Цифровой кинематограф: история и базовые основы

25 Ноябрь 2010, 17:21

Данная статья открывает цикл материалов, посвященных ряду вопросов цифрового кинематографа. Вопросов самых разных — от технической теории и обзоров съемочного оборудования до творческих аспектов работы с “цифрой”.

Главная задача — структурировать и упорядочить “информационную кашу” в головах специалистов, предоставив максимально полную информацию, отразив конкретные особенности, методики работы, палитру изобразительно-выразительных средств и т.д., причем в доступной и понятной форме читателю с различным уровнем подготовки.

За десять лет моей работы в цифровом кино и телевидении выской четкости, а также ряда разработок как творческих, так и технических методик для данной сферы, накоплено много интересной информации, которой я и хочу поделиться.

Сегодня я предлагаю совершить небольшой экскурс в историю в историю и рассмотреть некоторые базовые основы, определяющие цифровой кинематограф как таковой.


ЭКСКУРС В ИСТОРИЮ:
цифровой кинематограф вчера и сегодня

В прошлом году цифровой кинематограф отметил свое десятилетие. Одиннадцать лет назад, весной 1999 года на ежегодной выставке NAB в Лас-Вегасе специалистам был представлен первый цифровой кинопроектор Multiplex, а 18 ноября с него была проведена демонстрация фильма Джорджа Лукаса “Звездные войны. Эпизод I. Скрытая угроза”. Однако средства цифровой проекции не могли создаваться без параллельной разработки цифровых съемочных камер для кинематографа, которым и посвящен справочник этого номера журнала.

Работы в области создания электронного изображения высокой четкости (HD) начались в 50-е годы прошлого века, сразу после появления магнитных видеоносителей в США, Японии и Советском Союзе. В 1958 году специалистами Московского научно-исследовательского телевизионного института была создана система военно-штабной связи “Трансформатор”, которая позволяла передавать изображения с разрешением до 1125 строк. В 1969 году японская компания NHK первой разработала систему HDTV с форматом экрана 5:3 (15:9 или 1,67:1) и разрешающей способностью в 1125 горизонтальных линий, отображаемых в чересстрочном режиме. Кадр данной системы был немного шире по сравнению с телевизионным. В 1981 году в Соединенных Штатах Америки была проведена первая демонстрация телевидения высокой четкости с такими же количеством эффективных строк и отношением сторон изображения 5:3, как и в японской системе. Примечательны достижения и отечественных специалистов, создавших в 80-е годы два различных стандарта высокой четкости в 1250 и 1525 строк.

Но мировое телевидение в то время оказалось и морально, и технически неготовым к внедрению новых стандартов, поэтому разработчики уделили большее внимание применению новых технологий в кинематографе.

Стоит отметить, что с самого начала формат HD разрабатывался не только как телевизионный стандарт, но и как достойный конкурент кинопленки, поэтому его развитие шло сразу в двух направлениях –цифрового кинематографа и телевидения высокой четкости.

Технологии высокой четкости стали интенсивно развиваться в начале девяностых, после того как была разработана глобальная модель ТВЧ, а также определены и доработаны его параметры для студийного использования и обмена информацией.

В 1997 году благодаря объединенным усилиям компаний Sony и Panavision была представлена первая камера высокой четкости HD-900F формата HDCAM, базировавшаяся на системе из трех 2/3“матриц FIT с разрешением 1920?1080 и совместимая со стандартом 1080p/24. В настоящее время эта камера известна специалистам как модель Sony HDW-F900. В 2000 году Джордж Лукас анонсировал фильм “Звездные войны. Эпизод II. Атака клонов”, ряд сцен которого был снят именно на F900. Но, поскольку данная модель имела ряд недостатков, ограничивающих ее выразительные возможности для кинематографа, включая запись сигнала на ленту с разрешением 1440х1080, в начале третьего тысячелетия для съемок фильма “Звездные войны. Эпизод III. Месть Ситхов” Sony выпускает уже доработанную камеру HDC-F950, формирующую некомпрессированный видеосигнал 1920?1080, 10 бит, 4:4:4 RGB с частотой смены кадров до 50 кадров в секунду. Специальный адаптер для анаморфотных съемок, созданный компанией Canon, позволял “растягивать” изображение до формата кадра 2.35:1 без потери пикселей (отсечки изображения).

В 2003 году Sony анонсировала новый формат записи HDCAM SR, обеспечивающий запись изображения в прогрессивной развертке на металлопорошковую магнитную ленту 1/2” в полном разрешении 1920?1080 и представлении RGB 4:4:4, с глубиной цвета 10 бит и потоками данных в 440 и 880Мбит/с. Триумфом данного формата можно назвать появление в 2008 году камеры Sony F35, а в 2009-м — Sony SRW-9000.

Однако формат HDCAM SR, несмотря на поддержку цветовой модели RGB 4:4:4 10 бит, имел определенный недостаток — компрессию порядка 4:1 и запись обработанного («позитивного») изображения, что на ранних этапах развития систем нелинейного киномонтажа и цветокоррекции создавало вполне ощутимые неудобства в области обработки материала, поэтому специалисты мечтали о съемочном оборудовании, способном формировать необработанные данные RAW по аналогии c фотоаппаратами.

Следует отметить, что с 2000 года началось стремительное развитие систем HD. На IBC 2003 года ведущим производителем съемочной кинотехники — компанией ARRI —-был представлен прототип цифровой камеры Arriflex D-20, ориентированной именно на цифровой кинематограф. Модель D-20 с одним сенсором CMOS на базе шаблона Байера размером 6 мегапикселей имела зеркальный обтюратор (что позволяло полностью избавиться от таких артефактов, как линейные искажения предметов, стробирование (flickering) и неравномерная засветка, присущих CMOS) и оптический видоискатель-визир, на выходе формировался поток необработанных данных RAW 12 бит с эффективным разрешением 3018?2200 пикселей. Камера позволяла вести съемку с переменной частотой смены кадров — до 60 кадров/с. На D-20 можно было устанавливать стандартные кинообъективы с креплением PL. Серийное производство данной модели началось только осенью 2004 года.

Примерно в это же время компанией Thomson (Grass Valley) была представлена камера Viper FilmStream, оснащенная тремя 2/3” матрицами FT 9.2 мегапикселей и позволяющая вести съемку в форматах 1.78:1 (16:9) и 2.37:1 без потери разрешения или использования специальных анаморфотных конвертеров. Поток света перекрывался механическим обтюратором, который работал по тому же принципу, что и в кинокамерах. Viper Film Stream на выходе формировала логарифмические видеопотоки RAW RGB 4:4:4, 10 бит в стандарте 1080р/24&25. В настоящее время, к сожалению, камера снята с серийного производства, достойного же аналога на ее смену предложено не было.

Немаловажную роль в становлении цифрового кинематографа сыграла представленная в 2004 году компанией Dalsa модель Dalsa Origin, которая поддерживала переменные кадровые частоты и выходной формат необработанных данных RAW с глубиной цвета 16 бит при рабочем разрешении 4046?2048.

С 2006 года на рынке начинают появляться камеры для высокоскоростной съемки в формате высокой четкости, такие как Weisscam HS-1 (ныне HS-2) компании P+S Technik и модели Phantom компании Vision Research, позволяющие полноценно работать с кадровыми частотами вплоть до 1000 кадр/с.

В 2007 году на рынок выходит бюджетное решение для кинопроизводства — камера RED ONE, оснащенная сенсором CMOS 4K c rolling shutter на основе шаблона Байера и способная работать с потоком RAW. Однако предложенная система, несмотря на привлекательную цену, оказалась довольно «сырой», что выражалось не только в технических проблемах в условиях проведения реальных съемок, но и неопределенным цветовым пространством для последующего переноса на пленку. «Бегущий затвор» (rolling shutter) со своей стороны отчетливо создавал проблемы, описанные выше и характерные для сенсоров CMOS.

В этом откровенном буйном цветении технологий не остались в стороне и отечественные специалисты. Несмотря на экономические трудности во второй половине девяностых годов прошлого столетия группа разработчиков все же приступила к созданию цифровых кинокамер. И уже на выставке NAB2000 был продемонстрирован прототип камеры Kinor DCHS, которая позволяла снимать в формате HD с кадровой частотой до 400 кадров/с и формировать видеосигнал в формате RAW 10 бит.

В настоящее время на рынке представлено несколько десятков моделей камер для цифрового кинематографа и их ассортимент расширяется столь стремительно, что творческие работники просто не успевают следить за новинками.

Период с 2008 по 2010 год охарактеризовался появлением усовершенствованных моделей Arriflex D-20, получившей название Arriflex D-21, и RED ONE, а также принципиально нового решения от ARRI — камеры Alexa.
Однако у меня в данный момент не стоит задача рассказа об особенностях, преимуществах и недостатках оборудования — особенностям современного съемочного оборудования для цифрового кинематографа будет посвящен отдельный материал.


БАЗОВЫЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВОГО КИНЕМАТОГРАФА:
форматы и стандарты
требования к съемочному оборудованию

А теперь попытаемся определить стандарт цифрового кинематографа и базовую основу требований к качеству изображения, которое дает цифровая камера, так как в настоящее время в связи с активным развитием технологий HDTV граница между настоящим цифровым кинематографом и телевидением высокой четкости очень сильно размыта.

Для начала рассмотрим формат кинопленки 35 мм. При академическом формате кадра физические размеры изображения составляют 22?16 мм, следовательно, при делении горизонтали кадра на идеальный размер пятна рассеяния (0,0125 мм) получаем разрешение в 1760 точек. Таким образом, можно говорить, что 35-мм негативная кинопленка обеспечивает четкость изображения в среднем примерно в 1700…1800 пикселей. Исходя из этих соображений для систем Digital Intermediate был принят общий для современного кинопроизводства стандарт сканирования 2К, обеспечивающий разрешение в 2048 пикселей по горизонтали и некомпрессированное изображение в представлении RGB 4:4:4. Производство подавляющего большинства картин по технологии DI выполняется в формате 2К. А так как в большей части кинотеатров России и стран СНГ для проекции используется пленочная система (несмотря на определенный рост числа цифровых систем за прошедшие полтора года), то на текущем этапе существования цифрового кинематографа его основная функция сводится к созданию изображения, которое в дальнейшем будет перенесено на кинопленку.



Современные сенсорные блоки цифровых камер обеспечивают разрешение по горизонтали от 1920 пикселей в большинстве трехсенсорных систем и до 4096 пикселей в односенсорных. Но в камерах на базе одного сенсора применяются системы мозаичных фильтров (за исключением HD-сенсора Sony F35), именуемых как “шаблон Байера” (Bayer mask) с наложением цветных фильтров (красного, синего и зеленого) в определенной комбинации на четыре пикселя матрицы (2?2) для формирования одной точки изображения, что обычно приводит к двукратному падению разрешающей способности (см. рисунок).


Поэтому четкость краев изображения, формируемого трехсенсорным светочувствительным блоком с разрешением 1920 пикселей, можно приравнять к четкости односенсорной системы с мозаичным фильтром размером в 4096 горизонтальных пикселей. Согласно критерию Найквиста (теоремы Котельникова), реальное число разрешаемых элементов в таких мат-рицах будет составлять 960х540 для трехсенсорных систем и порядка 1024х512…600 для односенсорных систем 4K, использующих шаблон Байера, что в любом случае значительно меньше числа разрешаемых элементов кинопленки, которое равно разрешению, т.е. порядка 1760х1280 точек-пикселей. Поэтому полноценный эквивалент по качеству изображения в аспекте числа разрешаемых элементов, т.е. мелких деталей изображения, будет достигнут в случае использования в трехматричных системах сенсоров с разрешением около 4000 пикселей по горизонтали (4К), а для односенсорных — около 8000 пикселей (8К).

Но следует учитывать, что традиционный кинематографический процесс состоит из ряда этапов обработки изображения (проявка, цветокоррекция, монтаж, печать копий, кинопоказ), связанных с потерей разрешения. Поэтому, вследствие несовершенной кинематографической системы в целом, конечное разрешение, с которым киноизображение демонстрируется зрителю, обычно составляет 1…1.4K, и именно эквивалентное данным значениям число мелких деталей изображения будет доступно взору зрителя.

С другой стороны, немаловажное значение имеет и размер пятна рассеяния. При расчете разрешения кинопленки используется понятие идеального пятна рассеяния, размер которого соответствует 0.0125 мм, однако в реальности этот размер для оптики 35 мм колеблется в пределах 0.022…0.025 мм, а значит, и четкость пленочного изображения по горизонтали уменьшается до 880…1000 пикселей. Эти два важных аспекта дают основание принять реальное число разрешаемых элементов описанных выше сенсоров как соответствующее кинематографическому “по нижней планке” при условии, если они обеспечивают формирование итогового изображения с разрешением не менее 1800 пикселей по горизонтали, чему соответствует формат 1920?1080.

Неотъемлемой частью кинематографа является “эффект присутствия”, возникающий у зрителей при кинопоказе, поэтому цифровому киноизображению должны быть присущи не только соответствующее разрешение, но и ряд других характеристик (яркость, контрастность, цветопередача, особенности формирования и частота смены кадра), необходимых для корректного формирования указанного эффекта.

Контрастность как градация воспроизведения темных и светлых участков изображения для достижения гладкости изображения, характерного для традиционного кинематографа, должна составлять более 1000:1 во избежание проявления “пиксельной” структуры (эффекта “решетки”).
Для достижения данного значения цифровая камера обязана обеспечивать диапазон контрастности не менее 10 диафрагм (210 = 1024) и разрядность квантования формируемого видеосигнала не менее 10 бит.

Так как экспонирование кадра в кинематографе осуществляется в неподвижном состоянии кинопленки, то формирование кадра должно осуществляться аналогичным способом, т.е. в прогрессивной развертке, в таком же формате должно быть представлено итоговое цифровое изображение кадра. Частота смены кадров в обязательном порядке должна поддерживаться эквивалентной традиционным значениям кадросмен в кинопроизводстве — 24 и 25 кадров/с. Таким образом, съемочное оборудование, ориентированное на цифровой кинематограф, обязано соответствовать следующим требованиям: светочувствительный блок должен иметь разрешение не менее 1920?1080 и обеспечивать диапазон контрастности не менее 10-11 диафрагм (не менее 600%), а итоговое изображение соответствовать стандарту не ниже 1080 progressive RGB 4:4:4 с глубиной цвета не менее 10 бит и поддержкой частоты смены изображения в 24 и 25 кадра в секунду.

Модели камер, не соответствующие перечисленным выше требованиям даже по одному-двум показателям (куда в первую очередь стоит отнести различные типы компрессии Long GOP и сложный MPEG-4 part 10 (AVC), а также оборудование с одиночными сенсорами 2…2.5K на основе шаблона Байера или же тремя сенсорами, каждый из которых имеет разрешение ниже 1920х1080), являются уже “продвинутыми” камерами для HTDV и могут применяться в цифровом кинематографе, но для ограниченного круга творческих и технических задач, или же специальных задач (например скоростной съемки), причем лишь при соблюдении ряда условий при использовании производственных схем и методик. Использование подобных камер для полноценного кинопроизводства возможно, но является исключением из правил, и ни в коем случае не должно рассматриваться в качестве некоей «нормы с ограничениями».

© Андрей Василенко
Материал основан на авторской статье Андрея Василенко “Камеры для цифрового кинематографа” (журнал “ТТК”).
При цитировании материала указание источника и имени автора обязательно.

Андрей Василенко

---

Комментировать

  1. Сколько стоит средненькая видео камера? Хочу снять короткометражный фильм 15-25 минут. И куда фильм отослать чтоб оценили?

    — Nastya · 08.01.2011 20:26 · #

  2. Вопрос требует уточнения, ибо понятие “средненькая камера” довольно растяжимое.
    Для корректного ответа нужно знать ряд требований-критериев:
    – творческие требования: в каких location будет сниматься фильм, в какое время суток, какова будет освещенность на площадке, потребуется ли сложная цветовая и тональная коррекция на этапе постпродакшн и т.д.;
    – технические требования: где планируется показывать фильм, каков формат кадра, каково требуемое разрешение кадра, планируется ли печать на пленку.

    Для того, чтобы ответить на второй вопрос “куда отослать” хотя бы в общих чертах, требуется знать предполагаемые формат, жанр и тематику фильма.

    Буду рад ответить и помочь, если уточните озвученную мной информацию.

    Андрей Василенко · 12.01.2011 10:32 · #

  3. Андрей, добрый день! Хотел бы у Вас узнать…
    Можно ли снять полнометражный фильм с последующим перегоном на киноплёнку камерой Red One или новой камерой SONY PMW-F3 Super 35мм.
    C уважением, Сергей.

    — Сергей · 10.02.2011 16:59 · #

  4. Добрый день Андрей, хотел бы услышать вашего мнения, можно ли нормально снять полнометражный фильм со сценами в вечернее время на фотоаппарат Nickon D7000?

    — Sammy · 16.05.2012 12:19 · #

  5. Сколько стоит купить Weisscam HS-2 и где её можно купить? Заранее благодарен!

    — Ilya · 29.07.2012 17:50 · #

Поля, помеченные звездочкой *, обязательны для заполнения

 

---

---