帧 frame,在胶片时代也称为“格”,在数码时代其实指的就是一幅静态图像。
帧速率 Frame Rate,也称“帧率”、“格数”,指的是每秒录制或播放多少幅静态图像。单位是 fps,即每秒多少帧 frame per second。又叫“录制速率”或“播放速率”。
帧速率要分成两类来对待:录制帧速率和播放帧速率。
视觉暂留原理提供了发明电影、电视、动画的科学基础。人眼观看物体时,成像于视网膜上,并由视神经输入人脑,感觉到物体的像。但当物体移去时,视神经对物体的印象不会马上消失,而是会延续 0.1 ~ 0.4 秒的时间(对于中等亮度的光刺激),人眼的这种性质被称为“视觉暂留”。比如,如果每秒连续播放 10 帧图片,即一帧图像出现的时间为 0.1 秒,当旧的印象快要消失时,新的又补上来了,每个画面之间有微小的变化,这样就不会感觉是一幅幅的静态图像了,人会将其认知为一个连贯的运动。因此,视频播放时,理论上帧速率越高,画面看上去越流畅,尤其是对于那些有快速动作的镜头。不论是录制或是播放,如果硬件条件满足,应该尽量使用较高的帧速率。李安导演的《比利·林恩的中场战事》(2016 年)和《双子杀手》(2019 年)就是以 60 fps和 120 fps的帧速率登上大银幕的。李安坚信,采用 120 fps才是未来。
托马斯·爱迪生认为,“每秒 46 帧”是电影最低的帧率,更低的话会导致观众的视觉疲劳。但事实上,在早期的无声电影中,从来没到过这个帧率,主要是受电影成本和当时技术的限制。1932 年,“24 fps”和“35 mm胶卷”一同成为国际通行的电影行业标准。人眼观看移动的物体时会产生一种模糊的感觉,称之为“动感模糊”,而用 24 fps拍摄的影片带来的动感模糊与人眼运作方式非常接近。24 fps对于声音在电影中的融入也是合适的。基于成本和技术等多方面综合考虑,一个世纪以来, 24 fps是能满足大家看电影需求的最佳帧率。当然,随着技术日新月异地发展,很多人开始尝试用更高帧率录制视频。《霍比特人》系列电影的导演彼得·杰克逊说:“90 多年来,我们一直采用 24 fps来拍摄和放映电影,不是因为它最好,而是因为它最便宜。采用 48 fps拍摄和放映的好处是,看起来画面上的速度还是正常的,但画面的流畅度和动作清晰度都大大增强了……它会让电影看起来更逼真,观看起来也更轻松,尤其是在 3D 电影方面。”
国际上通用的电视制式标准有两种:NTSC 制式(National Television Standards Committee,美国国家电视标准委员会)和 PAL 制式(Phase Alteration Line,逐行倒相)。
注:法国、俄罗斯等使用的是 SECAM(Sequential Color Avec Memoire) 制式,帧速率是 25 fps。
NTSC 制式采用正交平衡调幅技术,使用此制式的地区包括北美洲、日本、韩国、南亚及中国台湾等,民用交流电工作标准是 110V 60Hz。由于早期采用隔行扫描 Interlaced,每一帧被分割为奇偶两场(也称上场、下场,或者高场、低场,每帧 525 行 262 线)图像交替显示,再考虑到交流电频率 60 Hz,即 1 秒钟要传 60 场,每两场构成 1 帧,故帧速率为 30 fps。PAL 制式采用正交平衡逐行倒相技术,使用此制式的地区包括是欧洲、中国大陆等,民用交流电工作标准是 220V 50Hz,所以,1 秒钟要传 50 场,每两场构成 1 帧(每帧 625 行 312 线),故帧速率为 25 fps。
彩色电视出来之后,为了兼容黑白电视,以及避免色彩信号与音频信号的相互干扰等问题,对场频做了 0.1% 的缩减。即,从每秒 60 场降低到了 59.94 场(= 60 - 60 × 0.1%)。使用隔行扫描技术时,每两场构成 1 帧,即 59.94 ÷ 2 = 29.97 fps。24 fps的电影,要想在电视上实现流畅的正常播放,同样需要对其缩减 0.1%,即 24 - 24 × 0.1% = 23.976 fps。如此只要利用 3 : 2 pulldown 方法,将每 4 帧扩展为 5 帧(10 场)即可(23.976 : 29.97 = 4 : 5)。数字信号与逐行扫描(progressive,也称无场)技术的到来,很多这样的参数不再被使用,也仅在视频后期软件中保留了。
抽帧,指的是前期用较高的帧率(比如 60 fps)拍摄,通过后期软件将一些帧抽去,让视频变成 25 fps。适当的抽帧之后,动作效果可能更加突出,存储和传输的容量也变小了许多。不过在抽帧算法未达到智能化之前,抽帧也容易导致动作在视觉上的不连贯。补帧,前期用较低的帧率(比如 25 fps)拍摄,通过后期软件将其解释为 60 fps的帧率播放。显然,这每秒多出来的 35 帧是后期软件渲染出来的。除非算法的改良,否则与实际拍摄的视感还是有较大差距的。无论是抽帧还是补帧,这个要转换为的基准速率(如我国常用的 25 fps),在一些视频剪辑软件如 Premiere Pro 中称为“时基” Timebase。
升格拍摄,指的是前期用较高的帧率(比如 240 fps)拍摄的素材,后期若使用 24 fps来播放的话,则 1 秒将变为 10 秒的慢动作。降格拍摄,指的是前期用较低的帧率(比如 18 fps)拍摄的素材,使用 24 fps来播放的话,从而得到快速镜头的感觉。一些武打动作片就是采用降格拍摄来使动作显得更加迅捷凌厉,单反相机的延时摄影就是一种典型的降格拍摄。卓别林《摩登时代》的拍摄帧率为 18 fps,在 24 fps的播放速度下,演员动作显得微微加快,反而有一种滑稽的喜剧效果。