авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |   ...   | 16 |

«О.Ф.Гребенников, Г.В.Тихомирова ОСНОВЫ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ...»

-- [ Страница 12 ] --

Таблица 8. Коэффициенты искажений первого рода о и 0,25 0, 0,50 0, 1,0 0, 2,0 0, Из анализа результатов примера 8.5 можно сделать два важных вывода. Во-первых, коэффициент искажений не зависит от частоты киносъемки. Если, например, увеличить частоту киносъемки в два раза с 24 до 48 кадр/с, то при одном и том же коэффициенте обтюрации коэффициент искажений не изменится. Во-вторых, при коэффициенте обтюрации о =0,5, имеющем место во многих современных киносъемочных аппаратах, коэффициент искажений достаточно велик, что говорит о наличии в получаемых кинофильмах искажений первого рода. При увеличении коэффициента обтюрации до 1,0 коэффициент искажений сокращается в несколько раз.

Увеличение коэффициента обтюрации киносъемочных аппаратов вызывает значительные трудности, обусловленные необходимостью сокращения времени продергивания кинопленки в фильмовом канале.

Хотя и существуют киносъемочные аппараты с быстрым продергиванием кинопленки, но они громоздки и создают при работе значительный шум. Вследствие этого такие аппараты используются только для специальных целей (например, для киносъемок с экрана кинескопа).

Попытки увеличения коэффициента обтюрации киносъемочного аппарата предпринимались многими исследователями. Один из методов решения данной задачи косвенным путем был разработан и реализован в так называемом “непрерывном кинематографе”. В киносъемочном аппарате кинопленка 8 (рис.8.16,а) последовательно экспонируется в двух фильмовых каналах 6 и 7. Грейферные механизмы 9 и 10 работают в противофазе - когда один из них осуществляет транспортирование кинопленки на два шага кадра, то другой - совершает холостой ход. За киносъемочным объективом располагается зеркальный обтюратор 2 с углом раскрытия, равным 180 о, и неподвижные зеркала 3, 4 и 5. Зеркальный обтюратор направляет свет от объектива к кадровому окну того фильмового канала, в котором кинопленка находится в неподвижном положении.

Работа аппарата рассчитана таким образом, что в одном фильмовом канале экспонируются только нечетные кадры 1, 3, 5,..., а в другом расположенные между ними четные кадры 2, 4, 6,... (рис.8.16,б).

Проекция осуществляется специальным кинопроекционным аппаратом, имеющим конструкцию, аналогичную киносъемочному аппарату. В результате как киносъемка, так и кинопроекция происходят непрерывно. При этом коэффициент обтюрации киносъемочного аппарата оказывается равным единице.

Рис.8.16. Схема системы “непрерывного кинематографа” На основе системы “непрерывного кинематографа” была предложена также технология получения стандартной фильмокопии, предназначенной для демонстрации обычным кинопроекционным аппаратом. С полученного в рассмотренном выше киносъемочном аппарате негатива в специальном кинокопировальном аппарате печать производится дважды, вначале с четных, а затем с нечетных кадров (рис.8.16,б). В результате киносъемки и печати будет имитирован процесс киносъемки с коэффициентом обтюрации, равным единице. Если печать осуществить согласно схеме на рис.8.16,в, то будет имитирована киносъемка с коэффициентом обтюрации, равным двум.

Киносъемку с коэффициентом обтюрации равным единице или двум, возможно также реализовать в аппаратах с оптической компенсацией или оптической коммутацией. В одном из высокоскоростных аппаратов с оптической коммутацией зрачки линз промежуточных объективов 17 (см.рис.8.1,в) имеют прямоугольную форму и расположены вплотную друг к другу на интервалах h, как это показано на рис.8.17,а. Изображение выходного зрачка киносъемочного объектива также имеет форму прямоугольника шириной Н, показанного на рисунке штриховыми линиями. Во время киносъемки изображение выходного зрачка киносъемочного объектива перемещается по зрачкам промежуточных объективов со скоростью V. Время экспонирования каждого кадра равно (рис.8.17,б) t э =(H+h)/V, а время полного перекрытия зрачка промежуточного объектива изображением выходного зрачка киносъемочного объектива t о =(H-h)/V.

Следовательно, выдержку определит равенство t в =(t э +t о )/2=H/V.

Поскольку период смены кадров равен T с =h/V, то коэффициент обтюрации о =t в /T с =H/h.

Если H=h, то о =1,0, если H=2h, то о =2,0.

Рис.8.17. Характеристика обтюрации аппарата с оптической коммутацией В существующих киносъемочных аппаратах с прерывистым движением кинопленки при коэффициенте обтюрации близком к 0, чисто временные искажения первого рода проявляются при киносъемках объектов, яркость которых периодически изменяется с частотой, превышающей половину частоты киносъемки. Это могут быть различного вида индикаторы на приборах, объекты, освещаемые источниками с периодически изменяющейся мощностью излучения и т.п. К подобного рода искажениям относится также исчезновение на экране кратковременных вспышек объекта (молния, вспышка импульсного источника света), если длительность вспышки менее половины периода смены кадра.

Пример 8.6. Киносъемочный аппарат имеет прямоугольную характеристику обтюрации и коэффициент обтюрации o =0,5. Частота киносъемки равна c =24 кадр/с. Найти выходной сигнал, если на вход подано изображение, освещенность которого изменяется согласно формуле F в х (t)=1+cos2 о t, а о равно: 1) 30;

2) 70;

3) 100 Гц. На выходе системы применен идеальный фильтр Ф 2 с частотной характеристикой K 2 ()=rect(/24).

Временная частотная характеристика киносъемочного аппарата согласно формуле (8.20) равна K 1 ()=sinc0,5/24=sinc /48.

Спектр входного сигнала определяет формула S в х ()=()+0,5(- о ).

После фильтра Ф 1 имеем S и ()=S в х ()K 1 ()=(sinc0/48)()+(sinc о /48)0,5(- о ).

При о =30Гц S и ()=()+(sinc30/48)0,5(-30)=()+0,24( -30).

После дискретизации сигнала с частотой 24 Гц согласно формуле (2.51) получим S*()=S и (-n24)=[(-n24)+0,24(-30-n24)].

n=- n= В пределах ВЧХ фильтра Ф 2 находятся составляющие спектра, определяемые только слагаемыми при n=0 и n=-1 в правой части равенства под знаком с уммы с частотами, равными 0 и 6 Гц соответственно. Остальные составляющие полностью подавлены фильтром Ф 2. Поэтому S в ы х ()=()+0,24(-6) и F в ы х (t)=1+0,48cos26t, т.е. если на вход кинематографической системы подано изображение, изменяющееся с частотой о =30 Гц, то на выходе будет получено изображение, изменяющееся с частотой в ы х =6 Гц.

Аналогично находим:

при о =70 Гц в ы х =2 Гц;

F в ы х (t)=1-0,22cos22t, при о =100 Гц F в ы х (t)=1+0,038cos24t, в ы х =4 Гц.

Наиболее часто временные искажения первого рода возникают в результате пульсаций светового потока, создаваемого осветительными приборами. Это имеет место при питании источников света переменным током с частотой 50 Гц (в США и Японии 60 Гц). Возникающие колебания светового потока с частотой 100 Гц, как следует из примера 8.6, в результате дискретизации с частотой 24 Гц трансформируются в колебания яркости с частотой Гц. К колебаниям яркости с такой частотой зрительный анализатор достаточно чувствителен (см.рис.8.8). Для устранения указанных искажений питание источников света в павильонах киностудий осуществляется через выпрямители и стабилизаторы напряжения.

Естественно, это вызывает определенные неудобства и дополнительные экономические расходы.

Однако если киносъемочный аппарат подавит частоту 100 Гц, то рассмотренные искажения будут полностью устранены даже при питании источников света переменным током. ВЧХ киносъемочного аппарата, определяемая формулой (8.20), обращается в ноль при аргументах, равных, 2, 3,.... Поэтому для полного подавления частоты o =100 Гц необходимо выполнить условие o о / с =100 о /24=, 2, 3,.... (8.21) о =0,24;

Из этого равенства находим 0,48;

0,72,....

Следовательно, угол раскрытия обтюратора должен быть равен о =360 о о =86,4;

172,8 или 259,2 град. Обычно при киносъемках принимают о =172,8 град. Следует отметить, что при киносъемках фильмов, предназначенных для показа по телевидению, частоту киносъемки устанавливают равной с =25 кадр/с. В данном случае, как это следует из формулы (8.21), для полного подавления частоты =100 Гц коэффициент обтюрации должен быть равен о =0,25;

0, или 0,75, что соответствует углам раскрытия обтюратора о =90;

или 270 град. Во многих профессиональных киносъемочных аппаратах предусмотрена возможность установки в случае необходимости угла раскрытия обтюратора, равного как 172,8, так и 180 град.

Следует отметить то, что усиление фильтрующего действия киносъемочного аппарата снижает возможность появления искажений первого рода, но ни в коей мере не расширяет диапазон временных частот, которые система может правильно воспроизвести.

Для стандартной частоты киносъемки и кинопроекции в 24 кадр/с при любом фильтрующем действии киносъемочного аппарата (даже аналогичном идеальному фильтру нижних частот) максимальная частота, которая может быть правильно воспроизведена на выходе, не превышает 12 Гц. Расширение полосы правильно воспроизводимых частот может быть достигнуто лишь повышением частоты киносъемки и кинопроекции.

Перейдем теперь к рассмотрению фильтрующего действия фильтра Ф 2 на выходе кинематографической системы. Роль данного фильтра, как уже указывалось, выполняют кинопроекционный аппарат и зрительный анализатор наблюдателя. Обозначим временную частотную характеристику кинопроектора К к п (). Тогда ВЧХ фильтра Ф 2 будет равна К 2 ()=К к п ()К з а (), (8.22) а его импульсная реакция F 0 2 (t)=F о к п (t)F о з а (t), где F о к п (t) - импульсная реакция кинопроекционного аппарата;

F о з а (t) - импульсная реакция зрительного анализатора.

Фильтрующее действие кинопроекционного аппарата зависит от величины и формы отклика системы на единичный импульс, поданный на ее вход, т.е. от изменения освещенности (или яркости) экрана при проекции одного экспонированного при киносъемке кадра. Зависимость освещенности элементарного участка экрана от времени в течение проекции одного кадра называется характеристикой обтюрации кинопроектора. Вполне понятно, что характеристика обтюрации кинопроекционного аппарата и является его импульсной реакцией.

Обтюратор кинопроектора перекрывает световой пучок, идущий от осветительной системы к элементарному участку фильмокопии, находящейся в фильмовом канале. Так же как и в киносъемочном аппарате, обтюратор кинопроектора не может мгновенно перекрыть сходящийся к фильмокопии световой пучок. Поэтому в зависимости от конструктивных особенностей кинопроектора и его обтюратора характеристика обтюрации по своей форме может быть близка к трапеции, прямоугольнику или треугольнику.

Положим вначале, что обтюратор кинопроектора однолопастный и перекрывает кадровое окно в течение периода смены кадра один раз.

Обозначим полное время освещения участка фильмокопии t э, время полного открытия светового пучка t о и среднее время проекции t в.

Характеристика обтюрации трапецеидальной формы будет иметь вид, показанный на рис.8.12,а, а ВЧХ кинопроектора определит равенство, аналогичное формуле (8.16):

K кп ()=sinc[(t э -t о )/2]sinc[(t э +t о )/2]. (8.23) При прямоугольной характеристике обтюрации имеем K кп ()=sinct в, (8.24) а при треугольной K кп ()=sinc 2 t э /2. (8.25) Будем считать, что характеристика обтюрации кинопроектора близка к прямоугольной, а коэффициент обтюрации о, как и ранее, примем равным отношению t в /T с. Тогда ВЧХ кинопроектора определит формула K кп ()=sinc о / с. (8.26) В кинематографической системе, созданной в 1895 году братьями Люмьер, была принята частота кинопроекции с =16 кадр/с. В первых кинопроекторах использовались грейферные механизмы, которые не могли обеспечить быстрого продергивания фильмокопии. Вследствие этого в кинопроекционном аппарате использовались однолопастные обтюраторы с углом раскрытия, близким к 180 о.

П р и м е р 8.7. Кинопроектор имеет однолопастный обтюратор с углом раскрытия о =180 о и прямоугольной характеристикой обтюрации. Найти ВЧХ фильтра Ф 2, если частота кинопроекции с =16 кадр/с, а ВЧХ зрительного анализатора описывает формула (8.5), причем к р =48 Гц..

Коэффициент обтюрации кинопроектора равен о =180 о /360 о =0,5.

Согласно формуле (8.26) ВЧХ кинопроектора описывает ф ункция K к п ()=sinc(0,5/16)=sinc(/32).

На основе формул (8.5) и (8.22) имеем К 2 ()=sinc(/32)exp[-4,8(/48) 2 ].

На рис.8.18,а изображен граф ик характеристики обтюрации F о к п (t), на рис.8.18,б - графики ПЧХ K к п () кинопроектора и K з р () зрительного анализатора, а на рис.8.18,в - график ПЧХ K 2 () фильтра Ф 2. Штрих пунктирной линией показана ВЧХ идеального фильтра.

Значение ВЧХ фильтра Ф 2 для частоты кинопроекции с =16 с - 1 равно К 2 (16)=sinc(16/32)exp[-4,8(16/48) 2 ]=0,37.

Рис.8.18. Характеристики обтюрации и ВЧХ фильтра Ф 2 (к примеру 8.7) Из анализа результатов примера 8.7 следует, что фильтр на выходе кинематографической системы не только не подавляет частоты, большие с /2=8 Гц, но и пропускает наиболее опасную частоту - частоту кинопроекции 16 Гц. Амплитуда колебаний света на этой частоте достигает 0,34, что во много раз превышает минимальную амплитуду (Т mi n =0,008), воспринимаемую зрительным анализатором. Следовательно, зрителю будут заметны колебания яркости на киноэкране.

П р и м е р 8.8. Кинопроектор имеет параметры, приведенные в примере 8.7, а на вход системы подан сигнал F и (t)=1+cos2 о t. Найти выходной сигнал на экране кинотеатра и сигнал, воспринимаемый зрителем, если: 1) о =4 Гц;

2) о =0 (сигнал неизменен во времени).

Приняв в формуле (2.64) x=t;

f д = с, имеем F в ы х (t)=[K 2 (n с )cos2n с t+K 2 ( о -n с )cos2 ( о -n с )t]. (8.27) n= При воспроизведении сигнала на экране кинотеатра K 2 ()=sinc(/32);

при K 2 ()=sinc(/32)exp[-4,8(/48) 2 ].

восприятии сигнала зрителем Следовательно, для случая 1) имеем сигнал на экране F в ы х (t)= {sinc(n16/32)cos(2n16t)+sinc[(4-n16)/32]cos2(4-n16)t} n= и сигнал, воспринимаемый зрителем, F в ы х (t)={sinc(n16/32)exp[-4,8(n16/48) 2 ]cos(2n16t)+ n = +sinc(4-n16)/32exp{-4,8[(4-n16)/48] 2 }cos2(4-n16)t}.

Вычислив с уммы рядов, строим графики выходных сигналов (рис.8.19,а).

Штриховой линией на рис унке показан входной сигнал.

Изображение на экране Изображение, воспринимаемое зрителем Рис.8.19. Графики к пример у 8. Для случая 2) имеем сигнал на экране F в ы х (t)={sinc(n16/32)cos2n16t+sinc[(0-n16)/32]cos2(0-n16)t}= n= =2[sinc(n16/32)cos(2n16t)].

n= Аналогично находим сигнал, воспринимаемый зрителем:

F в ы х (t)=2{sinc(n16/32)exp[-4,8(n16/48) 2 ]cos(2n16t )}.

n= Вычислив суммы обоих рядов, строим графики выходных сигналов (рис.8.19,б).

Анализ результатов примеров 8.7 и 8.8 показывает, что в изображении, воспроизводимом на киноэкране и воспринимаемом зрителем, искажения второго рода проявляются как в виде мельканий изображения, так и в виде скачкообразности его изменения во времени. Мелькания изображения имеют место при воспроизведении как изменяющихся во времени, так и неподвижных изображений.

Этот вид искажений мешает восприятию изображения и даже раздражает зрителя. Несмотря на это в первых кинотеатрах зрители мирились с таким недостатком кинематографа. Кинопроекторы с однолопастным обтюратором и с частотой кинопроекции 16 кадр/с выпускались еще в 1920-х годах (например, отечественная кинопередвижка ГОЗ).

Начиная с первых лет существования кинематографа изыскивались пути устранения в кинематографе мелькания изображения. Наиболее простым способом полного устранения мельканий изображения является повышение частоты кинопроекции до критической частоты слияния мельканий, т.е. до 48 кадр/с.

Близкую к такой частоте кинопоказа принял Т.Эдисон в своих кинетоскопах еще до создания кинематографической системы братьями Люмьер. Однако повышение частоты кинопроекции требует увеличенного расхода кинолент, поэтому из экономических соображений в пору немого кино была сохранена частота кинопроекции 16 кадр/с, а при переходе к звуковому кинематографу частота кинопроекции была повышена лишь до 24 кадр/с. Полного же устранения искажений второго рода, как следует из теоремы В.А.Котельникова, можно достичь при частоте кинопроекции кадр/с, т.е. при частоте, превышающей критическую частоту слияния мельканий в два раза.

Рассмотрим способы устранения мельканий изображения при кинопроекции с частотой 16 кадр/с. В разд.2 было показано, что мелькания (прерывистость сигнала) устранимы лишь при полном подавлении частот, кратных частоте кинопроекции (дискретизации).

Полного устранения мельканий изображения на киноэкране можно достичь увеличением коэффициента обтюрации кинопроектора до единицы. Последнее осуществимо путем использования рассмотренного выше метода “непрерывного кинематографа” или применения в кинопроекторе оптического компенсатора. В одном из кинопроекторов (“Мехау”) применен оптический компенсатор, характеристика обтюрации которого близка к трапеции (рис.8.12,а). Рассмотрим фильтрующее действие кинопроекторов с коэффициентом обтюрации равным единице, на конкретном примере.

Пример 8.9. Кинопроектор с оптической компенсацией имеет характеристику обтюрации трапецеидальной формы, причем t э -t о =t в / (рис.8.20,а). Найти ВЧХ кинопроектора, если частота кинопроекции с = кадр/с, а коэффициент обтюрации о =1.

Поскольку (t э +t о )/2=t в, a (t э -t о )/2=t в /4, то на основе формулы (8.16) имеем K к п ()=sinc(t в )sinc(t в /4).

Коэффициент обтюрации о =t в с =1, поэтому t в =1/ с и K к п ()=sinc/ с sinc /4 с =sinc/16sinc/64.

ВЧХ кинопроектора показана на рис.8.20,б Рис.8.20. Графики к примерам 8.9 и 8. Из анализа рис.8.20,б следует, что ВЧХ кинопроектора обращается в нуль на всех частотах, кратных частоте кинопроекции.

Поэтому изображение на экране мелькать не будет. Оно не будет мелькать даже в том случае, когда при коэффициенте обтюрации, равном единице, частоту кинопроекции уменьшить или изменить форму характеристики обтюрации на прямоугольную (t э =t о =t в =Т с ) или треугольную (t о =0, t э =2Т с ).

П р и м е р 8.10. Найти сигнал на экране кинотеатра, если кинопроектор имеет параметры, указанные в примере 8.9, а на вход системы подан постоянный сигнал F и (t)=1.

Используем для вычислений формулу (2.65), на основе которой можем для нашего случая написать F в ы х (t)= F и (nT с )F о к п (t-nT с )T с =F о к п (t-nT с )T с.

n=- n= Графическим построением согласно данной формулы, с использованием графика характеристики обтюрации кинопроектора F о к п (t), изображенного на рис.8.20,а, находим график выходного сигнала на экране кинотеатра (рис.8.20,в). В результате суммирования имеем F в ы х (t)=T с =const.

Кинопроекторы с оптической компенсацией или работающие по методу “непрерывного кинематографа” не получили широкого распространения вследствие того, что пока не найдено удачных конструктивных решений, обеспечивающих их надежную работу.

В первые же годы появления кинематографа был предложен другой путь решения задачи устранения заметных зрителю мельканий изображения при кинопроекции с частотой 16 кадр/с. Он основан на введении одной или двух дополнительных (“холостых”) лопастей обтюратора, перекрывающих кадровое окно кинопроектора дважды или трижды за период смены кадров. Существуют также кинопроекторы с однолопастным обтюратором, вращающимся с частотой, в два или три раза превышающей частоту кинопроекции.

Положим, что обтюратор двухлопастный (рис.8.21,а). Одна лопасть (с угловым размером р ) является рабочей - она перекрывает кадровое окно во время движения фильмокопии. Вторая лопасть (с угловым размером х ) является холостой - она перекрывает кадровое окно во время покоя фильмокопии. Размер рабочей лопасти определяется временем прерывистого передвижения фильмокопии в фильмовом канале. С целью увеличения светового потока кинопроектора целесообразно угловой размер холостой лопасти принять меньшим, чем у рабочей. Поэтому в общем случае угловые размеры рабочей и холостой лопастей могут быть различными.

Угловые же размеры о вырезов обтюратора обычно одинаковы, следовательно, можем написать о =(360 о - р - х )/2. (8.28) Рис.8.21. Характеристика обтюрации кинопроекционного аппа рата с двухлопастным обтюратором При введении двухлопастного обтюратора характеристика обтюрации принимает вид, показанный на рис.8.21,б, и определяется выражением F о к п (t)=F о (t-t д )+F о (t+t д ), (8.29) где F о (t) - функция, выражающая изменение яркости экрана при кинопроекции каждого “полукадра”;

2t д - время между проекцией “полукадров”, причем 2t д =( о + х )/(2 с )=( о + х )/(360 о с ). (8.30) ВЧХ кинопроектора находим преобразованием Фурье функции (8.29):

K кп ()=2K о ()cos2t д. (8.31) Здесь К о () - преобразование Фурье функции F o (t).

Как и ранее, характеристика обтюрации кинопроектора нормируется наложением условия F о к п (t)dt=1. (8.32) Пример 8.11. Найти ВЧХ кинопроектора с двухлопастным обтюратором, если характеристика обтюрации имеет вид: 1) дв ух прямоугольников;

2) двух трапеций;

3) двух тре угольников.

Если обе части характеристики обтюрации имеют прямо угольные формы длительностью по t в (табл.8.3), то согласно условию (8.32) нормирования имеем F о к п (t)=(1/2t в )rect[(t+t д )/t в ]+(1/2t в )rect[(t-t д )/t в ] и F о (t)=(1/2t в )rect(t/t в ).

Преобразование Ф урье ф ункции F o (t) равно K o ()=0,5sinct в.

Следовательно, в соответствии с формулой (8.31) получ им K к п ()=sinct в cos2t д. (8.33) Аналогично находятся ВЧХ кинопроекторов с характеристиками обтюрации в виде дв ух трапеций и дв ух треугольников (табл.8.3).

Таблица 8. ВЧХ кинопроекторов с дв ух лопастным обтюратором Характеристика обтюрации Временная частотная характеристика K к п ()=sinc(t в )cos(2t д ) K к п ()=sinc[(t э +t о )/2] sinc[(t э -t о )/2]cos(2t д ) K к п ()= sinc 2 (t э /2)cos(2t д ) Пример 8.12. Кинопроекционный аппарат с двухлопастным обтюратором и характеристикой обтюрации в виде двух прямо угольников имеет одинаковые рабочую и холостую лопасти, причем р = х =90 о. Найти ВЧХ кинопроектора.

Согласно формуле (8.28) имеем о =(360 о -90 о -90 о )/2=90 о, следовательно, t в = о /(360 о с )=1/(4 с ).

По формуле (8.30) находим 2t д =(90 о +90 о )/(360 о с )=1/(2 с ) и t д =1/(4 с ).

В соответствии с равенством (8.33) имеем K к п ()=sinc[/(4 с )]cos[2/(4 с )]. (8.34) На рис.8.22 показана ВЧХ кинопроекционного аппарата.

Рис.8.22. ВЧХ кинопроекционного аппарата с дв ух лопастным об тюратором (к примеру 8.12) Из результатов примера 8.12 следует, что кинопроектор с двухлопастным обтюратором и характеристикой обтюрации в виде двух прямоугольников полностью подавляет частоту кинопроекции с (см.рис.8.22), т.е. ту частоту, которая вызывала мелькания изображения при использовании однолопастных обтюраторов (см.рис.8.18). Это будет иметь место не только при характеристике обтюрации в виде двух прямоугольников, но и при любой другой форме характеристики обтюрации, поскольку множитель cos2t д в формулах ВЧХ кинопроекторов в табл.8.1 обращается в нуль на частоте = с, если t д =1/(4 с )=Т с /4. Последнее имеет место только при равенстве рабочей и холостой лопастей обтюратора друг другу.

Хотя частота кинопроекции и подавляется двухлопастным обтюратором, но частота вдвое большая, как следует из рис.8.22, подавляется довольно слабо. Это говорит о том, что при кинопроекции с частотой 16 кадр/с изображение на экране будет мелькать с частотой 32 Гц. Но эта частота в значительной степени подавляется зрительным анализатором.

П р и м е р 8.13. Кинопроектор имеет параметры, указанные в примере 8.12. ВЧХ зрительного анализатора определяет формула (8.5). Найти ВЧХ фильтра Ф 2 на выходе кинематографической системы при частоте кинопроекции равной: 1) 16 кадр/с;

2) 24 кадр/с.

На основе формул (8.22), (8.34) и (8.5) можем написать K 2 ()=sinc[/(4 с )]cos[2/(4 с )]exp[-4,8(/48) 2 ].

При с =16 кадр/с К 2 ()=sinc[/64]cos[2/64]exp[-4,8(/48) 2 ]. (8.35) При с =24 кадр/с K 2 ()=sinc[/96]cos[2/96]exp[-4,8(/48) 2 ]. (8.36) На рис.8.23 показаны графики ВЧХ, построенные по полученным формулам.

Рис.8.23. ВЧХ фильтра Ф 2 на выходе кинематографичес кой системы (к примеру 8.13) Таким образом, двухлопастный обтюратор полностью подавляет частоту кинопроекции, однако пропускает частоту в два раза большую. Из формулы (8.34) находим, что амплитуда колебания яркости экрана при частоте =2 с равна K кп (2 с )=sinc[2 с /(4 с )]cos[22 с /(4 с )]=-0,64.

Фильтрующее действие зрительного анализатора дополняет фильтрацию временных частот кинопроектором. Для частоты кинопроекции 16 кадр/с согласно формуле (8.35) при =2 с =32 Гц имеем K 2 (32)=sinc[32/64]cos[232/64]exp[-4,8(32/48) 2 ]=-0,075, т.е. амплитуда снижена почти на порядок. Однако и данная величина сущесивенно превышает значение Т mi n =0,008, поэтому зритель будет замечать мелькания с частотой 32 Гц при просмотре кинофильмов.

При частоте кинопроекции 24 кадр/с частоту, вдвое большую частоты кинопроекции, т.е. 48 Гц, в значительной степени подавляет зрительный анализатор, поэтому мелькания изображения слабо заметны. Данное обстоятельство явилось одной из причин повышения частоты кинопроекции до 24 кадр/с при переходе от немого к звуковому кинематографу происшедшем в конце 1920-х годов.

Полностью устранить заметные зрителю мелькания изображения с частотой 32 Гц при кинопроекции с частотой 16 кадр/с можно применением трехлопастного обтюратора, который имеет не одну, а две холостых лопасти (рис.8.24,а). В данном случае характеристика обтюрации имеет вид, показанный на рис.8.24,б, и выражается функцией F о к п (t)=F о (t)+F о (t-t д )+F о (t+t д ), (8.37) где F о (t) - функция,определяющая изменение яркости экрана при проекции каждой “трети” кадра.

Рис.8.24. Характеристика обтюрации кинопроекционного аппарата с трехлопастным обтюратором Найдем ВЧХ кинопроектора с трехлопастным обтюратором. Пусть преобразование Фурье функции F о (t) будет равно K о (). Тогда преобразование Фурье функции F о к п (t) определит равенство K кп ()=K о ()+2K о ()cos2t д =K о ()(1+2cos2t д ).

Если t д =1/(3 с ), то K к п ()=K о (){1+2cos[2/(3 с )]}. (8.38) Множитель в скобке при любой форме характеристики обтюрации обращается в нуль на частотах = с и =2 с. Следовательно, трехлопастный обтюратор, в отличие от двухлопастного, обеспечивает полное подавление не только частоты кинопроекции, но и вдвое большей временной частоты.

П р и м е р 8.14. Найти ВЧ Х кинопроектора с трехлопастным обтюратором.

Характеристика обтюрации имеет форму трех прямо угольников (рис.8.25,а), причем t в =1/6 с.

Согласно формуле (8.37) и ус ловию нормирования (8.32) опишем характеристику обтюрации выражением F о к п (t)=[1/(3t в )]rect(t/t в )+[1/(3t в )]rect[(t-t д )/t в ]+[1/(3t в )]rect[(t+t д )/t в ].

Следовательно, F о (t)=[1/(3t в )]rect(t/t в ).

Преобразование Ф урье этого выражения дает K о ()=(1/3)sinct в =(1/3)sinc[/(6 с )].

Рис.8.25. Характеристика обтюрации и ВЧХ кинопроектора с трехлопастным обтюратором (к примеру 8.14).

В соответствии с формулой (8.38) можем написать:

K к п ()=(1/3)sinc[/(6 с )]{1+2cos[2/(3 с )]}. (8.39) На рис.8.25,б приведена ВЧХ кинопроектора, построенная по данной формуле.

Из рис.8.25,б следует, что трехлопастный обтюратор, хотя и полностью подавляет частоты с и 2 с, но частоту 3 с подавляет довольно слабо. Подставив в формулу (8.39) значение =3 с, находим K кп (3 c )=(1/3)sinc[3 с /(6 с )]{1+2cos[23 с /(3 с )]}=0,64.

При частоте кинопроекции с =16 кадр/с частота 3 с равна 48 Гц.

Данную частоту в значительной степени подавляет зрительный анализатор. Поэтому при использовании трехлопастных обтюраторов и частоте кинопроекции, равной 16 кадр/с, мелькания изображения зрителю мало заметны. Кинопроекторы с трехлопастными обтюраторами имели некоторое распространение в профессиональном кинематографе в период немого кино. В настоящее время они применяются в любительских кинопроекционных аппаратах, поскольку в любительском кинематографе частота кинопроекции составляет 16-18 кадр/с.

В предыдущих примерах было принято, что критическая частота слияния мельканий к р равна 48 Гц. Согласно формуле (8.6) такое значение к р имеет место при яркости экрана L=12,6 кд/м 2. Причем в формуле (8.6) значение L определяет кажущуюся яркость экрана, которая при частоте мельканий равной или превышающей критическую частоту слияния мельканий равна L= о L о, где о - коэффициент обтюрации кинопроектора, L o - действительная яркость экрана при открытии обтюратором светового потока кинопроекционного аппарата. Данное соотношение называют законом Тальбота. В соответствии с ним значение о одновременно является и коэффициентом пропускания обтюратора кинопроектора.

Яркость L киноэкрана (при работающем кинопроекционном аппарате без фильмокопии) с развитием кинотехники непрерывно повышалась. В первые годы появления кинематографа она составляла всего лишь несколько кд/м 2, но уже к началу 1930-х годов была повышена в среднем до 15-20 кд/м 2. В послевоенные годы в нашей стране номинальная яркость киноэкрана была установлена равной 35, а затем 40 кд/м 2. В настоящее время отраслевым стандартом установлена номинальная яркость киноэкрана в кинотеатрах равной 50 кд/м 2.

C повышением яркости киноэкрана заметность мельканий изображения увеличивается. При этом следует учитывать то, что средняя яркость изображения при показе кинофильма всегда будет ниже, установленной стандартом. Если максимальный коэффициент пропускания фильмокопии достигает 0,6...0,7, то для наиболе светлых кадров яркость адаптации зрительного анализатора не превысит 30...35 кд/м 2. При таких яркостях зрителю становятся заметными мелькания изображения с частотой 48 Гц.

Пример 8.15. Определить амплитуду воспринимаемых зрителем колебаний яркости на киноэкране при средней яркости изображения L= кд/м 2, частоте кинопроекции с =24 кадр/с и коэффициенте обтюрации о двухлопастного обтюратора кинопроектора равном: 1) 0,4;

2) 0,6.

По формуле (8.6) находим к р =12,1lg35+34,7=53,4 Гц.

Согласно формуле (8.5) имеем К з а (48)=ехр[-4,8(48/53,4) 2 ]=0,02.

Поскольку для двух лопастного обтюратора коэффициент обтюрации равен о =2t в /T c, то при о =0,4 и Т с =1/24 с имеем t в = о Т с /2=0,4(1/24)/2=0,008 с.

Подставляя это значение в формулу (8.33) и считая, что t д =1/48 с, находим К к п (48)=sinc(480,008)cos(248/48)=0,779.

Согласно формуле (8.22) получаем К 2 (48)=0,020,779=0,016.

Аналогично для о =0,6 находим t в =0,0125 c, К к п (48)=0,505 и К 2 (48)=0,010.

Из анализа результатов примера 8.15 следует, что в обоих рассмотренных случаях амплитуда колебаний яркости с частотой Гц превышает значение Т mi n =0,008. Поэтому зрителю будут заметны мелькания изображения, особенно при кинопроекции с коэффициентом обтюрации о равным 0,4. Конечно, при проекции кадров кинофильма средней и высокой плотности заметность мельканий изображения снижается. Поэтому с данным видом искажений второго рода в современном кинематографе мирятся.

Однако при дальнейшем повышении яркости экрана, как следует из формулы (8.6), значение критической частоты слияния мельканий повышается и заметность мельканий изображения увеличивается. В то же время известно, что с увеличением яркости киноэкрана качество воспринимаемого изображения повышается, поскольку возрастает разрешающая способность и контрастная чувствительность ЗА (см.разд.6.1). В современном телевидении яркость экрана кинескопа уже поднята до 150...200 кд/м 2. При этом критическая частота слияния мельканий в соответствии с формулой (8.6) возрастает до 60 Гц. Для устранения заметности мельканий изображения разрабатываются телевизионные приемники с увеличенной с 50 до 100 Гц частотой мельканий экрана кинескопа.

Очевидно и в кинематографе настало время изыскания новых путей борьбы с заметностью мельканий изображения на экранах кинотатров. При существующей частоте кинопроекции они могут быть направлены на увеличение коэффициента обтюрации кинопроектора с двухлопастным обтюратором или на возврат к трехлопастному обтюратору. Реализация подобных кинопроекционных аппаратов вызывает существенные технические трудности. Задача может быть решена переходом от механической к электронной обтюрации, осуществляемой переводом работы проекционных ламп в импульсный режим.

8.4. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ В КИНЕМАТОГРАФЕ Ранее для удобства анализа процессы записи и воспроизведения движущегося изображения во времени и в пространстве были условно разделены. В действительности эти процессы происходят одновременно и во времени и в пространстве. Поэтому в общем случае необходимо анализировать преобразования изображения, описываемого функцией трех переменных F(x,y,t). В любой момент времени каждый элементарный участок движущейся детали изображения перемещается с определенной скоростью в заданном направлении. Для упрощения рассуждений будем считать, что анализируемый участок изображения перемещается вдоль оси х с постоянной скоростью V х.

В разд.6.2 было показано, что при записи движущегося изображения в фотоаппарате происходит его сдвиг (смаз), снижающий четкость изображения. Аналогично и при киносъемке движущегося объекта происходит сдвиг его изображения относительно кинопленки в каждом снимаемом кадре. Если в фотоаппарате характеристику сдвига определяют характеристика затвора и скорость движения изображения по светочувствительному материалу (см.рис.6.13), то в киносъемочном аппарате эту характеристику определяют характеристика обтюрации и скорость перемещения изображения по кинопленке.

При характеристике обтюрации киносъемочного аппарата трапецеидальной формы ПЧХ сдвига описывает формула K с дв (f х )=sinc[f х (x э -x о )/2]sinc[f х (x э +x о )/2];

(8.40) при характеристике обтюрации прямоугольной формы - формула K с дв (f х )=sinc(f х x в );

(8.41) а при треугольной форме характеристики обтюрации - формула K с дв (f х )=sinc 2 (f х x э ). (8.42) Итоговую ПЧХ системы при записи движущегося изображения выразит формула K v (f x,f y )=K(f x,f y )K с д в (f x ), (8.43) где K(f х,f у ) - ПЧХ кинематографической системы.

Спектр выходного сигнала определяет выражение S в ых (f х,f у )=S в х (f х,f у )K v (f x,f y ). (8.44) При анализе процесса сдвига изображения следует учитывать следующее. Если система изотропна, то в результате сдвига изображения она становится анизотропной. Последнее объясняется тем, что сдвиг происходит в одном направлении, поэтому четкость изображения будет снижена только в этом направлении (например, вдоль оси х). В силу указанного обстоятельства анализ преобразований движущегося изображения удобно проводить раздельно вдоль оси х и вдоль оси у кинопленки. Следовательно, формулы (8.43) и (8.44) следует переписать следующим образом:

K v (f х )=K(f х )K с д в (f х );

(8.45) S в ых (f х )=S в х (f х )K v (f х )=S в х (f х )K(f х )K с д в (f х ). (8.46) На основе теоремы свертки и выражения (8.46) можем также написать F в ых (x)=F в х (x)F л (x)F с д в (x), (8.47) где F л (x) - функция рассеяния линии кинематографической системы;

F с д в (x) - характеристика сдвига.

Рассмотрим преобразование изображения при его сдвиге на конкретных примерах.

П р и м е р 8.16. В плоскости кинопленки киносъемочный объектив образует изображение решетки, описываемой ф ункцией F в х (x)=1+cos2 10x.

Киносъемочный аппарат имеет прямоугольную характеристику обтюрации с коэффициентом обтюрации о =0,5, а ПЧХ кинематографической системы до фильмокопии K(f x )=exp[-(f x /30) 2 ]. Частота киносъемки равна с =24 кадр/с.

Найти изображение решетки на фильмокопии, если скорость ее движения V x относительно кинопленки при киносъемке равна: 1) 2 мм/с;

2) 4 мм/с.

Прямо угольн ую характеристику обтюрации с коэффициентом обтюрации о =0,5 описывает функция F 0 1 (t)=(2/T с )rect(2t/T с ).

Выдержка равна t в =T с /2=0,5/ с =1/48 c. Следовательно, сдвиг изображения для случая 1) составит x в =V x t в =2/48=1/24 мм.

Согласно формуле (8.41) имеем K с д в (f х )=sinc(f х /24).

Итоговую ПЧХ определяет формула (8.45):

K v (f x )= exp[-(f x /30) 2 ]sinc(f x /24).

Cпектр входного сигнала S в х (f х )=(f х )+ 0,5(f х -10).

Спектр выходного сигнала согласно формуле (8.46) S в ы х (f х )=[(f х )+0,5(f х -10)]exp[-(f х /30) 2 ]sinc(f х /24)= = (f х )+0,255(f х -10).

Обратное преобразование Фурье дает результат F в ы х (x)=1+0,51cos210x.

Для случая 2) сдвиг составит х в =1/12 мм. Аналогично изложенному выше находим F в ы х (x)=1+0,14cos210x.

Легко проверить, что если бы сдвига не было (V х =0), то на выходе получили бы изображение, описываемое ф ункцие й F в ы х (x)=1+0,7cos210x.

П р и м е р 8.17. В плоскости кинопленки киносъемочный объектив образует изображение светящейся полосы шириной 0,2 мм, описываемой функцией F в х (x)=rect(5x). Найти изображение полосы на фильмокопии для условий примера 8.16.

Характеристика сдвига для случая 1):

F с д в (x)=rect(x/V x t в )=rect(48x/2)=rect(24x).

Функцию рассеяния линии находим преобразованием Фурье ф ункции K(f х ):

F л (x)=exp[-(30x) 2 ].

(Нормировочные множители для ф ункций F с д в (x) и F л (x) опущены).

На основе формулы (8.47) находим F в ы х (x)=rect(5x )exp[-(30x) 2 ]rect(24x).

Аналогично для случая 2) имеем F в ы х (x)=rect(5x )exp[-(30x) 2 ]rect(12x).

На рис.8.26,а показаны графики ф ункций F в х (x), F л (x) и F с д в (x), а также функций F в ы х (x), построенных по полученным формулам и для случая V x =0.

П р и м е р 8.18. Найти изображение полосы на фильмокопии для условий примера 8.17, но при коэффициенте обтюрации киносъемочного аппарата о =0,25.

Характеристику обтюрации в данном случае описывает ф ункция F 0 1 (t)=rect(4t/T с )=rect(96t).

Выдержка равна t в =T с /4=1/96 c. Следовательно, характеристику сдвига определяет выражение F с д в (x)=rect (x/V х t в )=rect(96x/V x ).

Для случая 1) F с д в (x)=rect(96x/2)=rect(48x) и F в ы х (x)=rect(5x)exp[-(30x) 2 ]rect(48x).

Аналогично для случая 2):

F в ы х (x)=rect(5x)exp[-(30x) 2 ]rect(24x).

Графики выходного изображения показаны на рис.8.26,б.

Рис.8.26. Сдвиг изображения (к примерам 8.17 и 8.18) На основе анализа результатов приведенных примеров можно заключить, что фильтрация временных частот в киносъемочном аппарате в процессе киносъемки трансформируется в фильтрацию пространственных частот. Последняя приводит к снижению четкости изображения движущихся объектов и нисколько не влияет на четкость неподвижного (V x =0) относительно кинопленки изображения. Усиление фильтрации временных частот (путем увеличения коэффициента обтюрации) увеличивает “смаз” изображения, а следовательно, и снижает его четкость. Однако если в фотоаппарате смаз в изображении движущегося объекта нежелателен (за исключением случаев, когда он требуется для достижения художественного эффекта), то в кинематографе данный смаз снижает заметность искажений первого рода.

Наиболее характерным (но не единственным) проявлением пространственно-временных искажений первого рода является стробоскопический эффект. Он возникает в виде изменения скорости и направления движения в изображениях вращающихся колес, гусениц тракторов, решеток и т.п. Рассмотрим физическую сущность данного явления. Положим, что объект съемки - повозка, которая катится, а киносъемочный аппарат панорамирует за ней. В этом случае в кадре окажется неподвижное изображение повозки и перемещающаяся дорога, а также вращающееся колесо, показанное в верхней части рис.8.27.

Будем считать, что колесо повозки имеет шесть спиц и делает при вращении n об/с=360n град/с. Тогда освещенность участка кинопленки, через который перемещаются изображения спиц колеса, будет изменяться с частотой 1 =6n.

В общем случае освещенность изменяется не по гармоническому закону. Однако функция, выражающая изменение освещенности рассматриваемого элементарного участка кинопленки, всегда будет периодической, поэтому ее можно представить в виде суммы ряда Фурье. Примем во внимание только первую, основную гармонику переменной составляющей освещенности изображения и представим ее так:

F в х (t)=1+cos2 1 (t-kT с ), (8.48) где 2 1 kT с - фазовый сдвиг записываемого изображения для k-го кадра.

Положим, что киносъемка производится киносъемочным аппаратом с прямоугольной характеристикой обтюрации и коэффициентом обтюрации о =0,5. Причем частота киносъемки равна с =24 кадр/с. ВЧХ киносъемочного аппарата определяет функция K 1 ()=sinc( о / с )=sinc(/48).

Графики ВЧХ показаны в левой части рис.8.27 сплошными линиями.

Спектр входного изображения находим преобразованием Фурье функции (8.48):

S в х ()=[()+0,5(- 1 )]exp(-i2kT с ). (8.49) Рис.8.27. К анализу процесса возникновения стробоскопического эффекта Спектр исходного изображения после фильтрации в киносъемочном аппарате равен произведению:

S и ()=K 1 ()S вх ().

(Показан в левой части рис.8.27 прямыми со стрелками на конце).

Кроме основного, в результате дискретизации возникают и смещенные спектры, два из которых показаны на рис.8.27 штрих пунктирными линиями с контурными стрелками на конце.

Из формулы (8.49) и рис.8.27 следует, что основной спектр содержит две составляющие - для положительных и отрицательных значений ;

расположены они соответственно в “положительной” и “отрицательной” областях частотной характеристики фильтра.

Спектры изображений, записываемых на соседних кадрах (например, для k=0 и k=1), как это следует из формулы (8.49), отличаются только сдвигом фазы ()=-2Т с, модули же остаются неизменными. Сдвиг фазы определяет направление вращения изображения колеса при проекции кинофильма на экран. Прямые () и (-24) (см.рис.8.27) показывают фазовый сдвиг для соседних кадров в основном и смещенном спектрах.

Фазовый сдвиг в исходном изображении был равен ()=-2Т с, т.е. был положительным для отрицательных частот и отрицательным для положительных. Если сдвиг фазы в воспроизводимом изображении также связан с положительными и отрицательными частотами, то направление вращения изображения колеса будет правильным (по часовой стрелке). В противном же случае на кинопленке будет записана ложная информация, которая приведет к тому, что изображение колеса на киноэкране станет вращаться в обратном направлении (см.пример 2.15).

Будем считать, что на выходе системы применен идеальный фильтр Ф 2, ВЧХ которого показана на рис.8.27 штриховыми линиями. Такой фильтр исключает возможность появления искажений второго рода. Рассмотрим шесть случаев.

С л у ч а й 1 (рис.8.27,а): n=1 об/с;

1 =6 с - 1. Поскольку частота изменения освещенности не превышает с /2=12 с - 1, то даже при далеко не удовлетворительной ВЧХ киносъемочного аппарата искажений изображения не должно быть. Действительно, в пределах частотной характеристики фильтра на выходе системы находятся только составляющие основного спектра и, как следует из схемы в средней части рис.8.27,а, каждая спица колеса за время периода смены кадров Т с =1/24 с поворачивается на угол =360 о nT c =15 о, меньший половины углового расстояния =60 о между спицами колеса. Следовательно, в записанном на кинопленке изображении содержится информация как о направлении движения колеса, так и о скорости его вращения. Зритель увидит на киноэкране правильное воспроизведение изображения вращающегося колеса.

2 (рис.8.27,б): n=2 об/с;

1 =12 с - 1. Боковые Случай составляющие основного и смещенных спектров изображения в данном случае совпадают.

Поскольку составляющие смещенных спектров вследствие изменения знака фазового сдвига вызывают вращение колеса в противоположном направлении, следует ожидать, что информация как о скорости, так и о направлении вращения колеса будет утеряна.

Действительно, на соседних кадрах будут записаны изображения колеса только в двух положениях (см.среднюю часть рисунка), поскольку =360 о nT c =30 о =/2. Эти положения повторяются через каждый кадр. Зритель воспримет изображение неустойчивым: ему будет казаться, что колесо вращается то в одну, то в другую сторону.

Количество спиц воспринимается удвоенным.

С л у ч а й 3 (рис.8.27,в): n=3 об/с;

1 =18 с - 1. Основной спектр вышел за пределы ВЧХ фильтра на выходе системы, но в эти пределы вошел смещенный спектр изображения. Он и будет определять изображение на выходе системы. Вместо действительной частоты 1 =18 с - 1 яркость элементарного участка экрана станет изменяться с частотой 24-18=6 с - 1, т.е. изменится скорость вращения колеса. Кроме того, в “положительную” часть ВЧХ К 2 () вступила левая составляющая смещенного спектра, имеющая положительный сдвиг фазы, а в “отрицательную” часть ВЧХ - правая составляющая смещенного спектра, имеющая отрицательный сдвиг фазы. Это должно изменить направление вращения изображения колеса. При рассмотрении двух изображений положения колеса, записанных на соседних кадрах кинофильма, нетрудно понять, что зритель именно так воспримет изображение вращающегося колеса. Таким образом, в данном случае искажения первого рода проявляются не только в потере информации об объекте, но и в получении ложной информации, т.е. в смысловом искажении изображения.

С л у ч а й 4 (рис.8.27,г): n=4 об/с;

1 =24 с - 1. В пределах ВЧХ фильтра на выходе системы имеют место только составляющие смещенных спектров изображения, причем обе составляющие расположены на нулевой частоте. Следовательно, изображение колеса будет воспринято неподвижным. Это действительно так, поскольку на всех кадрах записаны одинаковые положения спиц колеса.

С л у ч а й 5 (рис.8.27,д): n=5 об/с;

1 =30 с - 1. Составляющая правого смещенного спектра, имеющая положительный сдвиг фазы, перешла в “отрицательную” область ВЧХ К 2 () системы, а составляющая левого смещенного спектра, с отрицательным сдвигом фазы, - в “положительную” область ВЧХ. Поэтому изображение колеса вращается в правильном направлении, но с ложной скоростью (в пять раз меньшей действительной). В этом нетрудно убедиться, рассмотрев два положения изображения колеса, записанных на соседних кадрах. Как следует из анализа средних частей рис.8.27,а и 8.27,д, изображения на соседних кадрах в обоих случаях одинаковы, но левые части тех же рисунков показывают, что амплитуда колебаний освещенности изображения во втором случае значительно меньше, чем в первом.

С л у ч а й 6 (рис.8.27,е): n=8 об/с;

1 =48 с - 1. Составляющие основного спектра совпали с частотой, на которой ВЧХ К 1 () киносъемочного аппарата равна нулю. Поэтому эти составляющие спектра входного сигнала полностью подавлены. В пределах ВЧХ фильтра на выходе составляющие смещенных спектров отсутствуют.

Для объяснения последнего случая следует возвратиться к анализу преобразования фильтрации временных частот в киносъемочном аппарате в фильтрацию пространственных частот.

Как было показано выше (см.примеры 8.16-8.18), за счет фильтрующего действия киносъемочного аппарата возникает сдвиг (“смаз”) изображения движущихся объектов. В рассматриваемом процессе при вращении колеса происходит сдвиг изображений спиц на угол с д в. Если коэффициент обтюрации равен 0,5, то с д в =/2=7,5n град. В правой части рис.8.27 показаны изображения колеса, записанные на кадре фильмокопии. По мере увеличения скорости вращения колеса величина сдвига пропорционально увеличивается. Когда скорость достигает n=8 об/с, то угол сдвига с д в становится равным 7,58=60 о, т.е. угловому шагу спиц колеса.

В результате на каждом кадре будет получено полностью “смазанное” изображение колеса, на котором отсутствуют изображения спиц. Этого эффекта можно добиться и при меньшей скорости вращения колеса путем увеличения коэффициента обтюрации киносъемочного аппарата. Например, если о =1, то угол сдвига станет равен с д в =15n град. Поэтому полный смаз изображения возникнет уже при n=4 об/с. Увеличив коэффициент обтюрации до двух, можно почти полностью устранить стробоскопический эффект при любой скорости вращения колеса.

Однако такое увеличение фильтрующего действия киносъемочного аппарата, хотя и устраняет искажения первого рода, но приводит при существующем стандарте на частоту кинопроекции к существенному снижению четкости изображения движущихся объектов.

Таким образом, усиление фильтрующего действия киносъемочного аппарата приводит не к улучшению передачи вращения колеса, а к незаметности искажений, обусловленной “смазом” изображения. Однако в этом особой неестественности воспроизводимого изображения нет. Мы и в действительности, рассматривая быстро вращающееся колесо, не видим его спиц. Это происходит тогда, когда частота прохождения изображения спиц по поверхности элементарного участка сетчатки глаза равна или превышает критическую частоту слияния мельканий. Для рассмотренного выше случая при к р =48 Гц это имеет место, когда колесо делает более 8 об/с. При меньших скоростях вращения колеса глаз видит его спицы и правильно воспринимает скорость и направление вращения колеса. Чтобы правильно передать в кинематографе такие скорости вращения колеса, частоту киносъемки и кинопроекции необходимо увеличить в четыре раза - до кадр/с, а коэффициент обтюрации киносъемочного аппарата принять равным двум. Если реализовать подобную кинематографическую систему, то в ней почти полностью будут устранены искажения первого рода, а величина “смаза” любого движущегося изображения будет воспринята зрителем как вполне естественная.

Приведенный анализ выполнен в упрощенном виде с учетом только одного смещенного спектра и первой гармоники в изображении вращающегося колеса. Результат анализа мог бы быть найден и более простым путем - на основе рассмотрения изображений, записанных на соседних кадрах. Однако в случае необходимости изложенная методика позволяет выполнить и более полный анализ, с учетом многих смещенных спектров и заданного количества слагаемых ряда Фурье. Такой результат получить только на основе интуитивных представлений невозможно.


Стробоскопический эффект - не единственное проявление пространственно-временных искажений первого рода. В результате этих искажений могут быть не записаны на кинопленке быстрые изменения объекта съемки. Например, если актер быстро подмигнет, то изображение закрытого глаза не будет записано на кинопленке, если это произошло в момент перекрытия обтюратором кадрового окна. Единственным путем устранения возможности возникновения подобных искажений является увеличение коэффициента обтюрации киносъемочного аппарата по крайней мере до единицы. В результате недостаточно эффективной фильтрации нижних временных частот при киносъемке становится особенно заметной прерывистость движения изображения на киноэкране. Рассмотрим данный вопрос несколько подробнее.

Будем считать, что объектом киносъемки является перемещающаяся с постоянной скоростью V х вдоль оси х светящаяся точка. Изображение этой точки, воспроизведенное на киноэкране при проекции одного кадра, назовем пространственно-временной импульсной реакцией системы. Поскольку изображение точки при ее движении вдоль оси х не изменяется вдоль оси у, то пространственно-временную импульсную реакцию выразим двумерной функцией F o (x,t).

Если кинематографическая система не осуществляет фильтрацию ни временных, ни пространственных частот, то в начале координат (х=0, t=0) пространственно-временную импульсную реакцию опишет функция F o (x,t)=(x,t)=(x)(t). (8.50) Изображение движущейся точки представит последовательность дельта-функций:

F 1 (x,t)=(x-nV х T c )V х T c (t-nT c )T c, (8.51) n= показанная кружками на рис.8.28,а. Изображения точки расположены на прямой, наклоненной к оси времени t под углом =arctg(x/t)=arctgV х.

Из рисунка следует, что изображение будет перемещаться по экрану вдоль оси х скачками с шагом V х T с и мелькать с частотой с =1/Т с. Фильтрация временных частот киносъемочным и кинопроекционным аппаратами изменит наблюдаемое на экране изображение.

Положим вначале, что фильтрацию временных частот осуществляет только кинопроектор с характеристикой обтюрации F о к п (t). Тогда изображение на экране определит свертка F 2 (x,t)=F 1 (x,t)F о к п (t).

Подставив в это выражение значение F 1 (x,t) из формулы (8.51) и выполнив интегрирование, находим F 2 (x,t)=F о к п (t-nT с )T с (x-nV x T с )V x T с.

n= Если обтюратор кинопроектора двухлопастный с коэффициентом обтюрации 0,5, то изображение на киноэкране показывает график на рис.8.28,б. Из рассмотрения рисунка следует, что теперь изображение стало мелькать с частотой вдвое большей, чем в первом случае. Однако скачкообразность, т.е. прерывистость движения изображения вдоль оси х, нисколько не изменилась. Она не изменится и при усилении фильтрующего действия кинопроектора путем увеличения его коэффициента обтюрации. Следовательно, устранить прерывистость движения изображения кинопроектор не может.

Рис.8.28. Изображение движущейся точки на киноэкране Учтем теперь фильтрацию временных частот киносъемочным аппаратом. Как было показано, при киносъемке фильтрация временных частот трансформируется в фильтрацию пространственных частот, оцениваемую характеристикой сдвига F с д в (x). Теперь изображение на киноэкране определит свертка F(x,t)=F 2 (x,t)F с д в (x)=F о к п (t-nT с )Т c F с д в (x-nV x T c )V x T c. (8.52) n= Положим, что обтюратор кинопроектора, как и ранее, двухлопастный, а обтюратор киносъемочного аппарата с прямоугольной характеристикой обтюрации и коэффициентом обтюрации равным 0,5. Тогда изображение на киноэкране покажет график на рис.8.28,в. Из рисунка следует, что прерывистость движения сохранилась, но стала менее резкой, чем в первых случаях (рис.8.28,а и б). Еще менее заметной она станет, когда коэффициент обтюрации мы увеличим до единицы (рис.8.28,г). Практически прерывистость будет совершенно незаметна при коэффициенте обтюрации киносъемочного аппарата равном двум (рис.8.28,д).

Следовательно, проявление пространственно-временных искажений в виде прерывистости движения изображения зависит в основном от фильтрации временных частот на входе кинематографической системы в киносъемочном аппарате.

Опыт показывает, что при небольших скоростях движения изображения при проекции кинофильмов, снятых обычными киносъемочными аппаратами с коэффициентом обтюрации равным 0,5, прерывистость движения изображения практически незаметна зрителю. Это объясняется тем, что фильтрация временных частот киносъемочным аппаратом дополняется фильтрацией пространственных частот всей кинематографической системой, включая зрительный анализатор наблюдателя. Действительно, если даже киносъемочный аппарат не осуществляет фильтрацию временных частот (угол раскрытия обтюратора весьма мал), то в изображении всегда имеет место некоторое размытие, вызванное фильтрацией пространственных частот. Поэтому при небольших скоростях перемещения изображения общая нерезкость изображения скрывает прерывистость его перемещения по экрану. Найдем максимальную скорость перемещения изображения, при которой прерывистость движения изображения незаметна.

Итоговую пространственно-временную импульсную реакцию вдоль оси х F ои т (x) определяет свертка характеристики сдвига и пространственной импульсной реакции системы, т.е. ФРЛ:

F о и т (x)=F с д в (x)F л (x).

Если киносъемочный аппарат имеет прямоугольную характеристику обтюрации и коэффициент обтюрации 0,5, то протяженность характеристики сдвига вдоль оси х равна V х T c /2.

Протяженность вдоль той же оси функции F л (x) приближенно равна 2/N, где N - разрешающая способность всей системы. Протяженность свертки равна сумме протяженностей сворачиваемых функций, поэтому величина размытости изображения приближенно равна х р а з м =V х T с /2+2/N. (8.53) На рис.8.29 показан примерный вид функции F о и т (x). Если принять, что х р а з м =2V х T с, то последовательные изображения перекрывают друг друга, как это показано на рисунке, и прерывистость движения изображения мало заметна. Это имеет место при условии V х T с /2+2/N2V х T с.

Отсюда находим V х 4/(3NT c )=4 c /(3N). (8.54) Рис.8.29. Размытость в последовательных изображениях движущейся точки Положим, что итоговая разрешающая способность кинематографической системы, включая зрительный анализатор, на поверхности сетчатки глаза составляет 60 мм - 1. Если линейное увеличение от сетчатки к фильмокопии з а =0,25, то на поверхности фильмокопии разрешающая способность будет равна N=600,25= мм - 1. При частоте кинопроекции 24 кадр/с имеем V х 424/(315)=2,13 мм/с.

Примерно такая же величина допустимой скорости движения изображения по поверхности фильмокопии была найдена в результате экспериментов.

Указанная допустимая скорость движения изображения по поверхности фильмокопии достаточно мала. Она часто оценивается допустимым межкадровым сдвигом изображения, примерно равным 0,1 мм. Превышение скорости движения изображения выше допустимой приводит к заметной прерывистости движения изображения. Наиболее взыскательные кинооператоры стремятся не превышать приведенную выше допустимую скорость движения изображения. Это, естественно, ограничивает творческие возможности постановщиков кинофильмов.

Рассмотрим возможность расширения допустимой скорости движения изображения по поверхности фильмокопии, а следовательно, и по киноэкрану. Формула (8.54) выведена из предположения о том, что коэффициент обтюрации киносъемочного аппарата равен о =0,5. Если принять, что о =1,0, то формула (8.54) примет вид V х 2 c /N и допустимая скорость перемещения изображения для принятых выше параметров системы возрастет до 3,2 мм/с. При увеличении же коэффициента обтюрации до о = скорость перемещения изображения может быть сколь угодно большой - прерывистости движения изображения зритель не заметит.

Однако при этом значительно возрастет смаз изображения, который раздражает зрителя не меньше чем прерывистость его движения.

Только этим можно объяснить то, что в существующих киносъемочных аппаратах не предпринимают особых мер к значительному повышению коэффициента обтюрации.

Другим путем повышения допустимой скорости движения изображения является повышение частоты как киносъемки, так и кинопроекции. Из формулы (8.54) следует, что при повышении частоты с от 24 до 48 кадр/с допустимая скорость перемещения изображения возрастает в два раза, т.е., для приведенных выше параметров системы, до 4,26 мм/с. Если одновременно повысить коэффициент обтюрации киносъемочного аппарата до 1,0, то допустимая скорость движения изображения возрастет до 6,4 мм/с.

При данной частоте кинопроекции и коэффициенте обтюрации смаз изображения не превысит имеющего место в современном о =0,5) кинематографе ( с =24 кадр/с, и может считаться допустимым.

Из формулы (8.49) также следует то, что по мере снижения разрешающей способности N системы допустимая скорость перемещения изображения увеличивается. Поэтому в малоформатной кинематографии (16- и 8-мм), а также в кинотелевизионных системах прерывистость движения изображения менее заметна, чем в 35-мм кинематографе. Заметность прерывистости движения изображения возрастает по мере повышения четкости изображения.

Таким образом, устранения заметности прерывистости движения без дополнительного размытия движущегося изображения возможно достичь увеличением частоты кинопроекции до 48 - 96 кадр/с при коэффициенте обтюрации киносъемочного аппарата равном 1 - соответственно.

Проведенный анализ выполнен в предположении о том, что зритель рассматривает движущееся изображение на экране при неподвижном относительно экрана взоре. В этом случае зрительный анализатор фиксирует взор на изображениях, которые неподвижны относительно киноэкрана, на поверхности которого перемещается изображение светящейся точки. На поверхности сетчатки глаза изображение экрана будет неподвижным, а изображение светящейся точки будет перемещаться точно так же, как по поверхности экрана (рис.8.28).


Рассмотрим теперь случай, когда наблюдатель следит взором за перемещающимся относительно экрана изображением. В данном случае зритель следит за перемещающимся по экрану изображением таким образом, что оно остается практически неподвижным относительно сетчатки, а изображение экрана и все неподвижные относительно экрана изображения перемещаются по поверхности сетчатки.

Пусть объектом, как и ранее, является светящаяся точка, изображение которой перемещается в направлении оси х с поверхности сетчатки со скоростью V с. Положим вначале, что киносъемочный аппарат, кинопроектор и зрительный анализатор не осуществляют фильтрацию временных частот, а вся система фильтрацию пространственных частот. Тогда изображение точки на поверхности сетчатки, т.е. пространственно-временную импульсную реакцию, опишет функция, аналогичная равенству (8.50):

F o (x c,t)=(x c )(t), а изображение движущейся точки определит выражение F 1 (x с,t)=(x с +V с t-nV c T c )V c Т с (t-nT c )Т с. (8.55) n= На рис.8.30,а показаны положения изображения светящейся точки на поверхности сетчатки. Из рисунка следует, что, в отличие от первого случая (см.рис.8.28,а), изображения точки неподвижны относительно оси х с, но мелькают с частотой кинопроекции. Как показано в нижней части рисунка, размытость изображения полностью отсутствует.

Положим теперь, что фильтрацию временных частот осуществляет только кинопроектор с двухлопастным обтюратором и коэффициентом обтюрации 0,5. Его характеристику обтюрации опишет функция F о к п (t)=2T c - 1 {rect[4(t-T с /4)/T с ]+rect[4(t+T с /4)/T с ]}, а изображение на сетчатке - равенство F 2 (x с,t)=F 1 (x с,t)F о к п (t).

Подставив в данное выражение значения функций F 1 (x с,t) и F о к п (t) и выполнив интегрирование, находим F 2 (x c,t)=2(x c -V c t-nV c T c )V c Т с n= {rect[4(t-nT c -T c /4)/T c ]+rect[4(t-nT c +T c /4)/T c ]}.

Рис.8.30. Изображения движущих ся объектов на сетчатке глаза Из анализа рис.8.30,б следует, что в данном случае изображение точки оказалось раздвоенным (см.нижнюю часть рисунка). Причем поскольку каждая часть изображения образована на своих участках сетчатки глаза, то наблюдатель воспримет его мелькающим с частотой кинопроекции равной 24 кадр/с. Кроме того, изображение будет в течение периода смены кадров плавно двигаться влево, а затем скачком перемещаться в направлении действительного движения изображения точки. Поэтому наблюдатель воспримет изображение точки колеблющимся (дрожащим) относительно своего среднего положения. Хотя киносъемочный аппарат не осуществлял фильтрацию временных частот и протяженность характеристики сдвига равна нулю, но воспринимаемое изображение будет несколько размытым. Величина этого размытия составляет х к п =3V с T с /4.

Учтем теперь фильтрующее действие киносъемочного аппарата, считая, что он имеет прямоугольную характеристику обтюрации и коэффициент обтюрации 0,5. Тогда характеристику сдвига определит функция F с д в (x с )=2(V c Т с ) - 1 rect(2x с /V c T c ), а изображение на сетчатке F(x c,t)=F 2 (x c,t)F с д в (x с ).

В результате имеем F(x c,t)=4rect[2(x с +V с t-nV с T с )/V с T с ] n= {rect[4(t-nT с -T с /4)T c ]+rect[4(t-nT с +T с /4)T c ]}.

На рис.8.30,в показаны положения последовательных изображений движущейся точки. Из анализа рисунка следует, что в данном случае раздвоенное изображение слилось в единое, но размытость х р а з м изображения теперь равна сумме размытости х к п, обусловленной кинопроектором, и характеристики сдвига х с д в, т.е.

х р а з м =х к п +х с д в =3V c T c /4+V c T c /2=5V c T c /4.

Из рисунка следует также то, что изображение точки, как и в предыдущем случае, совершает колебания, а его края мелькают с частотой кинопроекции, не подавляемой зрительным анализатором.

Вполне понятно, что подобные явления будут иметь место при проекции изображения не только светящейся точки, но и изображения протяженных объектов. На рис.8.30,г показано изменение во времени и пространстве изображения края протяженного объекта, перемещающегося вдоль оси х с и отслеживаемого взором наблюдателя. Из рисунка следует, что в изображении края объекта образуется мелькающая и колеблющаяся кайма шириной 3V c T c /4. Данный вид искажений называют дроблением изображения.

Дробление изображения невозможно устранить ни усилением фильтрующего действия кинопроекционного аппарата, ни усилением фильтрующего действия киносъемочного аппарата. Подтверждением тому служат рис.8.30,д и е. На рис.8.30,д приведены положения изображения светящейся точки при коэффициенте обтюрации киносъемочного аппарата равном единице, а на рис.8.30,е показан случай, когда коэффициент обтюрации кинопроектора равен единице, а киносъемочного аппарата 0,5. Из анализа приведенных рисунков следует, что усиление фильтрующего действия как кинопроекционного, так и киносъемочного аппаратов нисколько не снижает дробление изображения, а лишь увеличивает его размытие.

Фильтрация пространственных частот всей кинематографической системой, включая зрительный анализатор, несколько снижает заметность дробления изображения, но увеличивает его размытие.

При малых скоростях движения изображения фильтрация пространственных частот почти полностью скрадывает дробление изображения и мы его не замечаем. Для обычного 35-мм кинематографа (рис.8.30,в) это имеет место при выполнении условия 5V с T с /42/N с, где N с - разрешающая способность системы, приведенная к поверхности сетчатки глаза. Следовательно, V c 24/(5N c T c )=1,6 c /N c. (8.56) Считая, как и ранее, N c =60 мм - 1 и c =24 кадр/с, имеем V с 1,624/60=0,64 мм/с.

Поскольку линейное увеличение от сетчатки глаза к фильмокопии равно з а =0,25, то скорость перемещения изображения по поверхности фильмокопии не должна превышать V=V с /0,25=0,64/0,25=2,56 мм/с.

Это значение примерно соответствует допустимой скорости (V=2,13 мм/с) движения изображения по поверхности фильмокопии, при которой зрителю не заметна прерывистость движения изображения. Следовательно, если межкадровый сдвиг изображения не превышает 0,1 мм, то на экране не будет заметно ни прерывистости движения изображения, ни его дробления.

При слежении взором за перемещающимся по экрану изображением имеет место не только дробление изображения, но и его повышенная размытость. Причем в данном случае, в отличие от наблюдения движущегося изображения при неподвижном взоре, размытость будет неестественной. Действительно, если мы сопровождаем взором наблюдаемый предмет в реальной жизни, то размытость его изображения отсутствует. Например, если следить за полетом искры над костром, то эту искру мы воспринимаем абсолютно четкой. При слежении же взором за перемещающимся по экрану изображением его дополнительной размытости не будет только в случае полного отсутствия фильтрации временных частот как киносъемочным аппаратом, так и кинопроектором (см.рис.8.30,а). Однако при этом будет наиболее заметна прерывистость движения изображения (см.рис.8.28,а).

Несколько снизить размытость в случае сопроводительного наблюдения за движущимся изображением можно ослаблением фильтрующего действия только кинопроектора, например использованием в осветительной системе кинопроектора импульсного источника света. Если импульсный источник света обеспечивает достаточно короткую вспышку и дважды освещает каждый кадр за время его стояния в кадровом окне, то размытость изображения будет сокращена с 5V с T с /4 (см.рис.8.30,в) до V с T с, т.е.

примерно на 25%. Увеличения заметности прерывистости движения изображения при этом не произойдет.

Следовательно, усиление фильтрующего действия киносъемочного аппарата уменьшает заметность прерывистости движения изображения, но усиливает размытость изображения при слежении взором за его движением. Вследствие этого приходится принимать компромиссное решение. При частоте кинопроекции кадр/с, очевидно, таким решением является коэффициент обтюрации киносъемочного аппарата близкий к 0,5.

В современном кинематографе уже смирились с проявлениями искажений в виде стробоскопического эффекта, прерывистости движения и дробления изображения. Зритель к ним привык и считает неизбежным злом кинематографа. В то же время наиболее взыскательные кинооператоры ограничивают скорость движения изображения в кадре, а также скорость панорамирования киносъемочным аппаратом до допустимых пределов, при которых указанные явления не очень заметны зрителю.

Указанные искажения возрастают по мере повышения общей четкости изображения. Как следует из формул (8.54) и (8.56), увеличение итоговой разрешающей способности N и N с приводит к пропорциональному уменьшению допустимых скоростей V х и V с движения изображения. Если, например, увеличить итоговую разрешающую спосoбность системы в два раза - до N=30 мм - (N с =120 мм - 1 ), то допустимый межкадровый сдвиг должен быть уменьшен с 0,1 до 0,05 мм. Соответственно и допустимая скорость движения изображения должна быть уменьшена в два раза. В разделе 6 было показано, что четкость изображения в современном кинематографе далека от физиологически точной. Изыскиваются пути ее повышения. Однако если четкость будет повышена, то качество воспроизведения движения изображения ухудшится.

Дробление изображения вызвано в основном мелькающей с частотой кинопроекции с =24 Гц каймой, окружающей движущееся изображение. Эти малькания частично подавляются зрительным анализатором. Согласно формуле (8.6) при яркости экрана L= кд/м 2 критическая частота слияния мельканий равна к р =55 Гц. По формуле (8.5) находим, что для данной яркости киноэкрана и частоты мельканий 24 Гц ВЧХ ЗА равна К з а (24)=0,40. Аналогично определяем, что для яркости киноэкрана L=150 кд/м критическая частота слияния мельканий возрастает до к р =61 Гц, а ВЧХ ЗА - до К з а (24)=0,47. Следовательно, с повышением яркости киноэкрана увеличивается критическая частота слияния мельканий, что приводит к увеличению заметности мельканий изображения с частотой 48 Гц, и, одновременно, усиливается заметность дробления изображения.

Данные факторы сдерживают дальнейшее повышение яркости киноэкрана.

Таким образом, пространственно-временные искажения изображения в современном кинематографе не только ухудшают воспроизведение движущегося изображения, но и сдерживают дальнейшее улучшение качества кинопоказа повышением яркости изображения. Данное обстоятельство побуждает ученых и инженеров изыскивать пути выхода из создавшегося положения.

При создании некоторых новых кинематографических систем делались попытки повышения частоты кинопроекции. Так, в панорамном кинематографе частота кинопроекции была поднята до 26 кадр/с, а в системе “Виста-Вижен” - даже до 30 кадр/с. Однако эти системы не получили широкого распространения.

Полное устранение искажений, как уже указывалось, может быть достигнуто при частоте кинопроекции в два раза большей критической частоты слияния мельканий. Она должна достигать с =96 кадр/с, если яркость экрана не превышает 40...50 кд/м 2 и с =120 кадр/с при большей яркости экрана.

Частичное решение задачи может быть достигнуто возвращением к параметрам кинематографической системы, созданной в конце века Т.Эдисоном, который в результате проведенных экспериментов установил, что “неприятные рывки и дрожание движущегося изображения” исчезают при частоте кинопоказа 46- кадр/с. Очевидно, Т.Эдисон имел в виду те явления, которые мы называем прерывистостью и дроблением изображения. Если принять частоту кинопроекции 48 кадр/с, то зрительный анализатор эту частоту подавит и дробление изображения будет полностью устранено. При этом отпадет необходимость в дополнительной холостой лопасти обтюратора, что позволит при коэффициенте обтюрации кинопроектора, равном 0,5, сохранить на существующем уровне время продергивания скачковым механизмом фильмокопии в кинопроекционном аппарате. Данное обстоятельство весьма существенно, поскольку устраняет необходимость форсировать работу механизма кинопроектора, что могло бы вызвать повышенный износ механизма прерывистого движения, а также фильмокопии.

Собственно и модернизация кинопроектора заключается в основном лишь в замене однопальцевого эксцентрика мальтийского механизма на двухпальцевый. Подобного простого технического решения кинопроекционного аппарата, рассчитанного на частоту кинопроекции 96 кадр/с, пока не найдено.

Рассмотрим пространственно-временные преобразования изображения точки при частоте кинопроекции 48 кадр/с. На рис.8.31,а показано перемещение изображения точки по поверхности экрана и сетчатки глаза наблюдателя при его неподвижном взоре.

Считается, что как киносъемочный аппарат, так и кинопроектор имеют однолопастные обтюраторы с коэффициентом обтюрации равным 0,5 (угол раскрытия обтюраторов 180 о ). Величина перемещения изображения по экрану за время периода смены кадров по сравнению с существующей кинематографической системой сократилась вдвое. Поэтому если N=15 мм - 1, то согласно формуле (8.54) допустимая скорость перемещения изображения по поверхности фильмокопии станет равной V=4,26 мм/с, т.е.

увеличится вдвое. При этом прерывистости движения изображения зритель не заметит. Однако превышение указанной скорости все же вызовет заметную прерывистость движения, а также удвоение изображений некоторых объектов (например, телеграфных столбов, видимых из окна быстро идущего поезда).

На рис.31,б показаны положения изображения светящейся точки на поверхности сетчатки глаза при сопроводительном его наблюдении. Поскольку частота мельканий всего изображения равна критической частоте слияния мельканий, то дробление изображения полностью отсутствует. Величина размытия изображения равна V с T с, т.е. с учетом уменьшения периода смены кадров она снизится более чем в два раза.

Рис.8.31. Изображения движущейся точки при частоте кино проекции 48 кадр/с Размытие можно уменьшить еще в два раза применением в осветительной системе кинопроектора импульсного источника света, освещающего каждый кадр в кадровом окне один раз за период смены кадров. Длительность вспышек импульсного источника должна быть достаточно короткой. На рис.8.31,в показаны изображения светящейся точки, образованные на киноэкране. Из рисунка следует, что при использовании импульсного источника света изменений в восприятии движения светящейся точки не произойдет. Анализ рис.8.31,г, где показаны изображения точки на поверхности сетчатки при сопроводительном наблюдении, показывает, что размытость изображения в данном случае уменьшится по сравнению с существующей системой более чем в четыре раза.

Повышение частоты киносъемки и кинопроекции несколько снижают также проявления пространственно-временных искажений первого рода в виде стробоскопического эффекта. Действительно, при частоте кинопроекции 24 кадр/с максимальная скорость вращения колеса, которую система может передать правильно, ограничена частотой прохождения изображения спиц мимо элементарного участка киноэкрана, равной 12 с - 1. При удвоенной частоте кинопроекции эта частота увеличивается до 24 с - 1.

Следовательно, правильно передается вдвое большая частота вращения колес и других движущихся периодических структур.

Стробоскопический эффект может быть почти полностью устранен, если принять коэффициент обтюрации киносъемочного аппарата равным единице.

Увеличение коэффициента обтюрации киносъемочного аппарата до единицы почти полностью устраняет также заметность прерывистости движения изображения при любой скорости этого движения. В то же время величина размытости при сопроводительном наблюдении движущегося изображения остается на уровне существующего при частоте кинопроекции 24 кадр/с и снижается вдвое при использовании импульсных источников света в кинопроекторе.

Таким образом, повышение частоты кинопроекции в два раза почти полностью устраняет искажения, вызванные дискретизацией изображения в кинематографе. В США кинооператором Трамбеллом были поставлены широкомасштабные эксперименты по проверке изложенных теоретических положений. В результате просмотра экспериментальных роликов, снятых и проецируемых с различными частотами от 24 до 96 кадр/с, было установлено, что резкий скачок повышения качества передачи движения наступает при частоте кинопроекции 48...60 кадр/с. Дальнейшее повышение частоты кинопроекции не дает существенного улучшения качества кинопоказа. Было отмечено также, что при повышенной частоте кинопроекции изображение воспринимается как бы объемным, стереоскопическим, особенно при проекции кадров, снятых с панорамированием киносъемочным аппаратом. Это можно объяснить тем, что при указанных частотах кинопроекции зритель меньше замечает прерывистость движения, дробление, а также зашумленность изображения. Поэтому оно становится как бы более “прозрачным” и оторванным от экрана.

На основе проведенных экспериментов в США была создана новая кинематографическая система “Шоускан” с частотой кинопроекции 60 кадр/с. Данная частота превышает критическую частоту слияния мельканий практически при любой яркости экрана и, кроме того, согласуется с частотой полей в американской системе телевидения.

При такой частоте кинопроекции, как было показано выше, полностью отсутствует заметность мельканий и дробления изображения даже при значительном повышении яркости киноэкрана. В системе “Шоускан” яркость экрана увеличена до кд/м 2.

В мире создана сеть кинотеатров, работающих по системе “Шоускан”. Кроме того, существуют несколько модификаций данной системы с частотой кинопроекции 48 кадр/с. В нашей стране создана система “Кинематограф высокого качества” (КВК) с частотой кинопроекции 48-60 кадр/с. Первая действующая киноустановка оборудована в актовом зале Санкт-Петербургского государственного университета кино и телевидения.

Несмотря на значительный скачок в повышении качества кинопоказа, новые системы кинематографа пока существуют в небольшом числе “элитных” кинотеатров. Это объясняется тем, что реализация новых систем вызывает трудности экономического и эргономического характера. Расход киноленты возрастает в два и более раз, масса и габариты фильмокопии увеличиваются, что затрудняет их транспортировку, возрастает расход электроэнергии как при кинопроекции, так и при киносъемке, киносъемочный и кинопроекционный аппараты создают при работе повышенный уровень шума и т.п.

Однако из истории развития техники известно, что новые идеи всегда встречают затруднения при их реализации. Если же эти идеи дают практическую пользу, то, как правило, находятся новые технические решения, устраняющие данные затруднения.

Нахождение новых технических решений может подсказать устройство для кинопоказа, реализованное Т.Эдисоном в своей первой кинематографической системе. Как уже указывалось выше, в кинетоскопе Т.Эдисона, предназначенного для индивидуального просмотра кинофильма, фильмокопия перемещалась непрерывно.

Смаз изображения предотвращался щелевым обтюратором, расположенным между источником света и фильмокопией. Щелевой обтюратор ограничивал освещение кадра на фильмокопии очень коротким промежутком времени, за который фильмокопия не успевала переместиться на значительную величину. Аналогичную конструкцию мог бы иметь и кинопроектор. Однако щелевой обтюратор поглощает на обтюрацию почти всю световую энергию источника. В наше время щелевой обтюратор можно заменить импульсным источником света, при котором вообще не происходит потерь света на обтюрацию.

Принцип кинопроекции с использованием импульсного источника света и непрерывным движением фильмокопии тоже не нов. Однако реализация подобного кинопроектора при частоте кинопроекции 24 кадр/с вызывает существенные затруднения. Они обусловлены тем, что каждый кадр должен проецироваться на киноэкран дважды.



Pages:     | 1 |   ...   | 10 | 11 || 13 | 14 |   ...   | 16 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.