Создание качественной системы цифровой кинопроекции трехмерных изображений дало новый толчок развитию объемного кинематографа – стереокино. Но для того чтобы оно протекало полноценно необходимо иметь не только качественную систему кинопроекции, но и соответствующую киносъемочную аппаратуру для создания фильмов в этом формате. Отсутствие съемочной аппаратуры для получения качественного трехмерного изображения в условиях современной экономики кинопроизводства, создает перекос в репертуаре современных цифровых кинозалов. Засилье компьютерной трехмерной анимации объясняется банальной причиной – нет надлежащего инструментария для стереосъемки живой натуры.

Чтобы его иметь, необходимо знать требования, предъявляемые к съемочной аппаратуре для стереокино, которые изложены в данной статье.  Надеюсь, что эта информация также поможет дизайнерам и программистам более грамотно подходить к записи трехмерных изображений компьютерного синтеза в стереоформате, потому что и там мы имеем дело со стереокамерой, только виртуальной.

Стереоскопическое изображение на киноэкране

Восприятие трехмерности изображения при просмотре стереофильмов является следствием наблюдения зрителем раздельно левым и правом глазом двухмерных изображений объекта, снятых с двух ракурсов. То есть и в стереокино мы продолжаем смотреть плоское изображение, как и в обычном кинематографе, но только снятое для каждого глаза отдельно. Такое восприятие принципиально отличается от нашего бинокулярного зрения в реальной жизни. Поэтому принципиальной ошибкой является слепое копирование с нашего бинокулярного зрительного аппарата механизма регистрации трехмерных изображений при создании съемочной аппаратуры для стереокино.

Ощущение пространственного расположения объекта возникает у человека, когда глаза последовательно пеленгуют объекты путем скрещивания зрительных осей на данном объекте. Сигналы мышечных усилий поворота глазных яблок, поступающих  в мозг,обработка их сравнительных величин, дают нам информацию о степени удаленности предмета.Такая "пеленгация" называется конвергенцией зрительных осей (рис. 1).

Рис. 1. Конвергенция зрительных осей:

В результате конвергенции геометрические проекции левого и правого образов на сетчатке глаз не идентичны, и это различие тем больше, чем ближе наблюдаемый к нам объект (рис. 2).

Такое же различие в геометрии левого и правого изображений мы получим при стереосъемке на конвергированных осях, когда две камеры, имитируя бинокулярное наблюдение, направлены на определенную точку в композиции объекта. Но если в жизни при бинокулярном наблюдении наш мозг корректируют это геометрическое различие, то в снимках левого и правого ракурса, полученных при стереосъемке, механизм такого исправления отсутствует. Отсюда вытекает важное правило: стереосъемка, в отличии от бинокулярного наблюдения, должна вестись на параллельных осях (рис_3).

Рис. 3. Съемка на параллельных осях:

Имитация механизма бинокулярного восприятия в съемочной аппаратуре неприемлема также из-за различия условий наблюдения пространственного объекта и его изображения на киноэкране. В последнем случае мы часто имеем дело с увеличенным масштабом изображения относительно реальных размеров объекта. Межцентровое расстояние между объективами (базис съемки) может быть равно межцентровому расстоянию наших глаз (базис зрения) только в случае съемки объектов в реальном масштабе. В противном случае на экране возникает эффект миниатюризации объектов. Поэтому, чем больше масштаб изображения на экране, тем меньше должен быть базис съемки относительно базиса зрения.

По природе наше зрение является сканирующим. Образ, который рождается в мозге человека, является результатом совокупности многочисленных композиций, поступающих от "сканера" – глаза. При этом в единицу времени происходит множество пеленгаций частей объекта для определения его трехмерности. А в кинозале в эту же единицу времени мы предоставляем зрителю на экране всего лишь одну композицию от двух статичных объективов с одной единственной пеленгацией. По этой причине механизм восприятия стереопарного изображения в кинозале принципиально отличается от бинокулярного наблюдения пространственных объектов, и это всегда необходимо учитывать при стереосъемке.

Отсюда следует, что аппарат для стереосъемок должен не просто имитировать механизм бинокулярного зрения, а правильно формировать стереопарное изображение, позволяющее комфортно воспринимать его в зрительном зале.

Грамматика стереосъемок

В 50-х годах прошлого столетия советскими учеными А.Г. Болтянским и Н.А. Овсянниковой были сделаны расчеты параметров стереокиносъемки на параллельных осях для проекции на экран, которые впоследствии стали теоретической базой для разработки отечественной системы "Стерео-70". Несколько десятилетий эта теория, позволяет создавать стереофильмы комфортного, неутомляемого восприятия. Универсальность данной теории, которую можно назвать "теорией параллаксов", независимо от формата и вида носителя изображения была проверена на созданных в последнее время технологиях стереосъемки в цифровом формате.

Стереоизображение на экране – это наложенные друг на друга изображения правого и левого ракурсов пространственного объекта. В таком суммарном изображении одноименные точки объекта имеют горизонтальный сдвиг. Этот сдвиг, именуемый горизонтальным параллаксом, является следствием регистрации объекта с двух ракурсов. Горизонтальные параллаксы являются причиной конвергенции зрительных осей при наблюдении изображения на экране, что вызывает ощущения, подобным тем, что возникают при бинокулярном восприятии. В отличие от "полезных" – горизонтальных параллаксов, различают "вредные" – вертикальные параллаксы, которые возникают в результате неверной юстировки съемочной техники, когда главные оптические оси левого и правого объективов не лежат в одной горизонтальной плоскости. Наличие вертикального сдвига левого изображения относительно правого приводит к сдвигу зрительных осей по вертикали, несвойственное нашему зрению, и является одной из причин утомляемости при восприятии стереофильмов. Киносъемочный аппарат должен регистрировать стереопару с нулевым вертикальным параллаксом.

Горизонтальные параллаксы могут иметь как "положительное", так и "отрицательное" значение. Если точка левого изображения на экране расположена левее одноименной  точки правого изображения, то такой параллакс будет положительным. Если же точка левого изображения расположена правее одноименной точки  правого изображения – такой параллакс будет отрицательным. На рис. 4  показано, как знак параллакса влияет на восприятия наблюдаемой точки в зальном пространстве или за экраном. Наблюдая объект с положительным параллаксом, мы как бы пеленгуем его в заэкранном пространстве, те же точки изображения объекта, которые имеют отрицательный параллакс, из-за пересечения зрительных осей, пеленгуются в зальном пространстве. Зальное и заэкранное пространства разграничены плоскостью экрана. Одноименные точки изображения пространственного объекта, имеющие нулевой сдвиг, воспринимаются зрителем в области плоскости экрана.

Рис. 4. Влияние знака параллакса на пространственное восприятие элементов изображения
А', В', С' – воспринимаемые изображения точек

При стереокиносъемке плоскость в пространственной композиции, которая должна будет восприниматься в плоскости экрана, называется "плоскостью рампы", а расстояние до нее "дистанцией рампы". При съемке камерами на параллельных осях, после совмещении изображений по краям кадров плоскость нулевых параллаксов будет находиться в бесконечности и не совпадать с выбранной дистанцией рампы, а изображение будет иметь отрицательный параллакс. Поэтому после съемки в период постпроизводства следует проводить форматирование стереопар. Сдвигая по горизонту левое изображение относительно центра кадра, пытаться придти к той плоскости нулевых параллаксов, которую определили при съемке. Но в этом случае возникает область неперекрытия, которая должна быть обрезана. Поэтому ширина светочувствительного элемента, регистрирующего изображение (пленки или матрицы), должна быть шире проецируемой части кадра. В отечественных пленочных стереокамерах эта проблема решена конструированием специальной оправы для объективов, благодаря которой, описанное выше форматирование, происходит непосредственно во время съемки. Оператор может симметрично сдвигать или раздвигать объективы, смещая тем самым их оптические оси относительно центров кадров, выставляя их таким способом на нужную дистанцию рампы. Рис. 5. При стереосъемке статичных композиций желательно обозначать рампу композиционными элементами, что поможет зрителю ориентироваться в пространственном расположении других объектов относительно плоскости экрана.

Рис. 5.Выставление точки нулевого параллакса при съемке на параллельных осях

Дистанция рампы зависит от таких параметров, как фокусное расстояние съемочной системы, базиса съемки и параллакса бесконечности, воспроизводимого на регистрирующем элементе (кинопленке или матрице). Максимально удаленные точки пространственного изображения должны, как и в жизни, наблюдаться на параллельных зрительных осях. Это означает, что максимальное значение положительного параллакса в изображении на экране, именуемое, как параллакс бесконечности, должно быть не более усредненного базиса зрения человека, равного 65 мм. В случае превышения этого значения, наблюдение объекта будет проходить на расходящихся зрительных осях. Такое явление называется "дивергенцией зрительных осей" и вызывает сильную утомляемость и головные боли при длительном просмотре фильма.

Относительно величины параллакса бесконечности на экране существует величина параллакса бесконечности на пленке (матрице), которая определяется как частное от деления экранного параллакса бесконечности на коэффициент проекции. Эта величина является константой в расчетах по подбору стереопараметров при стереосъемке. Чтобы не перегружать статью математическими выкладками и схемами геометрического хода оптических лучей при стереосъемке, отмечу лишь то, что дистанция рампы прямо пропорциональна фокусному расстоянию объектива и базису съемки.

Подобно глубине резко изображаемого пространства, в стереосъемке существует понятие глубины пространства, комфортно наблюдаемое зрителем. Дистанция рампы подобно понятию "гиперфокальное расстояние" определяет то расстояние, с которого объекты, расположенные до бесконечности будут воспроизведены в допустимых значениях положительных параллаксов. В этом случае съемка ведется в пропорционально-пространственных соотношениях, а дистанция до плоскости рампы называется "основной расчетной дистанцией рампы". Если дистанция рампы сокращается за счет приближения к снимаемому объекту, то уменьшается глубина комфортно воспринимаемого пространства, которое композиционно должно быть ограниченно конечной дистанцией. За ней элементы композиции будут воспроизводиться в параллаксах превышающих значение параллакса бесконечности, что приведет к дивергенции зрительных осей. Дистанция рампы не может быть произвольно выбрана оператором без ограничения глубины воспроизводимого пространства.

При съемке с расстояния, меньшего дистанции рампы, детали объекта на конечной дистанции будут передаваться параллаксами, равными величине параллакса бесконечности, и объект будет восприниматься в искаженных пространственных соотношениях. В этом случае стереосъемка ведется с изменением пропорционально-пространственных соотношений, с так называемой гипертрофией, коэффициент которой равен частному от деления основной расчетной дистанции рампы на дистанцию съемки.

Как и в случае с глубиной резкости, глубина комфортно воспроизводимого пространства тем больше, чем меньше фокусное расстояние объектива. В случае же с подбором базиса съемки мы сталкиваемся с противоречивой ситуацией. Чем больше базис съемки, тем больше основная дистанция рампы и меньше глубина пространства, воспроизводимого в допустимых значениях параллаксов. Увеличение такой глубины возможно при уменьшении значения базиса съемки. Но уменьшение базиса съемки ведет одновременно к уменьшению стереоскопической выраженности изображения. Поэтому подбор соотношения базиса съемки и фокусного расстояния объектива при выборе необходимой дистанции рампы составляет основу искусства оператора при стереосъемке. Не всегда базис съемки, равный базису зрения, позволяет иметь необходимую глубину комфортно-воспроизводимого пространства и нужную дистанцию рампы. А в случаях съемки объектов, привычных зрителю, размеры которых будут изменены при проекционном увеличении, особенно при съемке средних и крупных планов, требуется уменьшение базиса съемки практически в два, а то и более раз.

Инструментарий для стереосъемок

Все существующие съемочные стереосистемы можно разделить на две основные группы: двухкамерные и однокамерные. Зная требования, предъявляемые к грамотному ведению стереокиносъемок, легче ориентироваться в широком ассортименте инструментария, предлагаемого для стереосъемок.

Преимущество двухкамерных систем заключается в том, что в них можно использовать стандартные аппараты, хорошо зарекомендовавшие себя в традиционном кинопроизводстве. Но из-за больших габаритов самих камер, при их параллельном расположении, невозможно вести съемку средних и крупных планов с необходимым малым базисом, поэтому, такие системы подходят только для съемки ландшафтных планов.

Две спаренные камеры Arriflex не позволяют снимать с базисом менее 210...240 мм

В 2008 году в НИКФИ была разработана модель, аналогичная двухкамерной системе, с малогабаритным камерами формата HDV, обеспечивающая минимально допустимое межосевое расстояние между объективами 68 мм, в которой монокулярные лупы двух камер превратились в одну бинокулярную. А в МКБК создали специальную оптическую насадку, позволяющую уменьшить базис съемки с 68 до 34 мм. Это позволило вести не только съемку средних и крупных планов, но и проводить наезды и отъезды синхронно работающими вариообъективами (зумами) камер. Данная система зарекомендовала себя как удачное решение для событийных стереосъемок.

Двухкамерная система НИКФИ с камерами формата HDV

К сожалению, для больших профессиональных камер разработать оптическую систему, уменьшающую базис съемки, невозможно. Поэтому чаще в двухкамерных системах камеры располагают под углом 90°, используя полупрозрачное зеркало. В таком случае система имеет широкий диапазон изменения базиса съемки, вплоть до нуля. Но данные конструкции крайне не эргономичны даже с камерами формата HD. К тому же, ни одна из существующих систем не имеет бинокулярной лупы, и оператор вынужден на съемочной площадке контролировать трехмерную картинку по специальному монитору. Следует также отметить, все двухкамерные конструкции не имеют системы выставления объективов по плоскости нулевых параллаксов. Поэтому отснятый материал требует последующего форматирования стереопар.

Двухкамерные системы с камерами, расположенными под углом 90°

Однокамерные системы эргономичнее двухкамерных. Но в большинстве из них до сих пор так и не решена проблема уменьшения базиса съемки. Это относится как к пленочным камерам – IMAX 3D (две 65-мм кинопленки с шагом кадра 15 перфораций) и Gemini 3D(две 35-мм кинопленки с шагом кадра 8 перфораций, так и к цифровой камере, разработанной для Джеймса Камерона (две видеокамеры соединены в одном корпусе).

Однокамерные системы IMAX_3D, Gemini 3D и цифровая камера режиссера Джеймса Камерона

По той же самой конструктивной идеологии разработана стереокамера компанией 21-st Суntury 3D. Стандартные объективы с большой апертурой, используемые в этих камерах, не позволяют сблизить их на малое межосевое расстояние, достаточное для съемки игровых сцен с использование средних и крупных планов без эффекта миниатюризации. По причине большого размера передних линз принципиально невозможно рассчитать оптические насадку, уменьшающую базис съемки, как это было сделано в системе, разработанной НИКФИ.

Стереокамера 21st Сentury 3D

Особняком стоят отечественные однопленочные камеры системы "Стерео-70", разработанные на базе широкоформатных камер. Использование единого носителя вдвое шире стандартной 35-мм кинопленки, позволило получить изображение стереопары на единой пленке и тем самым обеспечило автоматическую синхронизацию двух ракурсов. Бинокулярная лупа позволяет не только наблюдать трехмерное изображение через видоискатель, но и выставлять плоскости нулевых параллаксов непосредственно во время съемки, а дальномерные риски, расположенные на матовом стекле видоискателя, – видеть пространственное расположение будущего изображения в зале относительно плоскости экрана. Но, главным принципиальным отличием отечественных стереокамер от всех существующих систем – это наличие стереообъектива.

Отечественная плечевая однопленочная стереокамера КСШП и ручная КСШРУ-Д
Формат пленки 65 мм, масса с кассетой 120 м– 15 кг и 8 кг соответственно.

Во всех ранее описанных зарубежных системах, используются стандартные профессиональные кино или фото объективы, которые, как правило, имеют большие в диаметре передние линзы и не позволяют иметь межзрачковое расстояние меньшее, чем базис зрения.Для отечественных стереокамер были разработаны специальные оптические блоки с малым диаметром линз, что позволило интегрировать их в единую оправу на расстоянии 26 мм, равному межцентровому расстоянию кадров стереопары на 65-мм кинонегативе. Такое значение базиса съемки соответствовало расчетному для съемки игровых сцен при 2,5-кратном увеличении изображения относительно реальных размеров объектов. Была разработана линейка из шести объективов с фокусными расстояниями от 23 до 100 мм. В отличие от обычной синхронизации двух моноблочных объективов, как это имеет место во всех существующих системах, в отечественных камерах используется двухблочный объектив. Это объектив, в единой оправе которого, осуществляется управление двумя оптическими блоками. Конструкция такого стереообъектива позволяет одновременно управлять не только такими параметрами, как диафрагмирование и наведение на резкость, но и симметрично изменять положение оптических центров правого и левого блоков относительно центров кадров на пленке, для осуществления операции выставления плоскости нулевых параллаксов. Для съемки общих планов или ландшафтной съемки существуют оптические насадки, увеличивающий базис съемки до 110 мм.

Отечественные двухблочные стереообъективы

Для макросъемок и кукольной анимации были разработаны оптические насадки, уменьшающие базис до 15 мм. Последней разработкой стал стереообъектив с увеличенным базисом съемки.

Объектив с увеличенным базисом съемки.

Однако, в настоящее время 65-мм формат уже не вписывается в стандартные технологии производства, и ведет к удорожанию в геометрической прогрессии таких параметров, как стоимость негатива, его проявка и сканирование, и делает уязвимым позиции отечественных пленочных стереокамер на рынке киноиндустрии.

Несмотря на то, что вопрос о переходе на цифровой формат кинопоказа стереофильмов уже окончательно решен, к сожалению, пока не существует профессиональной кинокамеры для стереосъемок в цифровом формате, которая бы полностью соответствовала требованиям современного производства. Напрашивается аналогия раннему этапу развития цветного кинематографа. Все существующие сегодня стереосистемы в цифровом формате аналогичны двух или трехпленочным камерам для съемки цветных фильмов.

Появление на рынке цифровой камеры Phantom-65 c матрицей имеющей геометрические размеры близкие к формату 5/65, на который расчитана система Стерео-70, позволяет говорить о возможности разработки техногологии использования отечественных стереообъективов при съемке в цифровом формате. Первые экспериментальные съемки были проведены в ибле 2009 года (см. страницу http://www.stereokino.ru/testing.htm).

Создание цифровой стереокамеры аналогичной отечественным пленочным камерам системы «СТЕРЕО-70» должно стать приоритетной задачей в техническом развитии кинематографа, если рассматривать его переход в обозримом будущем в формат трехмерного изображения.

По матриалам статьи, "Для стереосъемки нет надлежащегоинструментария" опубликованой в журнале "Техника и технология кино" №1 2009 г.