В основе статьи - доклад доцента кафедры аудиовизуальных технологий и технических средств ВГИК Л.В.Коновалова на научно-практической конференции "Инновационные технологии в кинематографе и образовании" (Москва, 29-31 октября 2014 года) с небольшими добавлениями.
*
Предисловие (важное замечание)
В комментариях появляются сообщения, что не всё в статье понятно. Вполне возможно, что для некоторых читателей термины "средний градиент", "гамма", "характеристическая кривая", "критериальная точка" - совершенно дремучий лес. Однако, если вы хотите разобраться в статье до конца, рекомендую (если у вас найдётся немного времени) вначале ознакомиться с методическим пособием, написанным для студентов операторского факультета ВГИК, где объясняется, как экспонируется фотоплёнка во время испытаний, как выглядят источники света, как понять, что такое "экспозиция", как представить единицу экспозиции и единицу плотности. Кроме того, вы подробно узнаете, как строится характеристическая кривая и как по кривой определяются основные параметры. Пособие написано простым языком (я старался, чтобы студенты всё поняли) и называется "30 страниц про характеристическую кривую".
*
В течение десятилетий кинооператоры в своей работе постоянно обращались к характеристическим кривым кино-фотоплёнок. В основном это были характеристические кривые (ХК) негативных материалов. C приходом эры цифрового кино, оператор стал работать напрямую с позитивным изображением, минуя негативную стадию.
И естественно возник вопрос: как широту и контрастность негативно-позитивного плёночного процесса сравнить с широтой и контрастностью цифровых фотоаппаратов и видеокамер?
Такой термин, как «передаваемый интервал яркостей», одинаково применим к съёмке как на плёночном носителе, так на цифровом. А вот «характеристическая кривая киноплёнки» не может быть напрямую соотнесена с характеристикой видеокамеры. Необходимо сделать некоторые преобразования, чтоб можно было совместить на одном графике ХК киноплёнки и ХК видеокамеры.
Поэтому данное сообщение будет посвящено преобразованию формата записи плотностей сенситограммы киноплёнки, что позволит напрямую сравнить на одном бланке характеристическую кривую негативно-позитивного плёночного процесса и характеристическую кривую воспроизведения яркостей объекта видеокамерой или цифровым фотоаппаратом.
Фотографическая широта негативно-позитивного процесса определяется произведением коэффициента контрастности материала негативной стадии на позитивную стадию. (Фотографическая широта обратно пропорциональна коэффициенту контрастности.)
Для обозначения коэффициента контрастности (степени контрастности) в сенситометрии используется специальный символ— греческая буква гамма — γ. Гамма показывает степень наклона характеристической кривой и определяется как тангенс угла наклона прямолинейного участка характеристической кривой. Чтобы представить, какие численные значения может приобретать степень контрастности, гамма, и как визуально значение гаммы связано с наклоном характеристической кривой, необходимо вспомнить основы тригонометрии. Чтобы в прямоугольном треугольнике, на одной из сторон которого лежит характеристическая кривая, найти тангенс угла, необходимо катет противолежащий b разделить на катет прилежащий, a (см. рисунок). Так, если сторона b в прямоугольном треугольнике равна стороне a, образуется угол равный 45°, отношение длин катетов становится равным единице. Из этого следует, что если плёнка имеет коэффициент контрастности, равный единице, ее характеристическая кривая идет под углом 45°. Если же сторона b больше, чем сторона a, то характеристическая кривая, лежащая на гипотенузе такого треугольника, будет иметь угол наклона больше 45° и соответственно гамму больше единицы. Если сторона b меньше стороны a, гамма оказывается меньше единицы.
У негативных плёнок - маленький коэффициент контрастности, у позитивных - большой. Стандартный коэффициент контрастности негативных фотоплёнок - 0,65 (чёрно-белых) или 0,55 (у цветных), у позитивов - 2,6-2,8 (чёрно-белых) или 3,3-3,8 (у цветных).
За стандартную контрастность негативной чёрно-белой киноплёнки принят средний градиент 0,62 или гамма 0,65. Введение среднего градиента вместо гаммы для чёрно-белых негативных плёнок было вызвано компромиссом трёх сенситометрических систем - советской, немецкой и американской. Средний градиент - это тоже тангенс угла наклона, но не прямолинейного участка ХК, а участка, ограниченного двумя специальными точками (на следующем рисунке - точка 1 и точка 2). Поскольку линия, по которой определяется средний градиент (на рисунке - это пунктирная линия), как правило, не лежит на самой характеристической кривой, то понятие «средний градиент» не совсем точно характеризует контрастность материала. В связи с этим, я буду пользоваться термином «гамма» при разговоре о контрастности.
Чёрно-белый негатив печатается на позитив. Контрастность черно-белого позитива должна быть около 2,8. Тогда результирующий коэффициент контрастности конечного изображения будет равен произведению 0,65 на 2,8, т.е. 1,82.
γизо = γ нег х γ поз = 0,65 х 2,8 = 1,82
Цветной негатив, в отличие от черно-белого, имеет меньший коэффициент контрастности, 0,50-0,55. Но зато цветной позитив более контрастный, его гамма около 4-х.
Результирующий коэффициент контрастности цветного изображения будет также в районе 2 или чуть-чуть выше.
Вот это и будет стандартное значение коэффициента контрастности конечного изображения, с которым мы будем сравнивать контрастность цифровых носителей.
Для получения ХК видеокамеры мы воспользуемся сенситометром ЦС-3. При экспонировании материала в сенситометре вдоль оптического клина движется лампа накаливания, и процесс экспонирования длится 2-3 секунды.
Нами была установлена люминесцентная лампа вдоль оптического клина, чтобы процесс экспонирования всего клина производился в течение доли секунды, как и во время киносъёмки, когда выдержка равна примерно
1/50-1/60 с.
Чтобы построить характеристическую кривую цифрового фотоаппарата, переснимается светящийся оптический клин. А затем в Фотошопе "пипеткой" измеряется яркость каждого поля. Всего полей в клине - 26. Соседние поля отличаются друг от друга на полступени. Легко понять, что сам оптический клин имеет интервал яркостей в 13 ступеней (26 раз по полступени).
На фотографии видно, что самые первые поля (справа) уходят в разбелку, а последние поля (слева) сливаются с чернотой - фотоаппарат не может различить все эти 13 ступеней, хотя глаз видит практически все поля. "Широта" фотоаппарата значительно меньше "широты" глаза.
Для построения характеристической кривой фотоаппарата используется та же самая компьютерная программа, что и для построения характеристической кривой киноплёнки. Такие программы есть на всех киностудиях.
Каждое поле при построении кривой в нашей программе отмечается звёздочкой. Сколько звёздочек, столько полей промерено. В результате получается вот такая картина.
Для того, чтобы появилась возможность сравнения плёночной характеристической кривой и цифровой, следует изменить ФОРМАТ ДАННЫХ перед внесением в программу .
В «цифровом» виде «света» на кривой находятся справа вверху, а «тени» - слева внизу (см.картинку из Фотошопа). Значение «0» соответствует самым чёрным объектам.
А в результирующем «плёночном» изображении кривая (негативная сенситограмма, отпечатанная на позитив) выглядит наоборот.
Света находятся внизу (плотность близка к нулю, примерно 0,05 Б), а тени - вверху со значением 2,40…2,60 Б (Бела).
Плотность "1" означает, что свет ослабляется в 10, раз, плотность "2" ослабляет свет в 100 раз, а плотность "3" - уже в 1000 раз.
Для получения одинакового внешнего вида характеристических кривых плёночных и цифровых носителей, вначале меняем формат записи плотностей плёночной сенситограммы. За «ноль» денситометра принимаем самый темный участок киноплёнки, «черноту» (как в Фотошопе). Для этого берём результирующую сенситограмму на позитивном материале. В нашем случае - это негативная сенситограмма, отпечатанная на позитивную киноплёнку Кодак 5302 на копираппарате BHP при 25-м номере света и проявленная в лаборатории «Синелаб». Нажимаем кнопку «Zero» на самом темном участке киноплёнки.
Затем промеряем все поля подряд, начиная с первого, самого прозрачного. Поля теперь будут иметь плотность со знаком минус.
Отбрасываем минус, и тогда плотности от белого к черному будут идти по убывающей, как на «цифровой» кривой. Максимальному значению (2,50..2,60) будут соответствовать «света», а плотность «теней» будет постепенно приближаться к нулю.
Таким образом мы осуществили преобразование формата данных плёночной сенситограммы. Эта кривая, с гаммой около 2-х, в виде буквы S, будет иметь два загиба. В тенях загиб образуется за счет плавного нелинейного изменения плотностей негатива, а загиб в светах связан с нелинейным ответом позитивной киноплёнки в малых плотностях.
Вот характеристическая кривая, которая показывает, как негативная киноплёнка реагирует на свет.
По горизонтальной шкале откладывается количество света (в люкс-секундах), а по вертикали - ОТВЕТ киноплёнки в виде плотности. Чем больше на плёнку падает света, тем больше получается на ней плотность, при малом количестве света плотность выходит малая. На бОльшем протяжении кривой мы видим линейную зависимость, но внизу кривой, там, где на плёнку попадает малое количество света, кривая приобретает загиб и плавно сходит на нет. Эта зависимость уже не линейная, а логарифмическая.Эти малые плотности в негативе называются тенями, поскольку малые плотности негатива в конечном изображении будут тёмными объектами. Благодаря такому загибу, в тенях наблюдается хорошая проработка деталей.
А вот характеристическая кривая позитивной киноплёнки. На такой плёнке печатают чёрно-белые фильмы.
По углу наклона кривой видно, что плёнка очень контрастная. Однако, она ведёт себя аналогично негативной киноплёнке - чем больше на плёнку падает света, тем больше получается на ней плотность, при малом количестве света плотность выходит малая. Там, где на плёнку упало много света, там будет чёрный участок после проявки, а та часть плёнки, что была в темноте (например, в чёрном пакете), останется белой. У кривой внизу, в малых плотностях тоже есть загиб. Только теперь малые плотности позитива будут являться светами.
Таким образом, позитив имеет логарифмический загиб в светах, а негатив - в тенях. В результате получается S-образная кривая с двумя загибами, которая называется логистической (S-log).
Теперь произведем преобразование формата ЦИФРОВЫХ данных. Самые светлые места (отсутствие фактуры в белом) имеют значение «255». Запишем это значение как 2,55. И тогда вся шкала в режиме «8 бит/канал» примет значения от 2,55 (самое светлое) до 0 (самое темное). Поэтому появляется возможность для построения графика пользоваться численно той же самой вертикальной шкалой бланка.
Сфотографирует оптический клин сенситометра планшетником.
Характеристическая кривая матрицы фотоаппарата на планшетнике заметно отличается от плёночной кривой, особенно в светах.
В светах наблюдается резкий излом, отсутствует плавный загиб. Это приводит к тому, что фактура светлых объектов будет резко исчезать при небольшом увеличении яркости.
Возьмём за границу потери фактуры в светах 10 единиц от максимального значения яркости (от 255), и такую же границу, в 10 единиц, отметим с тёмного края. Получится интервал от 10 до 245, в котором ниже "10" всё уходит в непроглядную черноту, выше 245 - всё выбеливается. А внутри этого интервала детали видны. Соответственно проекцию этого интервала на горизонтальную ось, мы и будем называть широтой - участок в котором прорабатываются детали от чёрного до белого. А выражать этот интервал будем в ступенях экспозиции. Тогда получится, что широта, которую обеспечивает фотоаппарат планшетника – это всего 4 с половиной ступени, в то время как в плёночном процессе – это 6 ступеней.
Как считаются эти "ступени", вы увидите чуть ниже, когда на кривой синего цвета будут сделаны вертикальные линии-отметки, соответствующие интервалу в одну ступень. Звездочки на синей кривой означают интервал в полступени. Одна ступень - это изменение количества света в 2 раза. Изменение значения диафрагмы на одно деление (например, с 4 до 5,6) - это тоже 1 ступень, уменьшение количества проходящего света в 2 раза.
Фотоаппарат сотового телефона имеет кривую, внешне похожую на кривую планшетника, с таким же резким изломом кривой в светах. Однако в тенях наблюдается более плавный загиб.
Резкий слом кривой в светах приводит к тому, что любое высветление на лице уже приводит к неприятным последствиям потери фактуры. Вот два примера.
За счет загиба в тенях увеличивается передаваемый интервал яркостей, фотографическая широта приближается к “классическому” значению в 5 с половиной ступеней. Однако эту широту можно увеличить за счет режима HDR (High Dynamic Range), который на практике осуществляется за счет двукратной съемки объекта с разным выставленным значением экспозиции. При этом широта увеличивается до 8 ступеней за счет более плавной передачи градаций в светах.
На фотографии пересвеченные объекты (света) получают проработку.
И, конечно, в таком варианте (в режиме HDR), фотографическая широта становится больше, чем у плёночного процесса – лучше проработка как в светах, так и в тенях.
Были также выявлены ХК цифрового фотоаппарата Canon Mark II для формата jpg и формата RAW, когда RAW вытягивался в Фотошопе до передачи максимально большего интервала яркостей .
Вы сами по фотографии можете посчитать количество передаваемых ступеней от белого до чёрного. Каждое поле на сенситограмме - это шаг в полступени, два поля - одна ступень. Сосчитайте количество проработанных полей и разделите на 2. Это и будет широта.
В RAW-файле фотографическая широта может достигать 9-10 ступеней.
Интересно отметить, что формат jpg дает кривую, очень близкую к ХК плёночного процесса.
С точки зрения образовательного процесса во ВГИКе это означает, что войдя в павильон и сделав кадр в формате jpg на цифровой фотоаппарат, студент уже может увидеть, какой примерно результат он получит на киноплёнке по распределению яркостей в кадре. Небольшая разница будет наблюдаться только в самых тенях.
Не обошли мы вниманием и видеокамеру ARRI Alexa.
Коэффициент контрастности изображения на видеокамере 1,36 позволяет получить интервал в 8 ступеней широты по сравнению с 6 ступенями широты на киноплёнке при результирующей контрастности 2,09.
При анализе использовалась компьютерная программа сенситометрического контроля, предназначенная для плёночных киноматериалов.
Таким образом, предложенный мною способ преобразования формата записи данных, позволяет выводить на один бланк характеристические кривые как плёночных, так и цифровых носителей и наглядно сравнивать их по коэффициенту контрастности и передаваемой фотографической широте.
Вы сами можете попробовать построить в Exel характеристическую кривую, которую даёт фотоаппарат Canon Mark II. Вот съёмка оптического клина в формате jpg:
А вот тот же кадр в формате RAW. Поскольку Дзен не заливает такой формат, дам ссылку, откуда можно скачать этот кадр. Экспериментируйте!
*
Более подробное изложение, что такое плотность, экспозиция, как строится характеристическая кривая и как по ней определяются основные параметры (светочувствительность и контрастность), вы можете прочитать вот здесь: "30 страниц про характеристическую кривую".
*
С вами был кинооператор Л.Коновалов. До новых встреч!
