Цифровое производство фильмов

Александр Китаев

Цифровые технологии пришли в нашу жизнь уже достаточно давно, так что нет необходимости в сотый раз вдаваться в азы кинопроизводства с их использованием — большинство отлично представляет себе, как работает видеокамера. Подозреваю, что многие даже иногда пользуются ими и могут сами смонтировать кусочек видео в компьютере. Так что опустим вводную часть и перейдем к практической стороне дела. Если все так здорово, почему же львиная доля кинематографистов до сих пор снимает на кинопленку? На этот вопрос есть много вариантов ответов. Это и просто предрассудки, нежелание и неприятие перемен, опасение за свою неспособность адаптироваться, а также банальная лень! Пока гром не грянет (вернее, пока продюсер не прикажет)…

Насколько же далеко продвинулись технологии цифровой киносъемки, и готовы ли они заменить пленку?

Тут надо сделать небольшое отступление: производство кинопленки, как и вся химическая промышленность, тоже не стояло на месте и развивалось последние сто лет сумасшедшими темпами. Пленка с каждым годом становилась качественней, краски ярче, изображение четче. Однако кинопленка — это всего лишь вершина айсберга, производное от фотопленки. А фотопленка за последние несколько лет практически исчезла. Большинство заводов по ее производству закрылось, а оставшиеся переводятся в развивающиеся страны. Там менее суровое экологическое законодательство и дешевле рабочая сила. На сегодняшний день в фотоиндустрии повсеместно царствует цифра и, похоже, век пленки уже закончился. Совершенно очевидно — то же самое ожидает и киноиндустрию и что бы мы ни придумывали и как бы мы ни оттягивали этот момент, он наступит — или, может быть, уже наступил? Еще нет, но последней каплей будет бурное развитие цифровых кинотеатров в ближайшие год-два. Потребность в кинопленке для копий фильмов резко сократится. Соответственно, уменьшится и количество выпускаемой пленки, а вот цена ее и стоимость обработки резко возрастут. Пользуясь исторической аналогией, посмотрим, как проходил процесс цифровизации фотографии. Вот найденный мной в Интернете анализ подобной проблемы, сделанный в 2002 году и сравнивавший фотопленку и цифровую фотокамеру с разрешением 6 мегапикселов.

На стороне пленки выступала Fujichrome Velvia ISO 50, а за сборную цифровых камер — Canon D60. Это весьма неплохая даже по нынешним меркам камера.

При анализе мы постараемся рассмотреть все аспекты качества, как физическое разрешение и динамический диапазон, цветовой баланс, условия обработки монтажно-тонировочных работы, так и общие условия эксплуатации различных технологий.

Начнем по порядку и рассмотрим один из важнейших параметров — разрешение. Результат вполне предсказуем — «аналитическое» качество самой мелкозернистой фотопленки с чувствительностью 50 единиц составило 10…15 мегапикселов на полный фотокадр.

Этот результат много раз проверялся и перепроверялся, в том числе и автором этой статьи, так что можно смело утверждать — он действительно близок к истине.

Правда, здесь не учитываются некоторые очень важные нюансы. Во-первых, применительно к кадру фото это размер 36x24 мм, то есть в два раза больше используемого в кино. Так что сразу реальное разрешение, ориентировочно 4000x3000 точек, надо поделить пополам и тогда получим 3000і2000, то есть 6 мегапикселов, что и будем считать исходной величиной. Во-вторых, если посмотреть на график зависимости чувствительности пленки от разрешения, то видно, что разрешение падает в логарифмической зависимости и в результате получается, что обычно используемая пленка 120…150 ISO ввиду существенно большей зернистости имеет значительно меньшую разрешающую способность. В пересчете на кинопленку получается разрешение 2…2,5К. Таким образом, можно предположить, что цифровые кинокамеры с разрешающей способностью не хуже 2000x1000 точек имеют разрешение, сравнимое с 35-мм кинокамерами.

И такие камеры производятся уже более 6 лет! Почему же все до сих пор не начали снимать на них? Ответ не так очевиден — тут надо, с одной стороны, поблагодарить ведущие компании за пропаганду новых технологий, а с другой — покритиковать их за излишне оптимистичные заявленные характеристики своих камер. Конечно, никто не кривит душой, заявляя, что разрешение уже достигнуто. Однако никто и не уточняет, что это, например, разрешение в режиме чересстрочной развертки, то есть на самом деле оно в два раза ниже. А некоторые просто финальное разрешение пересчитывают из прямоугольных пикселов. Тут надо внимательнее смотреть на документацию — только и всего. Реальность же такова: сенсоры и камерные головки уже есть, а вот устройства записи полного потока в таком качестве до последнего времени не существовало! Но об этом позже.

Цифровые камеры для кино: Dalsa, Kinor, Panasonic Varicam, Panavision, Sony F23, Thomson Viper

Рассмотрим следующий важный аспект качества изображения — динамический диапазон, или, говоря «фотографическим» языком, фотографическую широту, еще проще — какой максимально и минимально яркий объект может находиться в одном кадре.

С моей точки зрения, это наиболее важный параметр после разрешения, влияющий на качество картинки. Что это такое и как это надо понимать и анализировать? Всем известно, что, как и глаз человека, пленка и сенсор имеют некоторый диапазон восприимчивости к свету. Очень яркие участки засвечиваются и там нет никакой информации, кроме белого пятна, а в слишком темных областях, если чувствительность недостаточна, будет черное пятно. Конечно, идеал — когда смотришь на солнце и спокойно различаешь там черные пятна, но, к сожалению, это недостижимо. Поэтому ориентиром тут должен быть человеческий глаз, который, в общем-то, и работает, как любая видео- или кинокамера. Открыл диафрагму — стало ярче, увидел детали в темноте, закрыл — можно и на солнце взглянуть, но не долго, то есть добавил аналог выдержки.

Какими же характеристиками обладает глаз? По оценке некоторых специалистов, широта его динамического диапазона — 12…14 стопов (значений диафрагмы), но это к глазу очень сложно применить, так как глаз — устройство адаптивное и очень быстро может подстраиваться как по углу поля зрения, так и по открытию/закрытию диафрагмы/зрачка. И тут допустимо говорить лишь о некоторых статистических значениях. Но, как показывает практика, существует некоторая комфортная зона, в которой глазу не нужно сильно напрягаться и перестраиваться для рассмотрения деталей в слишком ярком или слишком темном месте. Общепринято считать, что такой диапазон составляет 5 стопов.

Все, что ярче или темнее, требует корректировки зрения и повышает как физическую, так и моральную утомляемость, и очень важно при подаче материала зрителю избегать выхода за эти рамки.

Как это реализуется при съемке на пленку и как — на цифру? Не будем вдаваться в детали — их может быть очень много. Нас больше волнует вопрос — зачем нужна в кино наибольшая ширина динамического диапазона, если вроде бы достаточно 5 стопов?

Все очень просто — в основном, для страховки, то есть так кинематографисты страхуются от пере- или недопроявки, оставляют необходимый запас для дальнейших манипуляций: цветокоррекции, перевода негатив/позитив и так далее. К примеру, в некоторых кадрах надо снять людей в лесу в солнечный день (настоящая головная боль для оператора). При использовании пленки оператор не видит результата своего труда и не может знать, что получится в финале работы над картиной. Ведь пленку надо проявить, обработать, сделать копии, и только после этого будет результат. А не дай бог недосвет или пересвет! Вот тут-то и пригодится запас — при обработке его можно использовать (а можно и нет), и в результате на экране зритель все равно увидит те же 5 стопов.

Теперь о цифре. Что же происходит с цифровыми сенсорами видеокамер в том же лесу? Да ничего хорошего, они просто либо «слепнут» от яркого света, либо ничего не различают в темных местах, так как для различимости неба надо закрыть диафрагму до 16, а для хорошего отображения людей ее надо бы открыть до 2…3. Получается, диапазон при среднем значении 5,6 будет около 12 стопов! Это чересчур даже для человеческого глаза! Как показывает практика, большинство видео- и цифровых камер имеют диапазон фотографической широты 6…7 стопов. Казалось бы — тупик. Но ведь как-то они снимают?

Тут надо поподробнее описать, как и от чего зависит фотографическая широта обычных видеокамер.

Самый главный фактор — это, конечно, чувствительность сенсора. Чем больше фотонов он сможет уловить, тем больше сможет сосчитать, а это, в первую очередь, зависит от площади пиксела, и, соответственно, площади сенсора и размера кадра. Во вторую очередь количество посчитанных фотонов будет зависеть от качества и количества разрядов используемого преобразователя АЦП. Тут все просто — чем больше разрядов, тем больше значений оцифровывается и больше данных попадает на дальнейшую обработку. Следующий немаловажный аспект — соотношение сигнал/шум. Чем выше значение этого параметра, тем лучше — меньше шумов будет влиять на широту.

Ну и после всех ухищрений со считыванием информации сенсором, ее оцифровки получаются некие значения, которые пока еще характеризуют лишь то, как кремний воспринимает цвет. И это не то же самое, что человеческое зрение — полученный результат надо еще «проявить».

Сенсор (вверху) и процессор обработки изображения для современной цифровой камеры

И тут на помощь приходит математика. Точнее, различные алгоритмы обработки как готовых, так и «сырых» изображений. По существу сенсоры различных компаний очень похожи друг на друга и делаются подчас на одних и тех же заводах, а вот математическое обеспечение у каждого свое. И хотя у всех есть общие понятия — gain, gamma, реально нынешняя камера — это суперкомпьютер, и качество картинки не в последнюю очередь определяется мощностью этого компьютера. Как же получается, что сенсор видеть не должен, а изображение есть? Тут нет никаких чудес. Как при использовании пленки можно слегка передержать и осветить, так и в цифре можно осветлить черные участки и затемнить белые. Стандартно такая корректировка называется гамма-коррекцией, и применяется она всегда для придания изображению более-менее «человеческого» вида. Функция эта логарифмическая и, изменяя ее значения, можно делать значительные или небольшие изменения в черной и белой областях. Это, конечно, происходит не без последствий. Как и в любом процессе, если где-то прибыло (в данном случае — света), то где-то должно убыть. Так и здесь: изменение гаммы — это перераспределение полезных значений из места, где и так ярко, в место, где недостаточно ярко, и поскольку функция эта может быть динамической, то и камера способна адаптивно менять свою фотографическую широту динамически, со стандартного среднего значения 5…6 стопов до 10…12 и более. Этим, кстати, обуславливается бесполезность большинства сравнительных тестов цифровых и пленочных камер. То, что в пленочной камере делается после съемки, в цифровой может происходить в каждом кадре.

Конечно, это происходит не безболезненно для картинки. Как уже отмечалось, если где-то прибавилось, то где-то убавится. В случае с увеличением гаммы имеет место существенное повышение уровня шума (точнее, шум-то остался тем же, просто вследствие усиления слабого сигнала усиливается и шум тоже, а потому он станет более заметным). В таких случаях часто используют дополнительную математическую функцию — шумоподавление, но и она не «бескорыстна». Обычно шум подавляется за счет уменьшения значения пикселов с шумом и увеличения полезного сигнала. Тем самым ухудшается разрешение.

По большому счету, все математические преобразования имеют примерно ту же цель на данном этапе, что и химические процессы при проявке пленки. Это не только очень похоже, но и подчас делается на основе одного понимания процесса — просто математики скопировали химиков. Почему же нельзя сразу сделать сенсор с динамическим диапазоном, как у глаза, с отсутствием шумов и т.д.? Тут ответ простой — можно! Но пока дороговато, хотя необходимый технологический процесс уже существует, и по новым нормам в настоящее время изготавливаются процессоры и память, но вот сенсоры пока делать нерентабельно, так как если изготовить такой сенсор, то по качеству он будет сопоставим с человеческим глазом, но и по объему данных это также получится немало. Так что для обработки и хранения понадобится компьютер, по производительности (мощности) сопоставимый с человеческим мозгом. Но процесс уже идет и, по расчетам экспертов, для достижения такого результата потребуется лет 8..10, не больше.

Ну а что же сейчас? А сейчас сохранить такой объем информации просто не на чем, вот и приходится думать над альтернативой. Альтернатива же достаточно проста — надо постараться использовать все существующие резервы и возможности с максимальной эффективностью. Для этого необходимо понимать и правильно оценивать то, что есть в распоряжении в настоящий момент, а это все те параметры, о которых уже говорилось: разрешение, динамический диапазон, чувствительность, объем памяти.

Вернемся еще раз к существующим проблемам. Первое — разрешение. Оно вроде бы уже не хуже, чем у кинопленки. Второе — широта динамического диапазона. Этот параметр хуже, но нам-то надо всего 5 стопов, а при использовании цифровых технологий нет необходимости откладывать проверку результата съемки надолго и сохранять запас по широте — можно сразу на площадке проконтролировать результат и не «закладываться» на ошибку. Третье — чувствительность. В среднем она не хуже, чем у кинопленки, а в некоторых случаях можно и света добавить — нынче это не проблема.

Сверху вниз: нормальный, пересвеченный (белые пятна в ярких областях) и недосвеченный (черные пятна в темных областях) кадры

Поговорим теперь о цвете. Но вначале несколько слов о сравнении трех- и одноматричных камер. Несмотря на то что трехматричные системы кажутся более предпочтительными, сейчас уже точно можно сказать, что одноматричные однозначно лучше. И этому есть простое объяснение — трехматричные камеры «пошли в гору» тогда, когда еще не было цифровых систем анализа цветов. Поэтому было проще сделать оптическую систему для деления цветов, тем более что они передавались на трехцветную пушку и практически не смешивались в процессе работы. Пикселы были огром-ными, проблем с аберрациями не было, и все было хорошо. Но по мере роста разрешения изготавливать сложные оптические делители и точно их совмещать становится все труднее и труднее. Думаю, существующие камеры дошли до физического предела точности юстировки оптической системы. Уже сейчас при совмещении пикселов необходимо бороться с паразитным межпикселным шумом. Но главное — цифровой сигнал все равно записывается методом корреляции значений пикселов, а не реальных значений каждого из них. Иными словами, их все равно вычисляют из множества параметров, так зачем портить картинку — раскладывать ее дополнительно на три канала, если на одном сенсоре можно получить все три канала сразу? А по поводу уменьшения разрешения — это все от лукавого. Разрешение остается таким, какое количество пикселов имеет сенсор, а информация о каждом пикселе вычисляется из соседних, так что допустимо говорить не об уменьшении разрешения, а о повышении коэффициента ошибки при вычислении цвета. Но, как уже упоминалось, этот коэффициент в трехматричной системе может быть и выше за счет неточного позиционирования трех отдельных сенсоров, на что также оказывает существенное влияние нагрев камерной головки, изменение влажности окружающей среды и т.д. Многие при работе на новых камерах замечали, что по мере нагрева начинается дрейф цвета и появляются шумы. Это все — проявление тех самых сложностей. В то же время с ростом разрешения сенсоров коэффициент ошибки вычисления уменьшается, так как больше одинаковых соседних пикселов участвуют в получении результата. На сегодняшний день разрешение 2К — это та граница, за которой уже не будет трехсенсорных систем, поскольку односенсорные уже обеспечивают более высокое качество. Мне могут возразить: а как же быть с проблемами так называемых артефактов преобразования? Да, конечно, есть небольшая проблема, но уже появились высококачественные алгоритмы, пока в виде отдельных программ, которые можно использовать для ее решения, и, соответственно, чем больше разрешение — тем меньше коэффициент ошибки.

Очень хочется в этой связи остановиться на проблеме использования камер, изначально разработанных для телевидения и имеющих чересстрочную развертку. Речь идет, в частности, о формате 1080/50i. Для понимания процесса надо разобраться, что происходит в камере. А все очень просто — чересстрочное сканирование применяется для улучшения сглаживания движения в кадре.

Снимается не полный кадр 1080x1920, а два полукадра — 540x1920 (а в некоторых камерах и 540і960 с прямоугольными пикселами.) При отображении растр формируется посредством двух так называемых полукадров (полей), то есть строчки пересчитываются в мониторе с удвоением кадров. Дело в том, что конструкция мониторов обеспечивает меньшую инерцию, чем проектор, и необходимо показывать изображение с частотой 50 Гц, то есть кадров. И получается, что даже если сигнал в интерфейсе имеет разрешение 1920x1080, реальное разрешение, снятое камерой, составляет всего-то 960x540, а это не- намного больше, чем обычное телевидение. Отсюда и большинство проблем! Вы думаете, что снимаете на HD, а на самом деле — немного модернизированный и цифровым способом растянутый сигнал SD. Конечно, пока картинка отображается на маленьком мониторе, это незаметно, но покажите ее через проектор — и все становится ясно. Наилучший вариант для съемок — это формат с прогрессивным сканированием — 1080/25p, но до его распространения дело пока не дошло.

Главная проблема при использовании такого формата — это значительно больший, особенно если он не сжат, поток данных, записываемый при съемке, и этот поток во много раз увеличивается, если писать, например, 50 кадров в секунду или того пуще — 500. Конечно, ни одна из существующих ленточных систем не в состоянии «переварить» такой поток данных.

Все производители, как могли, упрощали себе жизнь и приспосабливали для записи потока данных с камерной головки уже устаревшие ленточные магнитофоны. Причины очевидны — крупным компаниям надо как можно дольше продлевать жизнь своим серийным устройствам. Новые для них — это только расходы и упущенная выгода.

Поэтому так и получается — падение разрешения в два раза, сжатие — в 10 раз, уменьшение палитры — в два раза, и так далее, и тому подобное. Так что для реальной работы с киноразрешением и прогрессивной разверткой просто категорически не рекомендуется не только использование телевизионных камер, но и стандартных ленточных магнитофонов. Лучшее решение — записывать на компьютерные RAID-системы, а если необходима мобильность, то пока единственным вариантом является устройство записи на Flash-память. Специальные технологические решения позволяют создать недорогие универсальные системы, которые в дальнейшем заменят все существующие ленточные форматы записи.

Тут самое время вспомнить о технологиях съемки и обработки. С кинопленкой все известно: съемка — проявка — резка — печать позитива — показ. Однако уже несколько лет во все большем количестве кинокартин добавляется компьютерная обработка и, соответственно, сканирование и запись на кинопленку с компьютера.

С цифрой тоже почти все понятно: запись на видеоленту — перегон в компьютер — обработка — запись на кинопленку или передача файла на цифровой кинопроектор.

Что лучше, а что хуже? В общем, резервы целлулоида уже, похоже, исчерпаны, а в цифре еще есть над чем работать. Начнем с кинопленки.

Как уже рассматривалось выше, оценочное разрешение кинопленки составляет 2…2,5К. Но это у негатива — после изготовления позитива оно уменьшится до 1…1,5К.

Ну а что же дает цифра? Ответ простой — качество. Процесс достаточно прозрачен для режиссера, оператора и продюсера — что сняли на площадке, то и получили на экране. И нигде ничего не теряется: ни при проявке, ни при сканировании, ни при печати копий.

Второе преимущество — экономия средств. Несмотря на некоторые начальные затраты, эффективность работы группы по сравнению с обычной технологией повышается многократно. Соответственно скорость выхода фильма на экран и окупаемости вложенных средств возрастает в несколько раз! Стало быть, растут и доходы кинокомпаний и киностудий, ведь есть разница — один фильм за год или 4…5 за те же деньги.

Третье немаловажное достоинство — удобство и сокращение числа «лишних» функций. Если материал снимается на цифровую камеру, а эффекты планируется делать на компьютере, то нет надобности проявлять пленку, сканировать ее — сразу, прямо на съемочной площадке, можно получить материал, готовый для монтажа и корректировки даже в домашнем компьютере (ну почти…).

Нельзя забывать и о перспективах. Рано или поздно все равно придется сделать этот шаг — перейти на цифру, так как просто не будет продюсеров и финансистов, которые дадут денег на пленочный фильм. Конечно, останутся уникальные крупноформатные пленки и камеры, но это будет исключение, а не правило. Большая часть кинотеатров начнет показывать фильмы в цифровом формате просто потому, что это эффективнее и дешевле, и пленочные копии будут не нужны! И если начать учиться этому сейчас, то через несколько лет можно стать конкурентоспособным на рынке цифрового кино, а если подождать, то высок риск проиграть, ведь конкуренция будет огромной! Не будет сдерживающих факторов в виде цены — каждый желающий сможет сделать фильм, так как себестоимость снизится очень существенно. И для распространения также не будет нужен Paramaunt, Fox или «Первый канал» — кинотеатры будут заказывать копии у производителей напрямую, через сеть, функции распространителей перейдут к специализированным серверам в сети, возможно, и к тем же компаниям, но они уже не будут печатать копии, они электронным образом будут следить за распространением фильмов по сети и сбором денег для производителя.

Хотелось бы дать несколько практических советов. Не может не обратить на себя внимания практически повсеместная безграмотность в использовании цифровых камер, кстати, не только видео, но и фото. Не хочу огульно дискредитировать всех пользователей. Может, и есть люди, знающие все параметры и настройки камер, с которыми они работают, но пока мне такие не встречались. Тут имеет место большая проблема, которая больше всего дискредитирует процесс внедрения цифровых технологий: новые камеры кажутся настолько простыми, что большинство даже не читает инструкций. Просто жмут на кнопку с заводскими предустановками или автоматической настройкой, а потом удивляются — какая плохая картинка получилась.

Камера разрешением 8К

В этой статье уже говорилось, что любая современная камера — это компьютер, и формируемое ею изображение — это результат вычислений и преобразований того, что попало в объектив. Можно усложнить задачу компьютеру, например поставить дополнительный ND-фильтр при избытке света, тем самым добавив шумов и ограничив диапазон, чего, конечно, не будет видно на маленьком просмотровом мониторе, но во время монтажно-тонировочных работ обязательно «вылезет», вызвав сильное удивление и разочарование — как все плохо. Значительно проще уменьшить чувствительность камеры, тогда и уровень шумов уменьшится, качество немного возрастет. Это же касается слабо освещенных участков и темных сцен — при автоматической настройке, несмотря на темноту, камера сама будет добавлять чувствительность до нужного уровня сначала электронным образом, а потом и цифровым пересчетом. Но тогда не избежать и повышения уровня шумов. Если хотите получить нормальную нешумную картинку — не жалейте света. Заказывайте осветительное оборудование, как для пленки на 120 единиц, и всегда снимайте с запасом.

Ну и в завершение — о перспективах развития. Существующие технологии прогрессируют достаточно быстро, и уже в самом ближайшем будущем мы все начнем смотреть как обычное ТВ, так и телевидение высокой четкости или кино через сеть и обычное телевидение преобразуется до индивидуального, сформированного для каждого зрителя набора программ с возможностью интерактивно не только заказывать необходимые товары непосредственно из рекламных вставок, но и самим участвовать в различных виртуальных шоу и программах. Все больше будет развиваться индивидуальное творчество, и очень многие зрители смогут посредством сети, компьютера или мультимедиацентра участвовать в работе виртуальных клубов по интересам. Кино по-прежнему будет демонстрироваться в кинотеатрах, вот только сами кинотеатры тоже будут адаптироваться к новым веяниям. Во-первых, все они станут цифровыми, а во-вторых, очевидно, со временем уменьшатся залы и увеличится ассортимент услуг, оказываемых кинотеатрами. Это будет и место сбора тех же самых виртуальных клубов, и спортзал, и ресторан, и много чего еще. Что касается кинотехнологий, то уже в ближайшие два года появятся камеры с разрешением 8К, то есть 40 мегапикселов, и они будут снимать со скоростью до 200…300 кадр/с. А в недалеком будущем ожидается появление реальной 3D-проекции и, соответственно, 3D-театра. Новые фильмы будут выглядеть абсолютно реалистично, и это даст новый толчок творческим возможностям.