel iets wat je graag zou willen als je net een heel maandloon aan het ding hebt uitgegeven.


- Epyon

Reacties

Pagina 1 van 2 12 LaatsteLaatste
  1. Iemand's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Tof om weten want het wordt idd gigantisch vaak fout uitgelegd.
  2. maximvdb's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Interessant zoals altijd he
  3. Roald's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Zeer interessant en goed uitgelegd
  4. Cyberkef's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Zeer intressant, dees ga ik uitprinten en es op't werk leggen voor de collega's
  5. Preske's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Toen ik de titel zag las ik "de waarheid over refresh". Ik dacht, wat valt er nu te vertellen over f5? Het is jaren geleden sinds de S2B
  6. Triple0's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Glorious exposition comrade

    nee echt, eindelijk deftige uitleg x)
  7. Obs's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    bedankt voor de uitleg
  8. VishnuSixDix's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    mooie epystel alweer.
  9. FreakyJP's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Kleine correctie ivm film:

    Bij een projectie wordt er niet gewerkt met een diafragma (dit is bij de camera) maar wel met een 'vlinder' die de lichtstraal onderbreekt.
  10. Epyon's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Citaat Oorspronkelijk geplaatst door FreakyJP
    Kleine correctie ivm film:

    Bij een projectie wordt er niet gewerkt met een diafragma (dit is bij de camera) maar wel met een 'vlinder' die de lichtstraal onderbreekt.
    Dat klopt idd. Ik wilde eigenlijk het woord sluiter gebruiken, maar was wellicht teveel aan de diafragma sluiter ipv de roterende sluiter aan het denken.
  11. Kaelan's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Enorm interessant, bedankt Epyon!
  12. Conqie's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Erg mooi geschreven! (ik wou ook de zelfde "fout" aantonen, maar zie net dat je het met voorbedachte rade hebt gedaan)
  13. lowscore's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Nogthans is de opvatting "het menselijk oog ziet geen verschil tussen bewegende beelden aan 24 beelden per seconde meer" nog steeds een veel voorkomend misverstand dat ook hier helaas niet uit de wereld wordt geholpen.
  14. [BAT] Hydra's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Interessant artikel!!
  15. skatemania's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Wow dit was echt eens iets interessant, meestal staat hier enkel zever .

    Alvast bedankt voor de les, nu kan ik dus ook weer mensen op de correcte manier iets uitleggen
  16. Timmos's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    OK dit ga ik morgen nog eens herlezen. Zťťr interessante lectuur en godverdomme goed en aangenaam neergepoot.
  17. [HBV]-=Tornado='s schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Heel interessant! Hoe komt dat jij dit allemaal weet?

    Ik zit nog met twee vragen:

    Hoeveel beelden stuurt een videoadapter uit wanneer je in windows werkt?

    Het probleem met interpolisatie is dus enkel nog bij de laatste CRT TV toestellen? Deze worden toch praktisch niet meer gemaakt? LCD en PLASMA hebben hier namelijk geen last van?
  18. lowscore's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    @ post hierboven: Ik denk dat je 'interpolation' verward met 'interlacing'. Waar het hier in het artikel over gaat is MCFI: Motion Compensated Frame Interpolation. Ook niet te verwarren met interpolatie wat gebruikt wordt voor scaling.
  19. Epyon's schermafbeelding
    • |
    • permalink
    Citaat Oorspronkelijk geplaatst door [HBV]-=Tornado=
    Heel interessant! Hoe komt dat jij dit allemaal weet?
    Ik ben (professioneel) gewoon veel met technologie bezig .

    Ik zit nog met twee vragen:

    Hoeveel beelden stuurt een videoadapter uit wanneer je in windows werkt?
    Dat hangt van je frame rate af: hoeveel fps je grafische adapter kan genereren. Draai je een spel aan 30fps zal de frame buffer van je graka 30 keer per seconde ververst worden. Draai je je Windows desktop aan 200fps, dan 200 keer per seconde. Je beeldscherm zelf zal echter maar om de 60 of 70 keer de frame buffer inlezen.

    Het probleem met interpolisatie is dus enkel nog bij de laatste CRT TV toestellen? Deze worden toch praktisch niet meer gemaakt? LCD en PLASMA hebben hier namelijk geen last van?
    Nee, je verwart wellicht interlacing met interpolatie, zie ook hierboven. Interpolatie wordt bij alle grote flatscreens toegepast (niet op computermonitoren).
  20. [HBV]-=Tornado='s schermafbeelding
    • |
    • permalink
    bedankt voor jullie antwoord.

    Uit uw artikel verstond ik dat die judder (waarvoor interpolatie gemaakt is) enkel voorkwam bij crts of oudere projectoren.
Pagina 1 van 2 12 LaatsteLaatste

Trackback-signaleringen

Totaal aantal trackback-signaleringen 0
Trackback-link: