A1.08.4Sample-and-hold motion judder设计研究

提高刷新率不能消除因内容运动带来的采样式抖动

别名: judder · 运动抖动 · sample-and-hold · 采样保持

概念解释

刷新率高到超过临界闪烁融合频率后,"看不出闪烁"这个问题就已经解决了,但显示内容里的运动看起来是否顺滑,是另一个完全独立的问题,不会随刷新率单方面提高而自动解决——运动内容仍然可能表现出一种断续、跳跃、拖影混杂的观感,叫采样式抖动(judder),也常直接称为运动模糊或跳帧感。

这一点容易和"刷新率不够高导致的运动不流畅"混为一谈,误以为提高刷新率就能治好。真正决定观感是否顺滑的,是显示器逐帧保持画面静止这种呈现方式本身与眼睛连续跟踪运动物体之间的错位,而不是帧与帧切换得够不够快。

机制

现代主流显示器多数是采样保持(sample-and-hold)式的:每一帧被计算出来后,会在整个刷新间隔内原样保持在屏幕上,直到下一帧刷新才跳变到新的画面,画面在每一帧内部是完全静止的,运动只体现在帧与帧之间的位置跳变上。当眼睛用平滑追踪运动去跟随一个正在运动的物体时,眼球在做连续的匀速转动,但物体在视网膜上的成像却是"静止一帧、瞬间跳变、再静止一帧"这样阶梯式的,二者对不上——静止的那一帧被追踪运动的眼球拖成了一小段模糊的轨迹,帧与帧之间的跳变又叠加上一层不连续感,两种效应叠加在一起就是采样式抖动和运动模糊的来源。

单纯提高刷新率、缩短每一帧的保持时间,能在一定程度上缩短每帧被拖尾的物理距离、减轻模糊,但只要显示方式还是"每帧内容原样保持一段时间再跳变"这种采样保持结构,这套错位机制就依然存在——刷新率的提升只是让抖动变得更细密、更不明显,并没有从根本上消除采样保持与眼球平滑追踪之间的这层错位。真正针对性的解决办法(黑帧插入、背光扫描、更贴近脉冲式显示的呈现方式)改变的是"每帧保持多久、以什么方式呈现",而不只是"多久换一次帧"。

怎么研究

研究这类现象的范式通常是运动清晰度评估:让被试用眼睛平滑追踪屏幕上匀速移动的目标(通常是文字或边缘清晰的图形),比较不同显示技术、不同刷新率、不同呈现方式(是否插入黑帧、是否采用脉冲式背光)下被试报告或客观测出的模糊/拖影程度、边缘清晰度,或者用高速摄像机记录追踪眼动条件下屏幕内容实际呈现的模糊轨迹作为客观指标。自变量包括刷新率、帧保持时长占比(占空比)、内容运动速度;因变量是主观模糊评分、边缘清晰度客观测量值。

这类研究和前面几条纯粹关于闪烁检出的研究方法不同——闪烁检出测的是静态画面明暗交替能不能被看出,运动清晰度测的是运动内容在追踪眼动下能不能保持清晰,两者是不同的因变量体系,不能用闪烁融合的实验设计和结论去回答运动清晰度的问题。

边界

  • 只在被追踪的运动物体上明显,静止不动的背景内容不受影响。 抖动和拖影产生的前提是眼睛在做平滑追踪,如果用户的注视点没有跟随运动物体移动(比如只是余光扫过一个动画),这套错位机制不会同等程度地体现出来。
  • 运动速度越快,问题越明显。 缓慢移动的内容拖影和抖动都相对轻微,快速滚动的文字、快速平移的画面最容易暴露这个问题。
  • 不同显示技术受影响的程度不同。 采用脉冲式或扫描式背光、主动插入黑帧的显示方案能显著缓解这个问题,因为它们改变了"每帧保持多久"这个关键变量,不能用同一套刷新率数字去比较不同呈现方式之间运动清晰度的差异。
  • 这条讨论的是显示端的呈现方式造成的抖动,与内容本身帧率过低(比如影视内容常见帧率与显示刷新率不匹配导致的三二拉线等问题)是相关但不同的成因,不应混为同一个问题去解决。

怎么落地

  • 遇到"运动内容看着卡顿、有拖影"的反馈时,先确认是否已经排除了闪烁感知的问题(临界闪烁融合频率已经足够),如果闪烁已经不可见但运动仍然发糊,说明问题出在采样保持结构本身,单纯建议用户或产品方"提高刷新率"很可能解决不了问题的根源。
  • 涉及快速滚动的长列表、快速平移的地图或画布等对运动清晰度要求较高的场景,优先选择支持黑帧插入、脉冲式背光或类似技术的显示方案,而不是仅仅比较刷新率数字的高低。
  • 内容制作侧可以通过控制运动速度(避免不必要的高速滚动或平移)来降低对运动清晰度的要求,这是不依赖显示硬件改善的补充手段。
  • 验证办法:让测试者用眼睛主动追踪屏幕上快速移动的文字或图形边缘,评估边缘清晰度和是否存在拖影,而不是只用静态画面测试有没有闪烁,两者测的是完全不同的问题,静态测试合格不代表运动清晰度也合格。

延伸

  • 同组A1.08.1 超过临界频率的闪烁被感知为稳定 · A1.08.2 临界频率随亮度与视野位置变化 · A1.08.6 融合阈值针对稳定图像,运动模糊感知遵循不同规律
  • 相邻A1.14 运动知觉
  • 站内检索judder · sample-and-hold · motion blur · black frame insertion

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