Преобразования изображения и звука при киносъёмке


О.Н.РАЕВ








ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ И ЗВУКА ПРИ КИНОСЪЁМКЕ















М О С К В А ВГИК 2018

УДК 778.5.04.071.5
ББК 37.95
      Р16










Р16 Раев О.Н. Преобразования изображения и звука при киносъёмке. — М.: ВГИК, 2018. — 135 с.

        ISBN 978-5-87149-233-8
    В книге популярно изложены законы преобразования изображения и звука в результате их дискретизации в кинематографических технологиях. Приведены практические примеры искажений, возникающих в результате дискретизации при киносъёмке.
    Для студентов киновузов и киношкол, аспирантов, операторов, режиссёров и других специалистов кинематографа, а также для всех, кто стремится разобраться в технологии цифровой киносъёмки и видеосъёмки.

УДК 778.5.04.071.5
ББК 37.95






ISBN 978-5-87149-233-8

© Раев О.Н., 2018
© ВГИК, оформление, 2018

ВВЕДЕНИЕ

    За последние 25 лет кардинально изменилась и технология фильмопроизводства, и кинотехника, используемая при производстве кинематографических произведений, существенно расширился ассортимент и возможности основной и вспомогательной кинотехники. Цифровые технологии коренным образом изменили сам кинематографический процесс, позволили переместить многие функции и операции со съёмочной площадки на послесъёмочный период фильмопроизводства (часто называемый постпродакшен) и существенно расширили возможности реализации творческих замыслов создателей кинофильма.
    Перефразируя известную цитату, можно объявить, что цифровая революция в кинематографе свершилась. Переход с плёночных технологий на цифровые в фильмопроизводстве завершён безоговорочно. Даже самые консервативные скептики признали неоспоримые преимущества и существенно более широкие возможности, предоставляемые цифровыми технологиями. А если учесть происходящий прогресс цифровых технологий, то можно с уверенностью прогнозировать появление новых технологий, которые в ближайшее время существенно изменят всю технологию фильмопроизводства (см. об этом, например, в [4]).
    Быстро происходящие масштабные изменения в технологии фильмопроизводства требуют критического анализа и непрерывной корректировки существующего образовательного процесса в области программ подготовки творческих специалистов высшего уровня [2]. Необходимо оперативно

3

реагировать и отвечать на вопросы: как, чему и с какой глубиной знаний готовить будущих специалистов нового кинематографа.
    Если принять точку зрения, что творческим вузам следует учить студентов только творчеству, то техникой студенты будут заниматься исключительно с позиций пользователя (потребителя). В результате выпускники ВГИКа — будущие операторы — получают в основном гуманитарное образование, а функции технической реализации творческих замыслов режиссёров операторы передают инженерам (техническим специалистам), сопровождающим используемые в съёмочном и послесъёмочном периоде технические и программные средства. Но даже в этом случае оператор должен знать возможности, ограничения и принципы работы технических средств. И кроме того, сохраняются виды кинематографа, не позволяющие создавать большие съёмочные группы, для успешной работы в которых операторам необходимы более глубокие технические знания.
    Другая сложность организации образовательного процесса — это существенно разный уровень знаний, навыков и умений поступающих в вуз. В большинстве своём, даже на операторском факультете, поступающие — это гуманитарии, которые часто не умеют решать самые простейшие расчётные задачи. Среди студентов всегда есть и такие, кто уже имеет специальное профессиональное образование или первое высшее образование, в том числе те, у кого первое специальное или высшее образование — техническое. При таком разбросе базовых знаний трудно готовить и проводить аудиторные занятия по изучению техники. Всегда найдутся студенты, которые не способны воспринять техническое изложение материала, а с другой стороны, другие студенты, которых, с их точки зрения, будет не удовлетворять низкий уровень изложения материала по техническим дисциплинам. Поэтому, ориентируясь на средний уровень подготовки студентов, всё же необходимо создавать условия, при которых наиболее продвинутые студенты получат возможность более глубокого развития.

4

    В настоящей книге предпринята, опираясь на теорию преобразования сигналов в кинематографе, попытка популярного изложения возможных искажений, возникающих в результате дискретизации сигналов в кинематографе в практических ситуациях. Книга может стать учебным пособием для студентов кинооператорского факультета и также будет полезна для студентов других факультетов.
    Изложение материала построено с учётом того, что студенты обучаются в творческом вузе, когда кинотехника и кинотехнологии рассматриваются лишь как средство, позволяющее реализовать творческие замыслы.
    Будем помнить, что специалисты, вооруженные знаниями, в состоянии решать любые конкретные практические задачи, стоящие перед ними.

5

1. ПОНЯТИЕ О СВЕТОВОМ ПОЛЕ

    Свет это электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 0,01 нм до 1 см. Из всего этого диапазона длин волн человеческий глаз воспринимает только излучение, соответствующее длинам волн от 380 до 700 нм, которое называется видимым излучением. Границы диапазона длин волн видимого излучения носят условный характер, поскольку глаз человека наименее чувствителен к граничным длинам волн.
    В дальнейшем под светом будем понимать видимое электромагнитное излучение, представляющее собой совокупность громадного количества фотонов, непрерывно излучаемых источниками света и перемещающихся в пространстве.
    Каждый фотон это неразделимая порция электромагнитной энергии W. Количество энергии, которую содержит фотон, определяет частоту V электромагнитных колебаний электрической и магнитной напряжённости — чем больше энергия фотона, тем больше частота электромагнитных колебаний:
W = hv,                   (1.1)
где h = 6,625■IO⁻³⁴ Дж ■ с — постоянная Планка, мировая константа.
    Каждый фотон перемещается в вакууме прямолинейно с постоянной скоростью с = 299792,5 км/с.
    Фотон можно характеризовать не только частотой электромагнитных колебаний V, но и длиной волны X, т. е. рас

6

стоянием, которое пролетает фотон за время одного периода колебаний T:
Х = cT.                    (1.2)
причём величина периода колебаний T обратно пропорциональна частоте колебаний V:

T = 1.                     (1.3)
V
    При прохождении фотонов через какую-либо среду, их скорость уменьшается и становится равной
, . c
V = ,                      (1.4)
n
где V — скорость света в среде, n — показатель преломления среды.
    Скорость фотонов в воздухе примерно такая же, как в вакууме.
    Свет (поток фотонов) излучается источниками света (Солнце, звёзды, огонь, молния, световые приборы и т. д.). К основным техническим источникам света относятся тепловые (температурные), люминесцентные, светодиодные, смешанного излучения и лазеры.
    Каждый фотон, излучённый источником света, перемещается прямолинейно в направлении, в котором он вылетел из источника света, до границы между двумя средами, имеющими разные показатели преломления. Когда фотон достигнет границы между двумя средами, то он может отразиться от границы двух сред (тогда он будет двигаться в той же среде, но в новом направлении) или пройти во вторую среду (произойдёт преломление направления движения фотона, в результате чего фотон продолжит своё движение в новой среде, но с изменённой скоростью и с изменённым направлением движения).
    Кроме того, в любой среде возможно поглощение фотона материалом среды, через которую он проходит.
    Таким образом, под световым полем в определённом пространстве понимают непрерывно изменяющуюся сово

7

купность всех фотонов, наполняющих данное пространство. Математически описать такую очень быстро изменяющуюся во времени совокупность фотонов не представляется возможным из-за громадного количества независимых друг от друга непрерывно перемещающихся фотонов, непрерывного их поглощения и непрерывного испускания новых фотонов источниками света.
    Поскольку все объекты окружающего мира находятся в трёхмерном пространстве (по крайней мере, именно так воспринимает человек окружающий его физический мир), то для описания светового поля (например, на съёмочной площадке) потребуется разбить поверхности всех объектов на малые участки (размеры участков должны быть настолько малы, чтобы человек не мог различить их при существующей у него остроте зрения). При этом каждый такой участок каждой поверхности каждого объекта характеризуется тремя пространственными координатами, причём расположение начала координат и направление координатных осей могут быть произвольными.
    Таким образом, для описания светового потока от каждой элементарной площадки каждого объекта потребуется ввести три пространственные координаты, описывающие местоположение этой элементарной площадки.
    Поэтому световое поле обычно представляют как совокупное распределение световых потоков, излучаемых или отражаемых всеми участками всех объектов во всех возможных направлениях в течение времени восприятия или записи (киносъёмки) световой информации о наблюдаемых объектах или их изображениях. Световой поток, излучаемый или отражаемый каждым участком каждого объекта в каком-то фиксированном направлении, описывается двумя параметрами: яркостью и спектральным составом, которые, в общем случае, изменяются при изменении горизонтального и вертикального углов наклона рассматриваемого направления движения излучаемого или отражённого света относительно нормали к данному участку поверхности. Следовательно, световой поток, излучаемый или отражаемый каждым участком

8

каждого объекта, характеризуется не только яркостью и спектральным составом видимого излучения, но и двумя пространственными углами, определяющими пространственные направления движения фотонов от рассматриваемого участка поверхности объекта.
    Яркость объектов может изменяться со временем, а объекты могут перемещаться относительно друг друга. Эти изменения описываются функциями, зависящими от времени.
    Итак, световое поле может быть представлено совокупностью яркостей всех элементарных участков поверхностей объектов, заполняющих пространство. Тогда световое поле, как совокупность яркостей элементарных площадок объектов, зависит от семи координат: трёх пространственных координат элементарных площадок объектов, длин волн излучаемого или отражённого элементарной площадкой света, времени и двух пространственных углов, характеризующих направление движения рассматриваемого луча света относительно нормали к каждой элементарной площадке.
    Однако подобное описание светового поля сегодня возможно только с помощью компьютерных программ, где световые поля представлены моделями виртуальных объектов, к тому же отличающихся от реального физического мира той или иной степенью приближения. Записать и воспроизвести реальное световое поле в настоящее время существующими техническими средствами невозможно. Более того, в этом нет необходимости, поскольку такое поле является чисто информационным и в лучшем случае может предоставить информацию для создания, например, кинофильма.
    Сегодня идут активные исследования в области новых кинотехнологий, направленных на фиксацию светового поля, наблюдаемого из некоторого ограниченного пространства. Это позволяет фиксировать только те фотоны, направления движения которых приводят к попаданию фотонов в место фиксации светового поля. Тогда от функции светового поля можно перейти к пленоптической функции, существенно уменьшая количество записываемой световой информации, хотя и в этом случае количество информации оказывается

9

громадным по сравнению с информацией, сохраняемой в обычном кинематографе.
    Разработкой подобных технологий в настоящее время занимаются создатели пленоптических камер [6] и дисплеев светового поля [51].
    Сокращая область фиксации светового поля до размеров входного зрачка киносъёмочного объектива, переходим к технологии кинотеатрального кинематографа: формированию изображений с помощью объектива и записи сформированных оптических изображений светочувствительным слоем матрицы киноаппарата или киноплёнки. Здесь регистрируется световой поток, идущий от объектов съёмки в то место пространства, где расположен киносъёмочный объектив. Этот световой поток назовём исходным сигналом киноизображения, его информационная насыщенность сужается из-за потери информации о сигналах киноизображения, распространяющихся в других направлениях. Записываемый кинокамерой сигнал киноизображения будет зависеть уже только от пяти координат: трёх пространственных координат расположения элементарных участков поверхностей объектов съёмки, времени и спектрального состава светового потока.

10