В ожидании цифрового кино

Форматы проекции и проецируемых изображений.

Международное законодательство об охране авторских прав требует, чтобы при воспроизведении видеоматериалов их авторские форматы сохранялись. Форматные разновидности изображения возникли в процессе развития кинематографа; к настоящему времени сохранились в основном те из них, которые использовались при съемках на 35-мм кинопленку. По отношению высоты к ширине снимаемых кадров это — 1:1,33 и 1:1,37 (примерно 3:4, немое и звуковое кино), 1,66:1 и 1,85:1 (WideScreen) — широкоэкранное кино с кашетированным кадром и 1:2,35 (CinemaScope) — широкоэкранное кино с анаморфированным кадром (рис. 1).
   Широкоэкранные изображения у кинофильмов с кашетированным кадром формируются форматной выборкой 1:1,66 или 1:1,85 с помощью введения соответствующих ограничительных рамок (кашет) и занимают лишь часть площади нормального 35-мм кадра. Напротив, изображение, снятое по системе CinemaScope, занимает всю полезную площадь пленочного кадра, но при этом сжато (деформировано) по горизонтали. Для восстановления исходных пропорций объектов, снятых на CinemaScope, изображение при проекции вдвое расширяется по горизонтали с помощью специального объектива или оптического анаморфотного компонента (насадки), добавляемого к основному объективу проектора. Широкое распространение получили также экранные форматы 1:1,33 (3:4) и 1:1,78 (9:16) для телевидения стандартной (SD) и высокой (HD) четкости. Как показано на рис. 1, формат 1:1,78 занимает центральное положение среди перечисленных вариантов. Он является основным для электронного кинотеатра и авторских DVD-версий широкоэкранных кинофильмов.

Планировка кинозала.

Рис.1. Форматы кинематографических и телевизионных изображений

Рис. 2. Демонстрационный кинозал в одном из салонов «М-Видео»

Так как на начальной стадии развития кинематографа кинопроекторов с большими световыми потоками не было, а кино хотели смотреть все, нормальным с точки зрения вместимости считался прямоугольный зал, длина которого в 5 раз превышает ширину экрана. В дальнейшем световые потоки проекторов увеличились, и стали появляться кинотеатры с 4-кратной по отношению к ширине экрана длиной зала, отличающиеся лучшей различимостью деталей изображения с последнего ряда зрителей. Типовая для 50-х годов планировка такого зала и горизонтальные поля зрения экрана с первого и последнего ряда зрителей показаны на рис. 2. Ширина такого зала и экрана составляют 2/3 и 1/4 длины зала соответственно, а расстояние от экрана до первого ряда зрителей — не менее полуторной ширины экрана (или 2 высоты).
   На рис. 6а и б показаны вертикальный разрез и планировка кинотеатра «Россия» на 2500 зрителей, построенного в 1961 г. в Москве как универсального для показа фестивальных кинофильмов, т.е. любого формата изображения и системы звукового сопровождения (сегодня этот кинотеатр называется «Пушкинский»). Из этих чертежей видно, что по мере развития кинематографа хорошие кинотеатры становились в плане все более «квадратными», и их вместимость увеличивалась как за счет расширения зрительного зала, так и добавления балконного яруса мест. В зале применена нисходящая проекция из аппаратной, расположенной выше балконного яруса.
   При проектировании новых кинотеатров и реконструкции больших залов используются планировки, отвечающие специально разработанным требованиям. Параметры одной из них со зрительным залом на 250 мест приведены в табл. 1. Так как в кинозале могут демонстрироваться обычные и широкоэкранные фильмы, как правило, применяется универсальный экран самого широкого формата (1:2,35) с моторизованными шторами или кашетами, заслоняющими его избыточную часть при показе фильмов других форматов. В данном случае ширина и высота универсального экрана составляет 10 и 10:2,35=4,26 м, а углы визирования по вертикали с первого и последнего ряда зрителей — 32 и 14 градусов соответственно. Углы визирования широкоэкранного и обычного изображения по горизонтали из центральных мест первого ряда зрителей при этом будут составлять примерно 68 и 42 градуса.

Различимость объектов, их деталей и пикселизация экранного изображения.

Рис. 3. Типовая планировка зала

Рис. 4. Камера Thomson Viper FilmStream оборудована тремя ПЗС-матрицами по 9,2 мегапикселя. Возможны три режима работы: передача компонентного сигнала через интерфейс HD-SDI, вывод полного сигнала RGB (4:4:4) через два канала HD-SDI и режим FilmStream

Таблица 1.

Как известно, с удалением от наблюдателя видимость объекта и особенно его деталей ухудшается. Человек, например, хорошо различим с расстояния 5–10 метров, но морщины на его лице заметны с удаления не более двух метров. Следовательно, если актер показывается на экране в полный рост, зрители, удаленные от него на 5 и более метров, будут плохо различать детали костюма, не говоря уже о выражении глаз и т.п. Достаточно внимательно посмотреть на экран телевизора, чтобы убедиться: показываемые на нем изображения общих планов имеют плохо различимые детали (рассмотреть лица актеров почти невозможно). Поэтому сюжетно важные объекты фильма показываются на экране значительно увеличенными, а, чтобы улучшить восприятие игры актера, его лицо показывают крупным планом, т.е. на большой поверхности экрана.
   Число, показывающее, во сколько раз ширина или высота экрана больше ширины или высоты проецируемого кадра, называется линейным увеличением кадра при проекции. Как следует из чертежа, показанного на рис. 5, линейное увеличение можно определить как отношение проекционного расстояния L к фокусному расстоянию f проекционного объектива. Линейное увеличение при проекции пленочных кинофильмов обычно не превышает 700 единиц, и слишком большие экраны не используются даже при достаточном световом потоке проектора. Качество изображения на них получается плохим из-за ненормально крупных для зрителей фигур актеров, различимой зернистости проецируемого изображения и недостаточной резкости (особенно для близких к экрану зрителей). Оптимальное поле зрения экрана в классических кинотеатрах обычно реализуется в средних рядах зрительного зала, где обеспечивается незаметность зернистости и при этом достаточной остается различимость мелких деталей изображения. Кроме того, здесь комфортно воспринимается вся картинка в целом: при просмотре не надо поворачивать голову, следя за динамичными фрагментами кадров.
   Предпочтительное расстояние от зрителей до экрана и угол его визирования при просмотре цифровых изображений зависят от размера экрана и разрешения системы. Исследования показали, что зрители предпочитают сидеть ближе к экрану и видеть его под углом больше 30 градусов. Ощущение реальности (эффект присутствия) увеличивается с возрастанием угла до 100 градусов, пока не становится различимой пиксельная структура изображения в виде наложенной на него сетки.
   Принято, что разрешающая способность зрения составляет одну угловую минуту (такой угловой размер характерен для звезд на ночном небе). Следовательно, за границу неразличимости пиксельной сетки на экране может быть принято такое расстояние от экрана до первого ряда зрителей, при котором на один градус визирования экрана приходится 60 пикселей. Вместе с тем пиксели ЖК-проекторов, модулирующие свет при пропускании, представляют собой квадраты, разделенные непрозрачными перегородками, размер которых приблизительно в 2,5–3 раза меньше прозрачной (активной) части пикселя. Допустим, что экранное изображение формата 1:1,78, создаваемое проектором с такими модуляторами, содержит 1080 горизонтальных линий по 1920 пикселей. Тогда границей неразличимости сетки будет такое расположение первого ряда, с которого на каждый пиксель изображения по вертикали приходится не более 1+(2,5–3)=3,5–4 угловых минут визирования. Поле зрения всего изображения составляет при этом (3,5–4)x1080:60=63°–72° по вертикали и (3,5–4)x1920:60=112°–128° по горизонтали, что соответствует отношению высоты экрана к расстоянию до первого ряда зрителей в пределах 0,8–0,7. У проекторов с модуляцией отражаемого светового потока расстояния между пикселями меньше, что обеспечивает неразличимость пиксельной сетки при использовании таких проекторов с меньшим разрешением.
   Если воспользоваться критерием «не более 4 угловых минут на пиксель» для неразличимости пиксельной структуры широкоэкранного изображения в кинозале с планировкой, показанной в табл. 1, то картинка должна содержать не менее 68x60:4=1020 пикселей в каждой линии по горизонтали. Этим требованиям удовлетворяют проекторы с разрешением не менее 1024x(1024x9:16)=1024x576 (WXGA в терминологии компьютерной графики, принятой для классификации видеопроекторов).
   Вывод первый: разрешение проекторов в электронном кинотеатре должно быть не ниже уровня WXGA.В публикациях по домашнему кинотеатру, как правило, советуют располагать фронтальные акустические системы (АС) на расстоянии не менее 2 метров друг от друга по критерию лучшего проявления акустически центрального образа, а расстояние от слушателей до АС выбирать несколько большим расстояния между ними. Угловое расстояние между фронтальными АС, визируемое при этом зрителями, составляет приблизительно 45°–60°. Именно такой угол (45°), по мнению специалистов кинокомпании «ХХ век-Фокс», является оптимальным для визирования экрана по горизонтали, так как при этом обеспечивается хороший эффект присутствия и незаметность дефектов изображения.
   Вывод второй: ширина экрана не должна быть меньше расстояния между фронтальными акустическими системами.

Технологии проецирования.

Рис. 5. Элементарная схема проекции

Как известно, двух- (и более) метровые изображения могут создавать проекторы и единичные модели плазменных панелей. К тому же кинескопные телевизоры — это громоздкие и вредные для зрения устройства, которые не рекомендуется продолжительное время смотреть при угле визирования экрана более 30° (т.е. из гигиенических соображений дистанция просмотра должна быть не меньше пяти высот экрана). Наиболее близкими к кинематографическим требованиям и по биологической совместимости являются изображения, проецируемые жидкокристаллическими (LCD, D-ILA, LCOS, SXRD) видеопроекторами. Этими проекторами изображения передаются не построчно, как в телевизорах, и не в виде совокупности усредняемых зрением субполей только с минимальной или максимальной яркостью цветных пикселей, как в плазменных дисплеях, а в виде последовательности готовых слайдов, т.е. почти так же, как в пленочном кинематографе. Все пиксели этих слайдов обновляются одновременно с кадровой или кратной ей частотой, причем без гашения экрана и обтюраторного перекрытия кадрового окна, необходимого в телевидении и классическом кинематографе для незаметности обратного хода развертки и смазов изображения при пленочных кадросменах (см. «Сегодня на экране», S&V 10/2001, особенностям различных технологий формирования изображения мы посвятим отдельную статью в ближайших выпусках Stereo).
   Специфическую психологическую нагрузку в виде зрительного усреднения яркостей и цветовых оттенков всех деталей каждого кадра создают изображения, формируемые микрозеркальными проекторами (DLP). Давно замечено, что цветовая палитра изображений, создаваемых одночиповыми (Single Chip) DLP-проекторами, воспринимается зрителями по-разному, и их просмотр приводит к утомляемости из-за необходимости зрительного усреднения яркости и особенно цветности пикселей. Словом, существует обоснованное мнение, что DLP-изображения не вполне совместимы с человеческой природой, и Single Chip DLP-проекторы, хотя и являются идеальными для мобильных презентаций, в домашнем кинотеатре должны применяться с некоторыми ограничениями.

О важности характеристик и формы экрана.

Рис. 6а. Вертикальный разрез зрительного зала кинотеатра «Россия»: 1 — экран; 2 — подвесной потолок; 3 — эстрада; 4 — балкон; 5 — аппаратная; 6 — положение зрителя в первом и последнем рядах партера

Рис. 6б. План зрительного зала кинотеатра «Россия»: 1 — аппаратная; 2 — электросиловая; 3 — перемоточная; 4 — фильмохранилище; 5 — радиоузел; 6 — кабины переводчиков

Было бы ошибочным считать достаточными условиями для качественного показа видеофильмов приобретение только высококлассной аппаратуры (видеопроектор, проигрыватель HD DVD, акустика). Весьма важную роль играет качество экрана, на котором демонстрируются фильмы. Здесь уместно сравнение со звуковоспроизведением, впечатление от которого сильно зависит от акустического оформления помещения и соответствия ему применяемых акустических систем. Допустим, решено не тратиться на фирменный экран, а использовать в качестве него поверхность белой стены или нечто похожее из доступных материалов. Как следует из табл. 2, при этом можно бесполезно потерять больше половины светового потока проектора. Другими словами, при одинаковой яркости изображения может дешевле обойтись покупка сравнительно недорогого проектора и фирменного экрана, чем мощный проектор без специального экрана. Достоинством фирменных экранов является использование в них высококачественных материалов и покрытий. Они характеризуются не только высокими коэффициентами отражения, но и стойкостью к разного рода внешним воздействиям (например, появлению плесневых грибков). Большинство фирменных экранов моющееся, а некоторые акустически прозрачны и огнестойки. Разработаны технологии покрытий, придающих экранам свойства оптического усиления яркости изображения при просмотре с центральных мест зрительного зала.
   По рекомендациям, разработанным для кинозалов с планировкой, приведенной в табл. 1, экран должен обладать высокой и равномерной отражательной способностью, быть акустически прозрачным и изогнутым по радиусу, равному проекционному расстоянию. Последнее обеспечивает условия для установки за экраном акустических систем (АС) фронтальных каналов, лучшую равномерность яркости экрана и фокусировку изображения на нем. Акустически прозрачные экраны имеют множество перфорационных отверстий, занимающих около 15 процентов их площади и высокоотражающее покрытие, обеспечивающие яркое изображение даже с учетом потерь светового потока на этих отверстиях. Пространство за экраном акустически заглушается, и для лучшей акустической связи с отверстиями эти АС устанавливаются как можно ближе к полотну экрана, не касаясь его. Так, расстояние от излучающих поверхностей высокочастотных головок АС до экрана не должно превышать 10 мм, что снижает отражение звука поверхностью экрана. По этой же причине рекомендуется устанавливать сабвуфер не за экраном, а под ним на полу или небольшом возвышении между нижней кромкой экрана и полом зала или сцены, как можно ближе к стене за экраном. Для расширения зоны стереоэффекта в зале АС левого и правого каналов целесообразно устанавливать ближе к краям экрана, на расстоянии около 50 см от его обрамления. Если АС находятся слишком далеко от экрана, и отверстия в нем малы, экран для звука становится почти непроходимым. При этом пространственная локализация источников звука будет слабовыраженной, так как в основном будет восприниматься звук, который огибает экран.

Яркость экранного изображения, его размеры и световой поток проектора.

Рис. 7. Изображения разных форматов, проецируемые на универсальный киноэкран

Яркость экрана определяется при проецировании на него белого поля как отношение силы света, излучаемого экраном в визируемом направлении, к его площади, видимой с этого направления.
   Площадь экрана S (кв. м) с высокой отражательной способностью оценивается выражением S=Ф/pЕ, где Ф — световой поток (лм), а Е — яркость экрана (кд/кв. м). Проекционные расстояния, необходимые для получения изображения нужных размеров, зависят от проекционной оптики. Популярными среди специалистов по кинотехнике единицами яркости являются ламберт (1L=104/p кд/кв. м) и фут-ламберт (лм/кв. фут, 1fL=3,426 кд/кв. м). Так, для яркости экрана в коммерческих кинотеатрах в США установлен норматив 16fL≈55 кд/кв. м, являющийся номинальной величиной по стандарту SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers). Так как яркость киноэкрана измеряется при отсутствии пленки в кадровом окне проектора, а на ней из-за поглощения света теряется заметная часть светового потока, SMPTE для видеопроекторов принят норматив 12fL≈41 кд/кв. м. Удобная формула b=0,1(Ф)1/2 позволяет оценить ширину экрана формата 16:9 при его яркости 56,6 кд/кв. м.
   Вывод третий: так как реальный световой поток даже у нового видеопроектора обычно на 25% меньше рекламируемого и уменьшается по мере расходования ресурса лампы — паспортный световой поток проектора должен как минимум в 150 раз превышать площадь экрана (в кв. м).

Широкоформатные и типовые мультимедийные проекторы.

Рис. 8. Видеопроектор InFocus ScreenPlay 777

Таблица 2.

Таблица 3.

Видеопроектор для электронного кинотеатра должен обеспечивать проекцию с максимальным заполнением экрана формата 1:2,35 при достаточной яркости и разрешающей способности. На рис. 7 условный экран формата 1:2,35 обведен рамкой (его края закрашены пурпурным цветом) и показано, как на такой экран ложатся изображения от проекторов с широкоформатным (9:16) кадровым окном при точном заполнении такого экрана по ширине. Так как изображения менее широкоэкранных форматов выступают за экранную рамку по вертикали, их нужно масштабировать с уменьшением от 2,35:1,85≈1,27 до 1,34 для изображений, полностью занимающих кадровое окно проектора по высоте. В результате изображения форматов 1:1,78 (зеленый фон) и 1:1,33 (голубой фон) должны оказаться внутри рамки (рис. 7). Следовательно, проектор для электронного кинотеатра должен быть укомплектован сменной оптикой, обеспечивающей требуемые проекционные отношения, или вариообъективом с достаточной кратностью масштабирования. Конечно же, второй вариант более удобен в эксплуатации, так как не требует смены оптики при показе кинофильмов с разными форматами изображения, но далеко не все проекторы могут быть укомплектованы подходящими для конкретных залов вариообъективами.
   Подавляющее большинство мультимедийных проекторов оснащены модуляторами света формата 3:4, объективами с кратностью масштабирования до 1,3, и их основным назначением является отображение компьютерной графики. У них предусмотрено формирование и иных форматов проекции с выключением избыточной части пикселей модуляторов, отображение композитного, S-Video и компонентных видеосигналов. Мощные проекторы из этой серии могут комплектоваться сменной оптикой, но они не эффективны по полезному использованию светового потока и разрешающей способности по вертикали для широкоэкранных изображений. Действительно, при показе изображений формата 9:16 или 1:2,35 проекторами с модуляторами формата 3:4=12:16 кашетируется 3 или 5 из 12 частей полного светового потока, т.е. 25 или 40%. Поэтому номинальный световой поток мультимедийного проектора с модуляторами формата 3:4 при его применении для обслуживания широкого киноэкрана должен быть в 2,5 раза больше по сравнению с необходимым для обычного экрана. Если, например, самый широкий экран (1:2,35) обеспечивается при минимальном фокусном расстоянии проекционного объектива, то для обслуживания экрана такой же высоты при других форматах проекции потребуется сменная оптика или вариообъектив с кратностью масштабирования 2,35:1,33=1,76. Следовательно, широкоформатные проекторы по сравнению с типовыми формата 3:4 при одинаковом световом потоке и яркости экранного изображения обеспечивают на 33% большую площадь экрана формата 1:2,35. Очевидно, разрешение по вертикали уменьшается при этом у широкоэкранных проекторов на 24%, а у обычных (3:4) — на 43% по сравнению с номинальным.
   Таким образом, вывод четвертый: в электронном кинотеатре гораздо выгоднее использовать широкоформатные проекторы.

Широкоформатные проекторы 2003/ 2004 года.

Рис. 9. Компания Sony выпустила два видеопроектора, SRX-R105 и SRX-R110, с разрешением 4K (4096х2160). Стоит отметить, что при размере пикселя на SXRD-матрице около 8,5 микрона, межпиксельное расстояние составляет всего 0,35 микрона, т.е. почти в 25 раз меньше! Это значит, что пиксельная структура изображения на экране будет совсем незаметна, т.е. изображение будет наиболее близким к кинематографическому. Световой поток проекторов составляет 5 и 10 тыс. ANSI-люмен, что позволяет осуществлять проекцию на экраны до 25 метров по диагонали. Контрастность 2000:1.

Обратимся теперь к табл. 3, в которой приведены параметры последних моделей широкоформатных видеопроекторов. Самой высокой разрешающей способностью для доступных на рынке широкоформатных проекторов пока является 1920x1080=2073600 (2К) пикселей. К их числу относятся модели Sanyo PLV-HD10 и Sony Qualia 004, о которых сообщалось в предыдущих публикациях. Объявлено о начале продаж в России текущим летом новинок JVC DLA-HD2K и InFocus ScreenPlay 777. Последняя является пилотной для средней категории цен моделью 3-чиповых DLP-проекторов. ScreenPlay 777 заметно превосходит другие модели по контрастности изображения, но уступает по разрешению. Появились сообщения, что микрозеркальный чип с разрешением 1920і1080 уже разработан, что неминуемо приведет к появлению соответствующих проекторов и уменьшит шансы проекторов других категорий прорваться на рынок аппаратуры для D-Cinema.
   Фирма JVC Professional Products раньше других добилась впечатляющих успехов в создании высокоразрешающих D-ILA-проекторов, но широкоформатные модели стала поставлять только в этом году, причем преимущественно для домашних кинотеатров (световые потоки до 1000 лм). В настоящее время компания Sanyo Electric выпускает широкую номенклатуру широкоформатных проекторов (5 моделей), в том числе самых ярких, параметры которых приведены в табл. 3. Их достоинствами являются: широта набора сменной оптики и наличие моторизованных функций Lens Shift, что позволяет использовать эти проекторы в любых помещениях как по одному, так и в группе обслуживания общего экрана с кратным увеличением светового потока; высокая надежность, обеспеченная дублированием ламп, исключает срыв сеанса при их отказах. Единственное, что пока ограничивает перспективность их кинематографического применения, это невозможность работы с компонентными видеосигналами версии 1080/24р. Фирма Sony начала производить широкоформатные проекторы первой (с 1998 г.), и сейчас они выпускаются в сериях VPL-WV, Cineza и элитной Qualia. О проекторе Qualia 004 известно, что он реализован по новейшей технологии SXRD (Silicon X-tal Reflective Display) c отражающими ЖК-модуляторами диагональю 0,78", отличающимися малым расстоянием между пикселями (0,2 мкм при шаге пикселей 9 мкм). Кроме того, эти модуляторы характеризуются в 3–4 раза меньшим временем отклика (около 5 мс) по сравнению с обычными ЖК-модуляторами. В совокупности эти качества делают ЖК-проекторы технологии SXRD вполне конкурентоспособными по отношению к 3-чиповым микрозеркальным DLP-проекторам.
   В конце табл. 3 приведены параметры просмотрового помещения и размеры универсального экрана, рассчитанные на основе данных производителей и нормативных требований к яркости применительно к планировке, показанной в табл. 1.
   Так как условия комфортности просмотра требуют не менее 1 кв. метра площади зала на каждого зрителя, можно сделать пятый вывод: световой поток нового проектора должен как минимум в 35 раз превышать количество зрителей в просмотровом помещении кинотеатра.
   Завершить обзор хотелось бы на оптимистической ноте, а именно: на сайте европейского спутникового канала высокого разрешения Euro1080 (www.euro1080.tv) появилась информация о том, что в ряде европейских городов, в специально оборудованных для электронного кинопоказа кинотеатрах, ведутся прямые трансляции матчей чемпионата Европы-2004 по футболу в формате телевидения высокой четкости (1920х1080). Значит, цифровое кино уже смотрят в Европе, и его появление на просторах России — вопрос ближайшего времени.

Пример киноинсталляции

В стенах санкт-петербургского салона «AV-Lux» недавно был организован небольшой демонстрационный кинозал. Использован CRT-видеопроектор Barco Cine 8 с системой LimoPro (учетверитель строк). Акустика кинотеатра — шесть АС Genelec 1037B и два сабвуфера Genelec 7071A, электроника Krell. Вся аппаратура, акустика и кабели полностью не видимы для зрителя, так как располагаются в специальных нишах. Помещение площадью 60 кв. м было акустически подготовлено — использованы звукопоглощающие материалы, такие как пробковое дерево, резина, газобетон. Все управление кинотеатром производится с одного пульта (система Smart Home), включая управление светом и климат-контроль.