24 幀電影最適合人眼？一個持續百年的錯覺

Mon1st，系統神經科學

文章有點長，主要結論如下：

1.24 幀與視覺暫留無關；

2.運動視錯覺的下限可能是 16 幀而非 24 幀；

3.電影製作至今仍使用 24 幀是歷史偶然形成的行業規範，由於其在電視廣播時代的良好工程性質而得以推廣、保留的結果。

24 幀來源的誤解

電影二十四幀每秒是由人類視覺暫留的現象所決定的。

這是一個持續了一百年的誤解。

與電影放映速率相關的是閃爍融合（flicker fusion）現象。閃爍融合是指當光源閃爍（亮 - 暗 - 亮）的頻率超過一定值時，人們就會意識不到閃爍而感知到一個較暗的光源 [1,2]。

針對這個現象關鍵的數值也不是幀率，而是快門切換速度（閃爍率 flicker rate）。

電影放映機是用旋轉的快門來實現幀與幀之間切換的。這意味著在幀與幀之間會有一小段黑暗的時間 [3]。早期的靜默片是 16 幀的。如果用單葉片旋轉快門以 16 幀 / 秒播放，就會出現長達 1/16/2=31.25ms 的黑暗，閃爍現象會很明顯。因此，靜默片放映配備的是三葉片快門，以48 轉 / 秒旋轉。投射在屏幕上的實際上是：第一幀，黑暗，第一幀，黑暗，第一幀，黑暗（膠捲快速轉到第二幀），第二幀，黑暗...... 而這些短暫的黑暗我們通常察覺不到，因為人的閃爍融合閾值約在50Hz 以下[2]。

有聲影片出現時，隨著技術進步人們開始使用 24 幀 / 秒的攝像機。這就允許部分放映機採用雙葉片快門的設計：

24 幀的膠捲通常也是以 48 轉 / 秒，每幀實際出現兩次。也有用三快門 /72 轉的設計。

早期的電影理論認為閃爍融合現象可以被某種「視覺圖像在視網膜的暫時停留」所解釋，而這種暫留的影像又進一步與新輸入的視覺影像「融合」，從而形成運動。這就像以太一樣，這一「融合產生運動」的過程並不存在。實際上，運動幻覺的機制仍然不完全清楚。對這一問題的描述和一些心理學現象可以參考：

特別是在江寒園的回答中提到的 Wertheimer 實驗實際上排除了視覺暫留對運動幻覺的貢獻：

作者：江寒園

鏈接：電影是根據似動現象還是視覺暫留髮明的？ - 江寒園的回答

來源：知乎

著作權歸作者所有，轉載請聯繫作者獲得授權。

然而在 1912 年，馬克斯·韋特海默（Max Wertheimer）所做的實驗對運動幻覺提出了新的解釋：韋特海默用速示器通過兩條細長的裂縫先後在幕布上投射兩條光線，一條是垂直線，另一條則與這條垂直線成 20°或 30°角。如果先後投射的這兩條線時間間隔很長（如 1 秒），那麼我們看到的是兩條先後出現的光線，他們各自獨立。如果兩條光線出現的時間間隔很短（如 0.02 秒），那麼這兩條會被看做是同時出現的。可如果這兩條線出現的時間間隔在兩者之間，則被我們看做是光線從一處向另一處移動。

數碼放映機時代的視覺暫留

即使不考慮運動幻覺的產生，視覺暫留仍有可能用於解釋閃爍融合。然而在 90%以上影院採用數碼放映機的今天，幀與幀之間的黑色幕布已經悄然消失了。這一解釋無論對錯，都與你我的觀影體驗不再相關。

一個未解決的問題

我們知道，觀測強光後閉上眼睛或關燈可以看到正的視覺後像。這也是早期電影理論中認為視覺後像 / 視覺停留是閃爍融合機制的實驗基礎。但是另一種可能是：在閃爍頻率大於融合閾值時，大腦實際上僅僅是忽略了圖像之間極短的黑暗。

來源 [5] 中宣稱正視覺後像有 50 毫秒的延時。我還沒有找到這一數據的來源，所以暫時表示懷疑。不過如果這是真的，那麼正視覺後像就無法對（包括閃爍融合在內的）觀影體驗做出任何貢獻了。

所以 24 是怎麼來的？

最近看到一篇文章就討論了電視電影等電子傳輸行業的「幻數」的來源 [6] 。這篇文章給出了 24 這個數字在技術上的優越性：和音頻的採樣率兼容 (44.1khz and 48khz @ 24hz = 1838 1?2 and 2000 samples per frame) ；是一個容易處理的複數（2^3*3）。但這些原因可能更適合解釋為什麼 24 幀得到了廣泛的接受，並作為行業規範保留至今。

可 24 幀最初是怎麼開始的呢？

在一本電影史書 [7] 中找到這樣一段話，可能是最接近（無趣的）真相：電影史上技術快速發展的一段時期大家各種嘗試的結果。

在靜默片時代，不管是手搖式還是電力驅動的放映機，都是由放映員設置播放速度的。由於種種因素，在 1920 年前大部分電影在 14~18 幀每秒播放。隨著時間的推移平均速度逐漸上升，到了有聲電影時期大家都用 24 幀，而這成為了有聲電影行業的規範。在這一時期，高於或低於 24 幀的速率在彩色電影實驗和電影愛好者的設備中偶有出現。

Quora 上類似問題的答案則有趣很多 [8]：

The history of 24fps is all about sound.

24 幀的歷史是關於聲音的。

Silent films were recorded at speeds all over the place, but the most common framerate was 16fps. That s why so many older films look "fast" today - because they re played on projectors and systems geared to 24fps. So it s a 16fps recording played at 24fps.

靜默片的速率各不相同，主流是 16 幀。這也是為什麼很多老片今天看起來「很快」 - 因為我們用 24 幀的設備來播放 16 幀的片源。

Then came the Vitaphone process. Vitaphone was a method of mechanically linking playback of a record and a film reel resulting in synchronized sound for picture. This was the method used for "The Jazz Singer," which single-handedly ushered in "talkie" movies. Once that dam burst, everyone had to have a Vitaphone system.

後來出現了 Vitaphone 系統（譯者按：華納兄弟早期製造的一種為有聲電影服務的聲音播放機，取義「活聲音」。可以譯成維他風？） 。

And in the Vitaphone system, a 16-inch record played at 33 1/3 rpm matched the 11 minute playing time of film projected at... 24fps.

在這一系統中，16 英寸的唱片在 33 1/3 轉每分鐘的速率播放 11 分鐘的電影正好是 24 幀每秒。

And the rest was marketing pressure from the studios to the directors instructing them to crank at 24fps for Vitaphone delivery!

後來各個製作室就給導演施壓拍攝 24 幀的影片，這樣就可以用維他風了。

這個故事是否可信我不清楚，但即使不是唯一的原因，也不難想像這一因素加快了早期，特別是從無聲到有聲電影的轉型時期，電影行業向 24 幀收斂的過程。

引用文獻和其他參考來源

[1] Hecht, S. (1933). INTERMITTENT STIMULATION BY LIGHT: III. THE RELATION BETWEEN INTENSITY AND CRITICAL FUSION FREQUENCY FOR DIFFERENT RETINAL LOCATIONS.The Journal of General Physiology,17(2), 251–268.