Содержание к диссертации
Введение
1. Работы по обоснованию требуемых параметров кинематографических систем и кинопроекционных аппаратов
1.1. Четкость изображения 7
1.2. Частота кинопроекции 12
1.3. Яркость изображения 18
1.4. Параметры кинопроекционных аппаратов 22
Выводы 26
Постановка задачи исследования 27
2. Влияние яркости киноэкрана на восприятие изображения
2.1. Информационная плотность светового сигнала, воспринимаемого зрительным анализатором 28
2.2. Яркость изображения в кинематографе 38
2.3. Зависимость резкости изображения от его яркости 45
2.4. Резкость изображения в электронном кинематографе 50
Выводы 62
3. Зависимость заметности искажений, вызваных дискретизацией изображения, от яркости киноэкрана
3.1.Искажения первого и второго рода 63
3.2. Количественная оценка заметности мелькания изображения в кинематографе 66
3.3. Экспериментальное исследование заметности мельканий изображения в кинематографе 71
3.4. Снижение заметности мельканий изображения в существующем кинематографе 76
3.5. Искажения изображения в кинематографе высокого качества 80
3.6. Искажения изображения в электронном кинематографе 83
Выводы 86
4. Кинопроекция с электронным управлением световым потоком
4.1. Параметры кинопроекции 88
4.2. Контраст изображения при безобтюраторной кинопроекции -; 93
4.3. Кинопроекция с электронным управлением световым потоком и вспомогательным обтюратором 103
4.4. Экспериментальные образцы кинопроекционных аппаратов нового поколения.. 109
Выводы 115
Заключение 116
Литература
- Параметры кинопроекционных аппаратов
- Яркость изображения в кинематографе
- Количественная оценка заметности мелькания изображения в кинематографе
- Контраст изображения при безобтюраторной кинопроекции
Введение к работе
С момента зарождения кинематографа специалисты непрерывно вели работы по обоснованию требуемых параметров кинематографических систем. Эти параметры определяют не только качество кинопоказа, но и экономические и эргономические показатели систем.
Еще до создания первых кинотеатров в работах Т.Эдисона и его помощника Диксона были обоснованы требования к частоте кинопроекции (46 кадр/с) и формату 35-мм киноленты. В дальнейшем братьями Люмьер из экономических соображений была принята-более низкая частота кинопроекции (16 кадр/с), которая в дальнейшем при переходе к звуковому кинематографу была повышена до 24 кадр/с.
Обоснованию требуемых параметров кинематографической системы посвящены также работы Айвса, Портера, Шейда, Тальбота, Туна и других зарубежных специалистов. В нашей стране подобные работы велись Е.М.Голдовским, В.Г.Комаром, С.М.Проворновым,
Н.К.Игнатьевым, А.В.Луизовым, В.В.Петровым, О.Ф.Гребенниковым, Г.В.Тихомировой, И.В.Газеевой и др. учеными.
Работы по обоснованию параметров кинематографических систем были особенно интенсифицированы начиная с 1950-х годов в период широкого распространения телевидения и видео. Были пересмотрены стандарты на соотношение сторон киноэкрана, созданы системы широкоэкранного и широкоформатного кинематографа, пересматривались стандарты на частоту кинопроекции. Созданы новые системы с повышенной до 30, 48, 60 кадр/с частотой кинопроекции, проведены работы по созданию стереоскопического и голографического кинематографов.
Непрерывно пересматривались в сторону повышения стандарты на яркость киноэкрана.
В настоящее время широко развернуты работы по созданию электронного кинематографа. В этом направлении выполнены важнейшие исследования отечественным ученым М.И.Кривошеевым. Создан новый стандарт цифровой системы электронного кинематографа формата 24Р.
Появление электронного кинематографа вновь инициировало интенсификацию работ по обоснованию требуемых параметров театрального кинематографа. Одной из важнейших задач является нахождение оптимальной яркости киноэкрана. Если современным отечесвенным стандартом в театральном кинематографе предусмотрена яркость ки-ноэкрана по номиналу 50 кд/м , то в телевидении яркость экранов бы-товых телевизоров уже достигла 200...300 кд/м и продолжаются работы по ее повышению. Из физиологии зрения известно, что с повышением яркости наблюдаемой сцены до определенных пределов возрастает острота зрения, контрастная чувствительность зрительного анализа-тора, повышается комфортность зрительного восприятия действительности.
Значительное же повышение яркости экрана в фотографическом кинематографе встречает существенные технические затруднения, особенно в кинотеатрах большой вместимости. Эти трудности обусловлены не только необходимостью создания источников света очень большой мощности, но и сложностью устранения заметных зрителю мельканий изображения, возрастающих по мере увеличения яркости киноэкрана.
Решению проблемы снижения заметности мельканий изображения способствуют работы белорусских специалистов В.А.Лапшина,
Н.Г.Лобач, Н.К.Апалькова и др. направленные на создание специального питающего устройства для питания кинопроекционной ксеноно-вой лампы в импульсном режиме. На базе этого устройства возможно создать кинопроекционный аппарат нового поколения с электронным управлением световым потоком. Такой кинопроекцонный аппарат позволяет не только устранить заметность мельканий изображения, но и решить многие стоящие в настоящее время перед кинотехниками задачи, в частности, значительно повысить световой поток кинопроектора, снизить расход электроэнергии на питание кинопроекционной лампы.
Целью настоящей работы является обоснование требуемой яркости изображения в театральном кинематографе и параметров кинопроекционного аппарата с электронным управлением световым потоком, обеспечивающего повышение качества кинопоказа.
Параметры кинопроекционных аппаратов
Принцип построения современного кинопроекционного аппарата был заложен еще в первом кинопроекционном аппарате, созданном помошником Т.Эдисона Диксоном, а затем использованного и братьями Люмьер. Он основан на прерывистом перемещении фильмокопии в фильмовом канале и перекрытии механическим обтюратором светового потока во время движения фильмокопии. Прерывистое передвижение киноленты вызывает быстрый износ межперфорационных перемычек, а многократное перекрытие светового потока обтюратором снижает полезный поток источника света кинопроектора. Поэтому многие исследователи пытались отказаться от прерывистого передвижения киноленты и создать кинопроектор с непрерывным движением фильмокопии и оптическим компенсатором. Были предложены различные варианты кинопроекционных аппаратов с оптической компенсацией, а аппарат «Мехау» даже выпускался серийно [25,42]. Однако, как этот аппарат, так и другие варианты аппаратов с оптической компенсацией оказались сложными по конструкции и ненадежными в эксплуатации. Поэтому в настоящее время в театральном кинематографе такие аппараты не используются.
Другие изобрататели предлагали принцип действия кинопроекционного аппарата с непрерывным движением фильмокопии и с импульс-ной лампой, освещающей кинокадр на короткое время, за которое фильмокопия не успевала переместиться на большую величину [42]. В данном случае исключаются также потери света на обтюрацию светового потока. Однако реализовать подобный кинопроектор для принятой сейчас частоте кинопроекции в 24 кадр/с оказалось затруднитель ным, поскольку для устранения заметности мельканий изображения необходимо как минимум каждый кадр проецировать на киноэкран дважды. Данная идея возникла вновь с разработкой системы КВК, где каждый кадр демонстрируется только один раз. Был предложен и запатентован принцип кинопроекции КВК-М с включением импульсной лампы от меток, нанесенных на киноленту еще во время киносъемки, что позволяет отказаться от перфораций [43]. Данное предложение вызывает особый интерес и работы по совершенствованию системы продолжаются.
В современных 35- и 70-мм театральных кинопроекционных аппаратах прерывистое передвижение фильмокопии осуществляют исключительно мальтийские механизмы с четырехлопастным крестом, а механический обтюратор дважды перекрывает световой поток за период смены кадров.
Для того, чтобы сократить потерю светового потока на обтюрацию мальтийский механизм работает в форсированном режиме и является наиболее изнашиваемым узлом кинопроектора, который требует обильной жидкой смазки. Время продергивания фильмокопии составляет четверть периода смены кадров, что приводит к повышенному износу межперфорационных перемычек фильмокопии и сокращает срок ее службы. Потери света на обтюрацию достигают 50% от полезного светового потока кинопроектора, вызывая неоправданный повышенный расход электроэнергии. Отмеченные недостатки вынуждали специалистов изыскивать пути совершенствования кинопроекционных аппаратов. Наиболее радикальным путем является переход от источников света непрерывного горения к импульсным источникам света. Были разработаны специальные импульсные лампы и источники питания к ним. Однако реализованные системы оказались ненадежными в работе и неудобными в эксплуатации. Вследствие этого они не получили широкого распространения.
В 1990-х годах в Белорусском НИИ прикладных физических проблем В.А.Лапшиным с сотрудниками [44,45] было разработано специальное питающее устройство к обычной ксеноновой кинопроекционной лампе, обеспечивавшее ее работу в импульсном режиме, что позволило отказаться от механического обтюратора и создать «безобтюраторный» кинопроектор. Расход электроэнергии без снижения светового потока кинопроектора был сокращен примерно вдвое. Подобными питающими устройствами были оснащены несколько кинотеатров в Белоруссии.
Испытания питающего устройства проведенное в СПбГУКиТ показало его надежность и перспективность использования в театральной кинопроекционной аппаратуре. В частности, было показано, что с использованием импульсного питающего устройства можно перейти от мальтийского механизма с четырехлопастным крестом к мальтийскому механизму с пяти- или шестилопастным крестом [46,47]. При этом без -снижения светового потока уменьшаются нагрузки, возникающие в звеньях мальтийского механизма и приложенные к межперфорационным перемычкам фильмокопии. Это повышает, срок службы как мальтийского механизма, так и фильмокопии.
Яркость изображения в кинематографе
Как было показано выше, с повышением яркости киноэкрана возрастает заметность искажений, вызванных дискретизацией изображения в кинематографе (мелькания, дробление, прерывистость движения изображения). Эти явления помимо технических и экономических проблем сдерживают значительное повышение яркости киноэкрана. Заметность мельканий можно снизить или даже полностью устранить использованием безобтюраторной кинопроекции [52]. Полное же устранение заметности как мельканий, так и дробления изображения возможно лишь переходом к системе кинематографа высокого качества с частотой кинопроекции 60 кадр/с [53]. В последнем случае снижается также заметность прерывистости движения и смаза изображения [34]. Следовательно, указанные препятствия к повышению яркости киноэкрана могут быть полностью устранены. Возникает вопрос - какова же оптимальная яркость изображения в кинематографе и последует ли ее дальнейшее повышение?
Коэффициент пропускания фильмокопии лежит в пределах от 0,6 до 0,006 [59]. Следовательно, яркость деталей изображения на киноэкране может изменяться в пределах от 0,6Ьэ до 0,006ЬЭ (рассеянием света пренебрегаем). Однако интервал средних яркостей экрана, к которым адаптируется зрительный анализатор при восприятии самых светлых (например, сцены на белом снегу) и самых темных (ночные сцены) сюжетов в подавляющем большинстве случаев будет меньше. Примем в первом приближении, что максимальная яркость адаптации при про-смотре кинофильма составляет Ьмакс=0,5Ьэ, минимальная Ьмин=0,05Ьэ и средняя - Lcp=0,3L3.
От яркости изображения зависит контрастная чувствительность зрительного анализатора, острота зрения, цветовоспроизведение и скорость восприятия изображения зрителем.
Контрастная чувствительность R [54] зрительного анализатора имеет достаточно высокое значение в диапазоне яркостей от 1 до 1000 кд/м (рис.2.4) и достигает максимума при яркости 100 кд/м2. При яр-костях менее 1 кд/м происходит переход от колбочкового к палочковому зрению и контрастная чувствительность зрительного анализатора значительно снижается. При яркостях более 1000 кд/м2 возникает ослепление зрительного анализатора, что также приводит к резкому снижению контрастной чувствительности. Очевидно, что яркость самых темных и самых светлых планов на экране кинотеатра не должна выходить за данные пределы. Если принять, что Ьми„=1 кд/м2, то яркость экрана должна составлять Ьэ=1/0,05=20 кд/м2, что и имело место в первые годы существования кинематографа. Наибольшая различительная способность зри-тельного анализатора имеет место при яркости 100 кд/м . Если принять Lcp=100 кд/м2, то яркость экрана должна составить Ьэ=100/0,3=330 кд/м . Острота зрения определяется формулой V=l/5, (2.6) где б - предельный угол разрешения глаза выраженный в угловых минутах. Последний определяется выражением [23] 5=0,45+0,641/0,42. (2.7)
Согласно формулам (2.6) и (2.7) по мере увеличения яркости L адаптации предельный угол разрешения 8 монотонно снижается, а острота зрения V наоборот монотонно возрастает, как это показано на рис.2.4 сплошной линией. Однако в действительности за счет снижения контрастной чувствительности зрительного анализатора при больших яркостях, рост остроты зрения при яркости превышающей 100 кд/м сначала замедляется, а затем снижается (показано на рис.2.4 штриховой линией).
Вполне понятно, что значение V коррелирует с разрешающей способностью N зрительного анализатора. Можно предположить, что эти величины прямо пропорциональны, т.е. N=cV, где с - постоянный коэффициент. Если принять с=87,5 мм"1, то при L=100 кд/м2 (V=l,85) N=1,85x87,5=162 мм-1, а при L=20 кд/м2 (V=l,49) N=1,49x87,5=129 мм 1 (см.рис.2.4). Данные значения совпадают с величиной разрешающей способности зрительного анализатора
Из рис.2.4 следует, что разрешающая способность зрительного ана-лизатора при снижении яркости поля адаптации с 100 до 1 кд/м уменьшается в два раза. Следовательно, информационная плотность воспринимаемого зрительным анализатором светового сигнала (см.стр.36) снижается в четыре раза. Понятно, что наибольшая четкость воспринимаемого зрителем изображения в кинотеатре будет иметь место при Lcp=100 кд/м . Следовательно, и в данном случае оп-тимальная яркость киноэкрана равна Ьэ=330 кд/м .
Цвет объекта может значительно изменяться в зависимости от спектрального состава света, излучаемого источником, освещающим данный объект. В тех случаях, когда важно сохранить неизменность восприятия цвета, например в картинных галлереях, стремятся создать освещение, приближенное по спектральному составу к дневному свету. Однако зрительный анализатор человека обладает уникальной способ ностью сохранять постоянство цветового ощущения при освещении объектов источниками различной цветности, характеризуемой цветовой температурой Тц источника света, выраженной в градусах Кельвина К [40]. Например, цвет белого листа бумаги воспринимается белым при освещении его свечой, лампой накаливания или солнцем, хотя спектральный состав света, отраженного бумагой в указанных случаях значительно различается.
Количественная оценка заметности мелькания изображения в кинематографе
Как в фотографическом, так и электронном кинематографах записываемое на носителе изображение подвергается дискретизации во времени с частотой кинопроекции. Дискретизация вызывает искажения, которые подразделяются, в зависимости от их природы, на искажения первого и второго рода.
Искажения первого рода вызваны недостаточно эффективной фильтрацией нижних временных частот на входе системы в киносъемочном аппарате или в передающей телевизионной камере. Они обусловлены проникновением в пределы основного спектра изображения ложных высокочастотных составляющих смещенных спектров, возникших в результате дискретизации изображения. Эти искажения уже не могут быть устранены в дальнейшем технологическом процессе тиражирования и воспроизведения изображения. Наиболее характерным проявлением искажений первого рода является стробоскопический эффект и заметная зрителю прерывистость движения изображения.
Исходя из основных положений теории дискретизации показано [26], что единственным путем устранения искажений первого рода является усиление фильтрующего действия киносъемочного аппарата или передающей телевизионной камеры путем значительного увеличения их коэффициентов обтюрации. Однако при существующей частоте кинопроекции в 24 кадр/с полное устранение искажений первого рода приводит к недопустимому смазу изображений движущихся объектов. Поэтому с данным видом искажений в современном кинематографе пришлось смириться, а для уменьшения их заметности ограничивать скорость движения объектов киносъемки, а также панорамирования.
Почти полное устранение искажений первого рода возможно при повышении частоты кинопроекции до 48 или 60 кадр/с. В данном случае повышенная фильтрация нижних частот на входе системы не приведет к неестественно большому смазу изображений движущихся объектов.
С повышением яркости киноэкрана заметность искажений первого рода несколько возрастет вследствие того, что острота зрения и контрастная чувствительность у зрителей увеличивается (см.разд. 2).
Искажения второго рода вызваны недостаточно эффективной фильтрацией нижних временных частот на выходе системы. В результате зртителем частично воспринимаются высокочастотные составляющие смещенных спектров. Роль фильтра на выходе кинематографической системы выполяют кинопроекционный аппарат (или видеопроектор) и зрительный анализатор человека.
К искажениям второго рода относятся заметные зрителю мелькания и дробление изображения.
Дробление изображения возникает в результате появления на краях изображений движущихся объектов каймы, мелькающей с частотой кинопроекции, т.е. 24 Гц. Эта частота не подавляется ни кинопроектором ни зрительным анализатором, причем, с повышением яркости экрана заметность дробления усиливается. В работах Г.В.Тихомировой и О.Ф.Гребенникова [29] показано, что единственным путем устранения заметности дробления изображения является повышение частоты кинопроекции до критической частоты слияния мельканий, т.е. до 48...60 кадр/с.
В отличие от стробоскопического эффекта, прерывистости движения и дробления изображения мелькания изображения заметны при проекции не только движущихся, но и неподвижных изображений. Это наиболее неприятный вид искажений, борьба с которым была начата с первых же дней появления кинематографа. Мелькания возникают с частотой дискретизации и с частотами кратными частоте дискретизации. При частоте кинопроекции в 24 кадр/с такими частотами являются 24, 48, 72, ... Гц. Частоты 48, 72,... Гц почти полностью подавляются зрительным анализатором. Для подавления частоты 24 Гц пришлось вводить вторую холостую лопасть обтюратора, что привело к дополнительной потере полезного светового потока кинопроектора.
С повышением яркости киноэкрана критическая частота слияния мельканий возрастает и колебания яркости в современном кинотеатре с частотой 48 Гц становятся заметны зрителю. Устранить заметность колебаний яркости с этой частотой возможно значитеьным повышением коэффициента обтюрации кинопроектора с двухлопастным обтюратором, что встречает значительные технические затруднения, либо перейти к подаче трех световых импульсов при проекции каждого кинокадра.
Как будет показано ниже, задача в полной мере может быть решена с использованием электронной обтюрации, т.е. созданием кинопроекционного аппарата с электронным управлением световым потоком.
Таким образом резкое повышение яркости изображения в современном кинематографе сдерживается увеличением заметности искажений, вызванных дискретизацией изображения. Наиболее неприятны искажения в виде заметности зрителю мельканий изображения, которые в современном кинематографе совершенно недопустимы. Основные работы должны быть направлены именно на устранение этого вида искажений.
Полное же устранение заметности искажений при резком повышении яркости киноэкрана достижимо переходом к кинематографу высокого качества с повышенной до 48...60 кадр/с частотой кинопроекции.
Контраст изображения при безобтюраторной кинопроекции
Испытания опытного образца кинопроектора на снижение контраста изображения проведены: 1) при удаленном с аппарата вспомогательном обтюраторе и 2) с установленным на него вспомогательном обтюраторе. Методика эксперимента и его результаты по испытанию кинопроектора с удаленным вспомогательным обтюратором изложены в разд.4.2. Исследования снижения контраста с установленным на кинопроектор вспомогательным обтюратором проводились по той же методике. В результате эксперимента установлено, что снижение контраста изображения в данном случае вследствие свечения кинопроекционной лампы в интервалах времени между импульсами полностью от v сутствует. Контраст изображения не отличается от контраста изображения при работе кинопроектора в штатном режиме, т.е. при непре-рывном свечении проекционной лампы и установленном на аппарат двухлопастном обтюраторе.
Кинопроектор установлен в аппаратной аудитории на 150 мест. Ис пытания показали, что мелькания изображения совершенно не заметны при повышении яркости киноэкрана от 50 до 300 кд/м2. — . Испытания качества кинопоказа согласно ОСТ19-155-2000 проводилось по сравнению с качеством кинопоказа, обеспечиваемым кинопо-ектором 23КПК-3 работающем в обычном режиме с двухлопастным механическим обтюратором. В результате испытаний установлено, что равномерность освещенности киноэкрана, коэффициент засветки экрана, неустойчивость изображения, тяга обтюратора и разрешающая способность в обоих случаях практически одинаковы.
С использованием экспериментального образца кинопроекционного аппарата были проведены эксперименты по интегральной оценке экспертами качества кинопоказа в зависимости от яркости киноэкрана. В проведении экспериментов приняли участие к.т.н. И.В.Газеева и к.т.н. В.В.Гусев. Эксперимент проводился по двум вариантам:
1) Демонстрировались кольца фильмокопии с мало подвижным изо бражением средней плотности. При этом дробление изображения и прерывистость его движения были мало заметны зрителям. За эта лон принята яркость киноэкрана 50 кд/м . Затем яркость постелен но увеличивалась до 300 кд/м , а экспертам предлагалось оценить качество кинопоказа категориями: намного лучше, лучше, немного лучше, также, немного хуже, хуже, намного хуже.
2) То же что и п.1, но за эталон принята яркость киноэкрана 300 кд/м2 с постепенным снижением яркости до 50 кд/м2.
В качестве экспертов выступали сотрудники кафедры киновидеоаппаратуры и студенты университета. В каждом эксперименте принимала участие группа из 15.Следует отметить, что при демонстрации некоторых сюжетов мнения экспертов существенно расходились. Это имело место при демонстрации колец фильмокопий в которых по мере увеличения яркости киноэкрана становились заметными дробление изображения, прерывистость его движения, искажения цветопередачи и др. дефекты. Несмотря на сказанное, общая закономерность в суждениях экспертов примерно одинакова: с устранением заметности мельканий и других искажений изображения повышение яркости киноэкрана улучшает качество кинопоказа. Данный результат подтверждают проведенные ранее аналогичные психофизические эксперименты по исследованию системы кинематографа высокого качества [41], а также психофизиологические эксперименты, выполненные американским исследователем Трамбеллом [33] (с использованием детектора лжи) и к.т.н. И.В.Газеевой [39].
Второй экспериментальный образец кинопроекционного аппарата нового поколения создан на базе серийного кинопроектора КП 30. Переоборудование кинопроектора на режим работы по системе кинематографа высокого качества с частотой кинопроекции 60 кадр/с произведено к.т.н. С.А.Кузнецовым.
Параметры импульсного питающего устройства были рассчитаны согласно схеме на рис.4.9,в. Разработанное НИИПФП питающее устройство обеспечивает работу 3 кВт ксеноновой лампы в импульсном режиме с коэффициентом обтюрации 0,5, с мощностью в имульсе 6 кВт и с частотой вспышек 60 ГЦ. В качестве вспомогательного обтюратора сохранен штатный обтюратор кинопроектора КП-30. При проекции на экран размером 3,7x8,1 м обеспечивается яркость кино-экрана до 260 кд/м , при этом полезный световой поток возрастает вдвое по сравнению с имеющем место при работе кинопроектора с 3 кВт проекционной лампой в штатном режиме. На экран демонстрировались экспериментальные 70-мм фильмы снятые ранее на киностудии им.Довженко.
Экспертам демонстрировались одни и те же ролики с яркостью эк-рана 130 и 260 кд/м . Все без исключения эксперты отметили существенное повышение качества кинопоказа при увеличенной яркости киноэкрана.
