Электронный, цифровой, театральный кинематограф в стандарте ТВЧ и пленочный театральный кинематограф Комар В.Г.
Начало XXI в. ознаменовалось новым этапом в развитии кинематографии — возникновением электронного цифрового театрального кинематографа на основе стандарта телевидения высокой четкости. Несколько попыток заменить в театральном кинематографе кинопленку на магнитную ленту, сделанных во второй половине XX в., закончились безуспешно. Качество изображения тогда было худшим, нереалистичным из-за плохого разрешения, яркости, контраста и цвета.
После того, как по системе телевидения высокой четкости (ТВЧ) были разработаны высококачественные цифровые видеокамеры и видеопроекторы с большим световым потоком, системы электронного цифрового театрального кинематографа смогли практически достигнуть уровня традиционных систем театрального пленочного кино.
Чтобы более точно спрогнозировать сроки такого возможного развития кинематографии, следует оценить преимущества и недостатки уже созданных систем цифрового и пленочного кинематографа как в техническом, так и в экономическом отношениях.
Разрешение
Разрешение кинематографической системы в значительной мере определяет качество изображения, которое видит зритель на экране. Количественно разрешение выражается в пикселах как для системы кинематографа в целом, так и для ее отдельных звеньев. Значения разрешения для различных электронных цифровых и кинопленочных систем и разных их звеньев были подсчитаны по методу автора, исходя из условия равенства разрешения при равной резкости изображения. Однако наряду с важнейшим показателем качества изображения — его резкости, т.е. четкости контуров, многое зависит и от передачи малых деталей. Если они воспроизводятся плохо или совсем не воспроизводятся, то многие предметы с тонкой структурой поверхности выглядят на экране как грубые, нереальные.
На рисунке изображена частотно-контрастная характеристика (1), которая хорошо апроксимируется квадратичной экспонентой для последовательных звеньев кинематографических систем: кинопленки, оптики, механизмов киноаппаратуры. По вертикали отложены значения функции передачи контраста, т.е. относительные значения контраста изображения, которые снижаются от 1 до 0 по мере увеличения пространственной частоты (количества линий на миллиметр). Пространственная частота дана по горизонтальной оси в относительных единицах.
1 — частотно-контрастная характеристика кинопленки,
объектива; эквивалентные им характеристики ПЗС-матрицы:
2 — по резкости изображения, 3 — по малым деталям изображения
На рисунке также показаны две скачкообразные частотно-контрастные характеристики ПЗС-матрицы видеокамеры, эквивалентные характеристике кинопленки. Характеристика (2) соответствует условию равенства резкости изображения, а кривая (3) — условию равенства передачи малых деталей изображения.
Большое различие этих характеристик обусловлено тем, что критерий резкости изображения пропорционален площади, заключенной между частотно-контрастной характеристикой и осями координат. Он соответствует падению контраста примерно до 45% от первоначального. Критерий передачи малых деталей изображения определяется значением пространственной частоты, при котором контраст падает приблизительно до 5%. Поэтому значение разрешения кинопленки, объектива, подсчитанное из условия передачи малых деталей кадра, превышает разрешение, подсчитанное из условия резкости изображения, приблизительно в 2 раза.
Поскольку кинематографический процесс состоит из большого числа звеньев, последовательно передающих изображение, в результате разрешение системы в целом оказывается значительно ниже, чем ее отдельных звеньев. Результирующее разрешение кинематографических систем определяется характеристиками уже названных звеньев, а также аппаратурой копирования кинокартины, устройствами фильтрации, кодирования и трактами передачи цифровых сигналов.
Результирующее разрешение 4К ожидаемой системы электронного кинематографа, основанной на стандарте телевидения сверхвысокой четкости, оказывается значительно выше разрешения систем и электронной стандарта ТВЧ 2К, и 35-мм кинопленочных, а также гибридных систем этих же стандартов. Видеопроекторы с номинальным разрешением 4К (около 4000 пикселов) по горизонтали уже созданы. У разработанных экспериментальных образцов видеокамер с разрешением 4К пока чрезмерно большие размеры и вес. Разрабатывающаяся на базе уже готовых экспериментальных образцов камеры профессиональная коммерческая цифровая кинематографическая система стандарта 4К получит в отношении разрешения подавляющее превосходство над применяемыми 35-мм пленочными системами.
Яркость, контраст и цвет
Качество изображения в кинематографе в значительной мере зависит от того, насколько правильно передаются яркость, контраст и цвет. Максимальное значение яркости изображения на экране зависит, очевидно, от светового потока кинопроектора, размеров и светотехнических характеристик экрана.
Современные электронные проекторы, основанные на принципе жидкокристаллических просветных модуляторов света (LCD) или микрозеркальных модуляторов (DLP), или же жидкокристаллических отражательных световых усилителей изображения электронно-лучевых трубок (D-ILA) — все имеют достаточные световые потоки для кинотеатров с зрительными залами обычных размеров. Таким образом, в отношении яркости экрана кинопленочные и электронные системы практически равноценны.
Для получения необходимого качества система должна обеспечивать передачу изображения с большим диапазоном яркости. Можно оценивать изображение по данному показателю как хорошее, если система может обеспечить контраст, равный 500. При контрасте 1000 системе можно дать отличную оценку. Такие показатели достижимы для современных систем кинематографа, как электронных, так и пленочных.
Для оценки кинематографических систем важным показателем является количество полутонов, которое она может передать. В этом отношении кинопленочные системы кинематографа идеальны, так как они передают больше полутонов, чем может воспринять зритель. Количество полутонов, которое может быть передано в цифровом кинематографе, жестко ограничено и, как известно, зависит от разряда квантования.
При рассматривании на экране в кинотеатре изображения примерно постоянной яркости, т.е. в условиях неизменной адаптации зрения, человек способен различить около 100 полутонов. Однако при переходе от светлых к темным планам система кинематографа должна обеспечивать существенно большее число уровней яркости. Применяемая в современном цифровом кинематографе система с 10 разрядами квантования (1024 уровней яркости) обеспечивает хорошее качество изображения по данному показателю. Изображение при 12 разрядах квантования ( 4096 уровней) можно оценивать как отличное.
Преимущества и недостатки цифровых электронных и кинопленочных систем кинематографа в отношении качества изображения и звука
Кроме рассмотренных выше существенными являются также следующие показатели качества цифровых электронных и кинопленочных систем кинематографа.
Изобразительные возможности цифровых систем кинематографа более широки, чем пленочных в отношении создания сложных комбинированных кадров благодаря более точному и простому совмещению фрагментов различных сцен. В цифровом кинематографе возможно создание эффектных сцен, недоступных в кинопленочных системах.
Помехи изображения в виде зернистости, царапин, загрязнений ухудшают качество изображения в обычных системах кинопленочного кинематографа. По мере эксплуатации, износа фильмокопий эти помехи увеличиваются. В цифровых системах электронного кино они практически не меняются.
Это преимущество цифровых систем особенно важно потому, что дает возможность обеспечить неограниченное, вечное хранение кинокартин, представляющих историческую ценность, так как через достаточно длительные промежутки времени можно последовательно изготавливать цифровые копии кинокартин, практически не ухудшая их качества. Хранение кинокартин на кинопленках ограничено сроками их разрушения. Повторение многократной печати на кинопленках приводит к постепенному ухудшению качества изображения, а затем и к полной потере кинокартины.
Устойчивость изображения в современных электронных системах кинематографа значительно лучше, чем в наиболее распространенных системах кинопленочного кино. Изображение на экране современного электронного кинотеатра воспринимается зрителями как совершенно стабильное. Неустойчивость изображения часто замечается зрителями в большей части кинотеатров с кинопленочным оборудованием. Однако в кинопленочных системах «Аймекс» (70-мм кинопленка) и «Максивижн» (35-мм кинопленка) колебания изображения незаметны для глаза.
Быстродействие современных полупроводниковых и жидкокристаллических светочувствительных и светомодулирующих элементов видеокамер и видеопроекторов значительно ниже, чем соответствующих элементов кинопленочных систем кинематографа. При обычных частотах съемки и проекции кинокартин этот недостаток не имеет практического значения. Однако он оказывается существенным при сверхскоростных киносъемках, а также при проводимых в настоящее время разработках безочковых многоракурсных систем трехмерного кинематографа.
Качество передачи звука в цифровых электронных системах оценивается как весьма высокое. Однако в современных кинопленочных системах также достигается достаточно высокий уровень качества. Возникающие в кинотеатре искажения звукопередачи присутствующими не замечаются, если соблюдаются ограниченные механическими повреждениями сроки эксплуатации фильмокопий. Следует считать, что качество передачи звука в цифровых и пленочных системах кинематографа практически одинаково.
Подводя итоги сравнению следует сделать вывод, что качество изображения и звука современных цифровых электронных систем кинематографа практически такое же, как в современных системах кинематографа, основанных на применении 35-мм кинопленки. При этом кинопленочные 35-мм системы кинематографа несколько превосходят современные электронные системы кинематографа в отношении ряда показателей качества изображения, но несколько уступают по другим показателям.
Экономические преимущества и недостатки кинопленочных и цифровых электронных систем кинематографа
В настоящее время темпы внедрения в кинотеатральную и телевизионную практику цифровых электронных систем кинематографа определяются в значительной мере экономическими факторами.
Текущие денежные расходы при производстве (съемке и монтаже) цифровых электронных кинокартин как для кинотеатрального, так и для телевизионного показа существенно меньше, чем для кинопленочных кинокартин. Экономия, согласно имеющемуся российскому опыту, может достигать 15–25 %, но ее можно и значительно увеличить. Следует, однако, иметь в виду, что для производства электронных кинокартин необходимы существенные затраты на приобретение или аренду нового оборудования.
Значительная экономия денежных затрат достигается как при производстве копий цифровых кинокартин в виде кассет с магнитной лентой или видеодисков, так и при доставке копий кинокартин в кинотеатры. Кассеты с видеолентой и диски в несколько раз легче обычных фильмокопий, просто и дешево доставляются в кинотеатры.
Сложной в экономическом отношении является проблема оснащения тысяч кинотеатров цифровой проекционной аппаратурой, которая в настоящее время в 2–3 раза, а иногда и больше, дороже обычной 35-мм кинопроекционной. Правда эта стоимость будет снижаться по мере развития цифрового кино. Следует учитывать, что обслуживание цифровой аппаратуры в кинотеатрах требует более квалифицированного и высокооплачиваемого персонала, чем в кинопленочных кинотеатрах. Значительно большие трудности экономического характера при практической реализации возникнут в том случае, если будет разработана система цифрового кинематографа с разрешением 4К.
Огромное множество частных владельцев кинотеатров и телевизоров, часто ограниченных в своих материальных возможностях, по-видимому, станет причиной медленного полного перехода кинематографа на цифровые системы. Однако неуклонный процесс перехода кинотеатров в собственность крупных компаний создает благоприятные условия для более быстрого перехода к цифровому театральному кинематографу, как в экономическом отношении, так и в смысле защиты авторских прав. Защита авторских прав осуществляется проще для кинопленочных систем, чем для цифровых, но в настоящее время уже разработаны удовлетворительные средства защиты и для цифровых кинокартин.
В связи с названными трудностями практической реализации цифровых систем кинематографа в текущем 10-летии следует ожидать применения в больших масштабах гибридных систем кинематографа, в которых одновременно используются как кинопленочные, так и электронные звенья в последовательной передаче изображения. Электронный цифровой кинематограф, основанный на стандарте ТВЧ (2К), получит весьма широкое применение не только в телевидении, но и как театральный кинематограф. Но наряду с этим масштабы применения систем кинематографа, использующих кинопленку, будут по-прежнему огромными.
Электронные цифровые системы с трехмерным многоракурсным изображением без применения очков и при свободном положении зрителей
В последние годы в нескольких странах проводятся работы по созданию систем кинематографа с трехмерным изображением. В мае 2001 г. в США был открыт первый электронный цифровой стереоскопический кинотеатр. Четыре видеопроектора с номинальным световым потоком 12000 лм проецируют стереоскопическую кинокартину на экран 13х9м. Зрители смотрят трехмерное изображение через поляризационные очки.
В настоящее время в Японии, России и Корее ведутся исследовательские работы по созданию безочковой многоракурсной электронной системы видеосъемки и видеопроекции. НИКФИ совместно с несколькими российскими институтами и предприятиями и Корейским институтом науки и технологии проводил работы, имеющие конечной целью создание электронной цифровой безочковой многоракурсной системы телевидения и кинематографа. Ее экспериментальный образец был разработан и испытан. Недостатком явилась достаточно сложная видеокамера с 8 объективами.
В связи с этим c 2001 г. специалисты НИКФИ совместно со специалистами по компьютерной техники Московского Государственного Университета (С.Ю. Озеров) и Корейского Университета Hannam (Kyung-tae Kim) проводили работы по созданию компьютерной программы по получению множества видеоизображений промежуточных ракурсов путем синтеза двух изображений, снятых в различных ракурсах одной двухобъективной видеокамерой. Эта работа продолжается.
Полный текст - в № 2 журнала "ТКТ" за 2003 г.
