Framerate et jeux vidéo : combien d'images l’œil perçoit par seconde ?

Jouer à un jeu vidéo est un plaisir savoureux. Que ce soit sur MMORPG ou Metal Gear Solid 5, on prend forcément du bon temps. Mais souvent, ces jeux déchaînent les passions, des débats sans fin autour de points pas forcément importants. L'un des plus importants débats tourne autour du framerate, le nombre d'images diffusées par seconde. À partir de combien d'images par seconde est-il inutile d'en rajouter dans un FPS ? En se basant en partie sur l'analyse faîtes sur le site Nofrag, nous allons pouvoir répondre à cette question ! Mais avant voici, pour ceux qui ne le savent pas, comment fonctionne un œil humain :

Définir le problème et oublier les idées fausses

Tout d'abord, inutile de chercher à définir le nombre maximum d'images que l'oeil humain peut percevoir en une seconde : a priori, nos yeux ne sont pas des capteurs mécaniques et en conséquence n'ont pas de limitations techniques. Inutile aussi d'essayer de déterminer le nombre minimal de frames par seconde nécessaire à un jeu pour être fluide. Pourquoi ? Parce qu'il n'y a pas de vraies réponses. Un film à 24 fps au cinéma nous paraît fluide alors que, lorsqu'un jeu tourne au même nombre de fps, il est haché.

On va donc expliquer ce phénomène, ce qu'est la persistance rétinienne, le temps d'affichage d'une image nécessaire pour la saisir entièrement et ainsi, le débat sera assaini des fausses bases sur lesquelles trop souvent les protagonistes s’appuient. Par exemple, il est faux que l’œil humain perçoit au maximum 24 fps. Ce nombre de fps n'a pas été choisi au cinéma pour la fluidité. Elle ne permet pas non plus l'illusion d'un mouvement fluide. Et pour finir, l'impression de mouvement dans un défilement d'images fixes n'a pas pour origine la persistance rétinienne. Voilà, maintenant que tout cela est précisé, on peut y aller.

Qu'est-ce que la persistance rétinienne ?

Vous le savez peut être déjà mais au cinéma, deux images projetées sont séparées par des phases de... Rien du tout. C'est en partie pour cela que les films sont projetés dans des salles obscures, pour compenser la faible luminosité résultant de ces alternances "pas d'image"/"images". Mais alors comment expliquer que nous ne voyons pas l'écran s'éteindre ? Eh bien c'est le principe de la persistance rétinienne.

Non, on ne parle pas du mythe selon laquelle une image reste fixée sur la cornée d'un être humain. Il s'agit là d'un phénomène scientifique qui constate que la rétine garde une image pendant 1/25ème de seconde.

Cela vient de la relative inertie des cellules rétiennes sur lesquelles l'image perçue laisse une trace lumineuse. Contrairement à ce que l'on pense, ce n'est pas elle qui permet de voir le mouvement. Au contraire, c'est la persistance rétienne qui nous donne l'illusion qu'une pale de ventilateur est immobile alors qu'elle va très vite. Regardez ce gif en 12 fps :

Le phénomène responsable de l'impression de fluidité n'est pas la persistance rétinienne mais...

L'effet phi

L'effet phi n'est pas un phénomène au niveau de l’œil, mais du cerveau. Lorsque des images se succèdent en laissant une impression de déplacement ou de transformation, le cerveau raccorde les images avec une transition qui lui semble la plus légitime. Il s'agit en fait d'un traitement de l'image par le cerveau. Par exemple, si des lumières s'allument en différents points sur une ligne droite, vous aurez l'impression de voir un déplacement. Mais ce n'est pas pour autant qu'il sera fluide !

Voici 2 exemples d'effet phi :

une succession d'images donne l'illusion que la balle est en mouvement

La fluidité est floue !

Les mouvements au cinéma paraissent extrêmement fluides. On pourrait même se croire dans une scène de la vraie vie. Et ce grâce à un phénomène qui semble en contradiction avec la fluidité : le flou. Mettez en pause certaines scènes d'action et vous verrez qu'il est parfois difficile de distinguer les membres des personnages. Parfois, la post-production rajoute intentionnellement du flou (comme pour les premiers Robocop), afin de garder de la fluidité... Contrairement à d'autres films qui ont mal vieilli et paraissent hyper hachés.

Voici un exemple pour bien comprendre cette petite astuce du flou :

On a bien l'impression que le 24fps avec le flou (3eme image) semble bien plus fluide (moins saccadé) que le 24fps sans l'effet de flou et pourtant on se retrouve avec exactement le même nombre d'images par seconde tandis que le 60 fps reste bien plus fluide et plus net.

Un effet de flou qui ne nécessite que 18 fps au cinéma, mais ce fut le 24 fps qui devint le format standard pour rajouter le son sur la pellicule. Sur les cartes graphiques fut inventé une fonction "motion blur", visant à ajouter ce flou. Dans les jeux qui n'en bénéficient pas, il faut au minimum 50 fps pour qu'il soit vu comme fluide. Enfin, cela dépend aussi de la rapidité des personnages, des mouvements, de l'enchainement des images (plan 2D ou 3D)... Merci à Franck Beuvain pour le flou "fluide"

Le film a été mis en pause et on observe bien l'effet de flou

Combien de temps pour analyser une image ?

Vous vous souvenez de la persistance rétinienne ? Eh bien la conséquence pratique de ce phénomène sur la vision est qu'une lumière marquera plus facilement votre perception visuelle qu'une absence de luminosité. Par conséquent, le temps nécessaire pour percevoir et analyser une image dépend de son contexte. Imaginons que vous fixiez le Soleil pendant 1 seconde puis que vous alliez dans une pièce plus sombre. Le temps nécessaire pour déterminer ce qu'il y a dans la pièce sera bien plus long que si vous n'aviez pas regardé notre astre. Sans compter que le cerveau, une fois qu'il connaît une image et est entrainé à la reconnaitre, sera bien plus rapide à l'identifier. De même, la complexité d'une image influe sur ce résultat.

Des pilotes de l'US Air Force par exemple ont été capables de reconnaître des modèles d'avions de chasse en les ayant aperçus à peine 1/220ème de seconde. Et pour aller encore plus loin, certains flashs d'appareils photos ne durent que 1/2000ème de seconde et pourtant on les voit. Il faudrait donc, pour retranscrire parfaitement la réalité dans les jeux vidéo, plus de 2000 fps... Et sacrifier la fluidité par la même occasion.

Verdict pour les jeux vidéo ?

Eh bien pour les jeux vidéo, il n'est pas besoin de monter aussi haut. Même en prenant en compte des conditions drastiques (un objet qui se déplace super vite dans une pièce sombre), il est fort possible que votre cerveau ait déjà analysé et identifié l'objet. En fait, la seule limitation de perception est liée aux intermédiaires : ordinateur (ou console) avec par exemple le taux de rafraichissement d'un écran (pour simplifier, un écran 100 hz permet de voir 100 images / sec) et souris/clavier (ou manette). Limités techniquement pour laisser de la fluidité au jeu, ces éléments sont les seuls à définir les barrières du jeu vidéo.

Important : N'oublions pas que, dans la vraie vie, notre œil reçoit un flux continu d'images et d'informations, c'est pourquoi il est difficile de parler de FPS pour un œil humain car chaque cas est différent (un jeu d'horreur sombre sera géré différemment par notre cerveau qu'un jeu très éclairé par exemple).

Mais du coup combien de FPS bordel ?

Oui, vous venez de lire tout ce pavé sans avoir de réponse... mais si il y avait bien une réponse : dire qu'un jeu est fluide à 30 fps car ton œil ne voit plus de différence après est donc faux ! Plus il y a de fps mieux c'est et jouer à 120 fps sera de toute façon mieux que 60 fps même si la différence sera infime ! Et on le répète : un oeil ne voit pas en image par seconde et notre cerveau est tellement complexe qu'il gère les choses différemment en fonction de la situation (effet Phi, persistance rétinienne etc...).