Эффект пленочного кинопроектора в цифровых видеотехнологиях

Доброго дня всем Хабравцам. Наверняка, многие из вас любят ходить в кинотеатры, в этот удивительный и чем-то притягивающий мир. Наверняка, многие фотографы, видеографы, операторы и монтажеры задумывались о том, как сделать свое конечное произведение более интересным и похожим на кино.

Увлекаясь фотосъемкой и видеомонтажем в один прекрасный момент я подумал, — получаемая картинка слишком реалистична и совсем не похожа на «кино». Порывшись в интернете, решений этой задачи легким путем найдено не было, кроме эффектов добавления всяких пылинок, черточек, волосков и потертостей, как на пленке. Кроме того, просмотр последних фильмов в формате FullHD, с его уж очень реалистичной и живой картинкой, так же лишал этой киношной волшебности. Пришлось отправиться в экспедицию и проводить раскопки — исследование предметной области.

Раз уж мы не получаем этот эффект киношной волшебности, давайте тогда сравним наши домашние, цифровые технологии и технологии аналоговой кинопроекции.

Определенно понятно, что все дело в частоте кадров видеоматериала. Частота в видео/кино -это количество проигрываемых кадров в секунду. Чем больше кадров проигрывается в секунду, тем более живым и реалистичным получается изображение на экране. Ну, и, соответственно, наоборот, в разумных пределах, т.к. если частота, например, 1 к/с — то это больше похоже на слайдшоу.

Итак, что мы имеем? Цифровые зеркальные камеры записывают видео порядка 30 к/с, а (как-то так исторически сложилось) в кинотеатре это число равно 24. «Так вот оно решение!», — подумал я и побежал переделывать свой ролик из 30 в 24 к/с. Но не тут-то было! Конечно, разница была заметна, но это не было похоже на кино. Даже была предпринята попытка порезки видео на отдельные и статичные кадры-картинки (чтобы все было честно, чтобы все было как на плёнке — 1 кадр и таких кадров 24 на одну секунду), и их обратная склейка в видео — не похоже на кино и все тут! Копаем дальше.

Теперь заглянем в пленочный кинопроектор глубже. Пленочный кинопроектор — механическое устройство, в котором перелистываются кадры, а свет от мощной лампы, проходя через кадр плёнки и систему линз, создает изображение на экране. Устройство, нужно сказать, очень интересное, и, как и обычно — не очень сложное. Особенностью кинопроектора является устройство — обтюратор. Обтюратор преграждает световой поток во время смены кадра при протяжке киноленты, чтобы исключить смазывание изображения на экране. Получается так, что свет проходит через позитив (кадр плёнки) непосредственно в момент его неподвижности и фиксации (позитива). Что имеем? Кадр зафиксирован — через него идет свет, происходит смена кадра — обтюратор перекрывает свет. Обычно, обтюратор — вращающийся перед лампой проектора диск с прорезями, через которые и пропускается/перекрывается свет.

Пробуем применить на практике полученные знания. Для этого опять нарезаем видео на изображения и вставляем между ними изображения с темнотой (т.е. моменты, когда происходит смена кадра и перекрывается свет).

Выходит, что наша «схема № 1» имеет вид: 1 кадр + темнота + 2 кадр + темнота +… ну и так далее. Т.е. за секунду у нас проигрывается 48 отдельных изображений.

Результат: все мерцает, общее изображения непонятно, неприятно смотреть. Продолжаем копать предметную область дальше.

Оказывается, в кинематорграфе есть некоторая хитрость. Для того, чтобы уменьшить мерцание фильма при смене кадра, используется обтюратор с дополнительной лопастью (открытая + закрытая секции), такая лопасть называется холостой. Как Вы могли догадаться — при нахождении обтюратора в холостой зоне смена кадра не происходит. Это позволяет создать частоту мерцания проектора 48 герц, но проигрывать всё те же 24 кадра в секунду. Применяем на практике.

Теперь наша «схема № 2» имеет вид: 1 кадр + темнота + 1 кадр + темнота + 2 кадр + темнота + 2 кадр + темнота + 3 кадр +… ну и так далее. За секунду проигрывается 96 изображений.

Результат: Мерцает меньше, картинку можно различить, но просмотр такого видео будет совсем непродолжительным из-за неприятного мерцания. Копаем дальше.

У кинопроекторов есть одна постоянная, называется она — коэффициент обтюрации. Коэффициент обтюрации показывает отношение длительности открытой области обтюратора к периоду смены кадра в проекторе. Например, у советского кинопроектора 23КПК коэффициент обтюрации равен 0.57, т.е. за время жизни одного кадра длительность его освещения составляет 57% от общего времени жизни этого кадра. Кроме того, форма обтюраторов бывает разной: как ровные, вырезанные секции из диска от центра по прямой (как если бы было похоже на значок BMW), так и со всякими кривыми вырезами или прорезями.

Стоит так же отметить, что перекрытие светового потока дисковым обтюратором с прямыми вырезами от центра (да и вообще любым другим обтюратором) происходит не сразу, и не мгновенно, и не ровно сверху вниз, а по прямой от радиуса диска при его вращении. Так же происходит открытие обтюратором, не сразу, и не ровно сверху вниз. Еще, как мы знаем — у света очень большая скорость (а скорость открытия/закрытия обтюратором светового потока по сравнению со скоростью света — ничтожно мала), а значит работа обтюратора полностью отражается на киноэкране, хоть нам это и не заметно.

Вывод изображения на монитор так же происходит покадрово, с определенной и конкретной частотой. Конечно, создание имитации эффекта кинопроектора в цифровых технологиях представляется возможным при работе с изображениями на высокой частоте. Например (вернемся к нашей «схеме № 2»), проигрывая 400 изображений для отработки только одного цикла (1 кадр + темнота + 1 кадр + темнота), 120 из которых показывается кадр, затем в 80 изображений — аккуратная прорисовка имитации дискового обтюратора — закрытие и открытие изображения кадра, потом опять 120 картинок показываем кадр, и закрываем цикл — 80 изображений работы обтюратора на закрытие данного кадра и открытие кадра уже следующего. И это только цикл жизни первого кадра, как если бы это был аналоговый проектор. Для одной секунды видео потребуется отрисовка 9600 таких цифровых изображений.

Мой 4-х ядерный ПК стал странно работать уже при проигрывании 250-300 цифровых изображений в секунду. А если добавить сюда еще время отклика монитора (минимальное время за которое пиксель поменяет свою яркость), которое имеет свойство быть разным у разных моделей, чтобы задача была решена для большинства мониторов? Решение задачи в универсальном виде скорее всего возможно, но скорее всего того не стоит.

Достаточно интересный результат имеет «схема № 3» вида: 1 кадр + 1 кадр + темнота + 1 кадр + 1 кадр + темнота + 2 кадр + 2 кадр + темнота + 2 кадр + 2 кадр + темнота. Что позволило еще сократить мерцание и повысить яркость видеопотока (и имитировать работу мгновенного обтюратора с коэффициентом 0.66). Но при этом количество изображений проигрываемых за секунду стало равняться 144. До эффекта кино еще далеко из-за его резкости при смене и заметности для глаза при восприятии.

Вот такая она — механическая технология аналоговой кинопроекции, эффект которой не так уж и просто имитировать на технологиях цифровых.

Всем спасибо. Область очень интересная, как и ее история, советую.

Материалы:
Обтюратор — Википедия
Кинопроектор — Википедия