Мы снимаем 3D кино Первая студия по производству фильмов в формате 3D

Проекция стереоскопических фильмов по системе «Стерео-70»

Проекция стереоскопических фильмов по системе «Стерео-70»
А.Г. Болтянский, Н.А. Овсянникова, Д.Р. Ханукаев

(Впервые опубликовано в советском научно-техническом журнале "Техника кино и телевидения", №4 - 1978 год). Статья продолжает цикл публикаций выдающихся советских учёных научно исследовательского кино-фото-института (НИКФИ), г. Москва, которые в 1963 году разработали самую совершенную в мире технологию съёмки и проекции 3D (стереоскопических) фильмов - Стерео-70, аналогов которой нет и по сей день. Достижения советских учёных (и в частности данная технология) в сфере объёмного кинематографа (включая безочковое 3D кино и голографический кинематограф) были отмечены специальным Дипломом Американской киноакадемии "Оскар" в 1991 году. Сегодня в России существует современный вариант этой Оскароносной технологии - разработка НИКФИ и МКБК - современная цифровая моноблочная 3D камера "Phantom-Z65с широким набором стерео-оптики и базисных насадок, отвечающая всем современным требованиям профессионального кинематографа.

Стереоскопический кинематограф сегодня — один из видов кинопоказа, которым обслуживается советский зритель наряду с другими видами «плоского» кино: обычным, широкоэкранным, широкоформатным и кашетированным. Это стало возможно благодаря тому, что комплекс технических средств, объединенных в систему «Стерео-70», был разработан на базе широко применяемых в кинематографии оборудования и технологии [1, 2]. В настоящее время в СССР функционируют шесть кинотеатров с числом мест более 2000. В ближайшее время должны быть открыты ещё три стерео-кинотеатра, количество зрительских мест тогда превысит 3000, а это значит, что стереофильмы смогут смотреть ежегодно 6 — 8 млн. человек.

В репертуаре стерео-кинотеатров имеются четыре полнометражных художественных стереофильма, снятых по системе «Стерео-70»: «Нет и да» студия «Мосфильм», режиссёр А. Кольцатый, оператор К. Новиков), «Таинственный монах» (киностудия «Мосфильм», режиссёр А. Кольцатый, кинооператор П. Терпсихоров), «Парад аттракционов» - киностудия имени М. Горького, (режиссер А. Адриевский, оператор Д. Суренский), «SOS над тайгой» (киностудия «Мосфильм», (режиссёр А. Кольцатый, оператор Н. Большаков) — и два короткометражных стереофильма: «Вашу лапу, медведь» (киностудия «Мосфильм», режиссер Т. Лисициан, оператор А. Панасюк), «Осенние этюды» (киностудия «Мосфильм», режиссер-оператор Н. Большаков). Выходят на экран художественный полнометражный стереофильм «Замурованные в стекле» (киностудия имени М. Горького, режиссер А. Андриевский, оператор Ю. Малиновский) и короткометражные: кукольный мультипликационный фильм «Сувенир» (киностудия «Мосфильм», режиссер Э. Туганов, оператор, Нуут) и видовой фильм «Здравствуй, Сочи!» - студия «Мосфильм», режиссер Г. Бреннер, кинооператор Н. Рожков.

Вопрос о качестве стереопоказа приобретает в настоящее время первостепенное значение. Ответственность за качество демонстрирования усугубляется еще тем, что большинство зрителей впервые знакомится не только со стереоскопическим кино, но и с самим явлением искусственно создаваемого стереоэффекта.

Основные требования к проекции стереофильмов 
Напомним, что восприятие объёма определяется в жизни в основном бинокулярным эффектом. Благодаря зрению двумя глазами у человека возникает чувство пространства, которое подтверждается и монокулярными факторами (перекрыванием дальних объектов ближними, линейной и цветовой перспективой и др.).  

Стереоэффект появляется вследствие незначительной разницы между тем, что видит правый и левый глаз. Когда человек смотрит на какой-то объект, то каждый глаз видит его со своей точки, поэтому изображения на сетчатках глаз в зависимости от расстояния до наблюдаемого объекта получают тот или иной горизонтальный параллакс. Наличие этого параллакса в конечном итоге и обусловливает возникновение трёхмерного образа у наблюдателя. 
Киносъёмочный аппарат для стереосъёмки повторяет схему зрения человека: он имеет два объектива левый и правый, которые образуют одновременно левое и правое изображения. На негативе стереофильма, снятого двухобъективным аппаратом, размещаются стереопары кадров. Стерео-фильм представляет собой последовательность стереопар кадров. Предназначенная для демонстрирования в стереокинотеатре копия стереофильма (рис. 1) соответствует ГОСТ 11250 — 74 во всем, кроме размеров изображения .[3, с. 23]. 

Рис. 2, 3 и 4 иллюстрируют поэтапно: получение стереопары на киноплёнке при съёмке пространственно расположенных точек (рис. 2), проекцию стереопары и наложение левого и правого изображений кадров на экране 9рис. 3), наблюдение двумя глазами зрителя спроецированных и наложенных на экране кадров стереопары, в результате чего возникает пространственное изображение (рис. 4).



Рассмотрим, какие факторы определяют качество стереоизображения, наблюдаемого зрителем в стереокинотеатре.
Основные характеристики стереоизображения закладываются при съёмке:
  • геометрические размеры будущего трёхмерного изображения, включая величины параллаксов, которые определяют его глубинные размеры;
  • распределение пространственного изображения относительно плоскости экрана (рампы) на предэкранное и заэкранное;
  • детальность передачи глубины, подробность воспроизведения третьего измерения. 
Надо отметить, что «глубинная» разрешающая способность, так же как и разрешающая способность в обычном для киноизображения понимании, зависит от качества системы «объектив — плёнка), но по численной величине бинокулярная разрешающая  способность в полтора-два раза выше монокулярной. Именно «глубинная» разрешающая способность определяет предел проекционного увеличения (до 250 — 350×). 



Основным этапом в процессе получения объёмного изображения является проекция. Оба кадра стереопары одновременно проецируются на экран, причём изображения левого и правого кадров на экране накладываются так, чтобы были совмещены рамки кадров и точки плоскости рампы. Точки левого и правого кадров, совмещенные на экране как точки с нулевым параллаксом), определяют пространственное положение их изображений в плоскости экрана. Точки с положительным параллаксом воспринимаются лежащими за экраном, с отрицательным — впереди него, т. е. внутри зала. Величины горизонтальных параллаксов на плёнке представляют десятые доли миллиметра, а на экране - несколько сантиметров.



При наладке стереопроекции главной задачей является обеспечение высокого качества проекции каждого из двух кадров стереопары и их правильное наложение на экране. Надо помнить, что эти два экранных изображения определяют изображения на сетчатках глаз одного человека — каждого зрителя, следовательно, изображения на экране должны быть одинаковыми по размеру, резкости, цвету и яркости, т. е. быть такими, будто они получены от одного пространственного объекта. По этой же причине изображения должны быть наложены так, чтобы точка О' находилась в плоскости экрана, т. е. О'л  и  О'п, совмещались бы на экране в одну точку (см. рис. 3). Ошибка  по горизонтальному параллаксу (Ро ≠ 0) вызывают перемещение всей пространственной картины вперёд или за экран. Большие ошибки параллакса могут вызвать зрительное утомление, а затем и разрушение стереоэффекта. Смещение левого изображения относительно правого по вертикали (вертикальный параллакс) недопустимо, так как при этом нарушается правильность условия наблюдения и появляется ощущение неудобства. Указанные требования должны обеспечиваться техническими средствами проекции стереофильмов.



Следующий необходимый для полноценного восприятия стереоэффекта фактор — фактор сепарации, т. е. строго раздельное, сепарированное наблюдение каждым глазом зрителя одного, ему соответствующего изображения стереопары: левым глазом левого, правым — правого. Существует несколько систем сепарации для стереокино. 
Безочковая система, обеспечивающая разделение изображений с помощью специального экрана, безусловно, по идее наиболее совершенная система. Однако все известные безочковые методы (в том числе и с линзо-растровым экраном, осуществлённая в своё время в Советском Союзе) имеют ряд технических ограничений и технологических трудностей в изготовлении и эксплуатации, не позволяющих сегодня использовать эти методы для больших стереоизображений. 

Из очковых методов наилучшим является метод стереопроекции в поляризованном свете, дающий возможность проецировать цветное изображение. Специфические технические средства метода достаточно просты: это фильтры-поляризаторы для проекционных объективов, поляроидные очки для зрителей и металлизированный киноэкран.
На качество изображения влияют также и условия наблюдения. Пространственное изображение от стереопары строится внутри пирамиды, вершиной которой является зритель, а основанием рамка экрана; в продолжении пирамиды формируется заэкранное изображение, в вершинной части изображение, выходящее в зал. Где бы ни находился зритель, изображение как бы следует за ним. Эта особенность стереопары позволяет каждому зрителю независимо от его места в зале воспринимать стереоэффект так, как его задумали режиссёр и оператор; например, вылетающая из экрана птица подлетает к каждому зрителю, актёр с экрана также обращается к каждому из них.

Однако то, что форма зрительской пирамиды зависит от места зрителя в зале, вносит некоторые геометрические искажения в пространственную картину: для зрителя, сидящего далеко от экрана, изображение будет растянуто, для сидящего близко сжато, для сидящего сбоку вся картина будет повернута к нему. Это обстоятельство заставляет ограничить пространство зрительного зала зоной, в которой геометрические искажения формы не превышают уровня заметности.

Технические средства кинопроекции системы «Стерео-70»

Кинопроектор. Для проекции стереофильмов применяются серийные универсальные отечественные кинопроекторы КП-ЗО, КП-15, КПК-30, КПК-15; могут быть использованы также зарубежные кинопроекционные аппараты «Меопта», «Пиркон», «Филипс» и другие 70-мм кинопроекторы. Кинопроектор, как и киносъёмочный аппарат, снабжается двухобъективным устройством стереоприставкой ПС-1, которая устанавливается вместо обычного объектива (рис. 5). Каждый объектив стереоприставки, изображенной на рис. 6, проецирует свой (левый и правый) кадр стереопары. Расстояние между объективами в приставке равно расстоянию между центрами кадров стереопары на фильме. В конструкции предусмотрены юстировочные движения объективов вдоль оси — для уравнивания резкости изображений на экране, перпендикулярно оси в вертикальной плоскости для устранения вертикального параллакса и перпендикулярно оси в горизонтальной плоскости - для правильного совмещения изображений по горизонтали и тем самым для установки заданного распределения воспроизводимого пространственного изображения на предэкранное и заэкранное. Юстировка стереопары на экране производится по тест-фильму (рис. 7). Правильная проекция стереопары обеспечивается совмещением на экране двух перекрестий с левого и правого кадров.
Стереоприставка ПС-1 включает в себя кассету с поляризационными светофильтрами. Кадровая рамка фильмового канала имеет окна в соответствии с размерами стереопары на киноплёнке. В эксплуатации находятся стереоприставки с тремя видами объективов ОКП2-65-1, ОКП2-85-1 и РО-500-1, фокусные расстояния которых соответственно равны 65, 85 и 90 мм.

Поляризаторы. Свет от кинопроектора поляризуется фильтрами-поляризаторами, расположенными перед каждым объективом. Фильтрами-анализаторами служат поляроидные очки зрителей. Эти поляризационные светофильтры (поляроиды) представляют собой анизотропные плёнки из поливинилового спирта с кристаллами йода, ориентированными в одном направлении. В стереоприставках и в очках поляроиды устанавливаются со взаимно перпендикулярной ориентацией «лучей» левого и правого фильтров под углом 45˚ по горизонтали (V- ориентация).


К поляризаторам для стереопроекции предъявляются два основных требования: обеспечить высокий коэффициент сепарации (пропустить к каждому глазу свет только от одного объектива и этим создать для каждого глаза условия раздельного наблюдения только соответствующего ему кадра) и не внести цветоискажения при проекции цветного фильма. Как видно из кривых светопропускания поляроидов (рис. 8), эти светофильтры практически нейтральны в диапазоне видимой части спектра, используемом в цветном кино; некоторые отклонение в красной и фиолетовой части спектра не сказываются при просмотре фильма.
Для стереопроекции применяются поляроиды со светопропусканием единичного светофильтра около 40%. Светопропускание таких поляроидов в смещённом положении не превышает 1%, и таким образом они обеспечивают коэффициент сепарации не менее 99%, большее светопропускание единичного светофильтра сопровождается снижением коэффициента сепарации.
Небольшой наклон головы зрителя, неизбежный в процессе просмотра фильма, несколько уменьшает коэффициент сепарации, однако нарушение перпендикулярности в ориентации поляризатора и анализатора в пределах 3-5˚ не вызывает
появления второго «паразитного» контура.



Сепарирующие свойства поляроидная плёнка сохраняет при температурах до 70˚С. При длительном тепловом воздействии наступает временное нарушение в ориентации кристаллов йода в плёнках, после остывания плёнок правильная ориентация восстанавливается. Сильный перегрев фильтров-поляризаторов вызывает разрушение анизотропной структуры и выгорание фильтра. Для предотвращения этого применяется охлаждающее устройство, которое обеспечивает нормальную работу фильтра. В случае же выгорания поляризационного фильтра его замена в приставке ПС-1 может быть произведена в течение нескольких секунд. Для стереопроекции используются поляризационные светофильтры отечественного производства (Загорский оптико-механический завод), зрительские поляроидные очки поставляются из ГДР. На рис. 9 показаны различные поляроидные очки, применяющиеся в разных странах (в белой оправе — очки ГДР).

Экран. Для стереопроекции обязательно использование недеполяризующего металлизированного экрана. В стереокинотеатрах устанавливаются алюминированные киноэкраны, широко известные в кинопроекции. Покрытие экрана должно быть чисто металлическим, без рассеивающей белой добавки.
Отечественные экраны типа ЭНА и ЭНАР полностью отвечают этому требованию. Деполяризация этих экранов для наиболее критических мест зала не превышает 1,5%.
Для стереопроекции наиболее целесообразным является применение гладких экранов, обладающих более острой направленностью отражения, чем растровые экраны, и соответственно более высоким коэффициентом яркости, что в какой-то степени компенсирует большие потери света при поляризации.

Экраны ЭНА имеют коэффициент яркости Rα по оси — 3-3,5 и полезный угол светорассеивания 2α ≈ 40-50˚ (рис. 10). По величине угол использования гладкого экрана практически совпадает с углом, в пределах которого пространственная картина наблюдается без заметного искажения.

В залах наших стереокинотеатров установлены киноэкраны типа «Хайх-Гэйн» английской фирмы «Харкнесс». Светотехнические характеристики этого экрана близки к характеристикам экрана ЭПА (рис. 10). Наша промышленность, к сожалению, еще не выпускает алюминированные экраны достаточно большого размера.




Освещение при стереопроекции 
Размер изображения на экране и световой поток кинопроектора. Размер изображения на экране по условию наилучшего «глубинного» разрешения не должен превышать 6 — 8 м по ширине (проекционное увеличение 250 — 350×), т. е. 30 — 45 кв.м. по площади. Эта площадь требует примерно 25 000 – 30 000 Лм светового потока. Вопрос освещения при стереопроекции требует особого внимания. При расчёте надо иметь ввиду, что нормированная яркость в 40 кд/кв.метр должна быть обеспечена для каждого глаза зрителя, т.е. должны быть образованы два одинаковых световых потока для левого и правого кадров стереопары, каждый из которых создаёт для глаз зрителя требуемую яркость изображения. Необходимый световой поток кинопроектора может быть определён из зависимости:

Fпр=Sэ πBn/τ1τ2rэ 

Где: Fпр – общий поток кинопроектора; Sэ – площадь экрана; Bn – нормированная яркость, равная 40кд/кв. м; τ1 – коэффициент пропускания по площади, определяемый размером кадрового окна (τ1=0,37); τ2 – коэффициент пропускания системы «поляризатор-анализатор» (τ2=0,25); rэ – коэффициент яркости экрана (для экрана типа ЭНА среднее значение rэ = 1,8).

В табл. 1 приведены рекомендуемые размеры экрана для стереоизображения при различных значениях светового потока кинопроектора.
Распределение света в кадровом окне .Специфичным требованием при освещении проецируемой стереопары является соблюдение «баланса» света – одинакового высвечивания левого и правого кадров стереопары. Практически при тщательной юстировке дуговой лампы Д-200 можно получить вполне удовлетворительный «баланс»: до 100% по центрам кадров стереопары и до 60% для идентичных точек по краям. Это достигается за счёт некоторой расфокусировки лампы. Кроме того, сама конструкция ПС-1 способствует выравниванию света в окнах кадровой рамки за счёт того, что объективы в приставке несоосны с лампой и вертикальная межкадровая перемычка в стереопаре и срезанные сегменты объективов находятся в прищелевой зоне светового конуса лампы.

Главным управлением кинофикации и кинопроката Госкино СССР принято решение в течение 1978 года заменить дуговые лампы в стереокинотеатрах на осветители с 10-кВт ксеноновыми лампами. Примером применения 10-кВт ксеноновой лампы при стереокинопроекции является кинотеатр «Днепр» в Киеве. В кинопроекторе установлен фонарь КПК-15 с 10-кВт ксеноновой лампой, для чего выполнен ряд работ, обеспечивающих необходимые условия работы лампы. Получены вполне достаточная равномерность освещения и величина светового потока. Проводятся эксперименты по применению сотового конденсора с ксеноновой лампой, что позволит облегчить получение требуемого «баланса» света.

Основные рекомендации по проектированию стереопроекционного кинокомплекса

Накопленный опыт по оборудованию и эксплуатации стереокинотеатров позволяет дать рекомендации по организации кинозалов по системе «Стерео-70».

Целесообразна организация универсального кинотеатра с возможностью демонстрирования не только стереоскопических, но и обычных, широкоэкранных, широкоформатных и кашетированных фильмов.

Техническое оборудование:
  • Кинопроектор – универсальный 70/35 типов КП-30, КП-15, КПК-30, КПК-15 со сменной проекционной оптикой, включая стереоприставку ПС-1 (в комплект ПИ-1 входят стереообъектив с поляризационными светофильтрами и устройство охлаждения этих светофильтров ОВ-2);
  • Электросиловое и звуковоспроизводящее оборудование не отличается от оборудования широкоформатных кинотеатров;
  • Экран – алюминированный отечественный типа ЭНА (ЭНАР) или зарубежные типов «Сильвер». Размер экрана должен быть определён по наибольшему (широкоформатному) изображению;
  • Поляроидные очки.
  • Планировка зрительного зала и аппаратного комплекса:
  • Вместимость зала 250-400 мест;Длина зала по лучу 20-25 метров, что позволяет соответствующим выбором фокусного расстояния проекционного объектива получить для стереофильма размер экранного изображения, равного 8 метрам по ширине. Ширина зала (по зрительским местам) не более 10-12 метров. При этом обеспечиваются удовлетворительные яркости для всех мест и искажения формы пространственной картины не выходят за пределы допустимых; 
  • Длина зала по лучу 20-25 метров, что позволяет соответствующим выбором фокусного расстояния проекционного объектива получить для стереофильма размер экранного изображения, равного 8 метрам по ширине. Ширина зала (по зрительским местам) не более 10-12 метров. При этом обеспечиваются удовлетворительные яркости для всех мест и искажения формы пространственной картины не выходят за пределы допустимых; 
  • Расстояние до первого ряда не менее 1,5 ширины стереоизображения; 
  • Расположение аппаратной — верхнее, вертикальный угол наклона осп луча не более 7˚. Это позволит получить наибольшую яркость изображения в центре тяжести зоны зрительских мест, учитывая направленность отражения от экрана. Наклон экрана не более 1 — 3˚. 
Экран должен быть установлен с изгибом по радиусу,  равному  проекционному расстоянию.

Примером удачно спроектированных залов могут служить стереокинотеатры «Днепр» в Киеве (рис. 11), «Спартак» в Ялте, «Мир» в Минске. 

К настоящему времени проекция стереофильмов осуществлена в шести стационарных кинотеатрах в разных городах страны. В табл. 2 приводятся основные технические данные советских стерео-кинотеатров.



Кроме того, стереофильмы демонстрировались в нескольких городах Крыма. Имеется стерео-установка в Румынии (кинотеатр «Новое время»), в ГДР [4] советские стереофильмы демонстрировались в двадцати городах страны. Были организованы разовые демонстрации по системе «Стерео-70» на специализированных международных конгрессах в ЧССР, США и Канаде, На ХII Конгрессе УНИАТЕК в Москве система «Стерео-70» награждена Специальным призом УНИАТЕК за высокое техническое качество [5]. 

Демонстрирование стереофильмов имеет безусловный успех у советского зрителя и является экономически рентабельным. Так, например, в стереокинотеатре Сочи за два года стереофильмы посмотрели около 1,2 млн. человек. Большой интерес, проявленный к системе «Стерео-70» со стороны зарубежных специалистов, также свидетельствует о её высоком техническом уровне. Можно с уверенностью рекомендовать дальнейшее расширение сети стереокинотеатров; по-видимому, целесообразно организовать стереокинотеатры всех столицах союзных республик, курортных городах и в городах с населением свыше 1 млн. жителей.

Опыт эксплуатации стереокинозалов показал принципиальную правильность технических решений и позволил выявить вопросы, подлежащие усовершенствованию. Неожиданные трудности возникли с поляроидными очками: чрезмерный интерес зрителей к новинке в кино – очкам – привёл к многочисленным поломкам оправ очков. К настоящему времени разработана новая, более прочная оправа для поляроидных очков и налажен ремонт старых. Ведутся также работы по упрощению юстировки стереопары на экране и обеспечения требуемой стабильности баланса света.



В разработке и усовершенствовании системы «Стерео-70» «Стерео-70» кроме НИКФИ и киностудии «Мосфильм», на базе которой всесторонне исследован процесс производства стереофильмов участвовали предприятия производственного объединения «Экран» (ЦКБК, ОКБК МКБК), Главное управление кинофикации и кинопроката Госкино СССР, Управления кинофикации городов и специалисты стереокинотеатров.

ЛИТЕРАТУРА
1. Овсянникова Н. А., Ханукаев Д.Р. Стереокино на 70-мм плёнке. «Киномеханик», 1966, №10. 
2. Болтянский А.Г., Овсянникова Н. А. Стереоскопический кинематограф в Советском павильоне на ЭKCПО - 70.  «Техника кино и телевидения», 1970, №10.
3. Зарубежная печать о советской системе «Стерео-70». Техника кино и телевидения, 1977,  №11.
© Всесоюзный научно-исследовательский кинофотоинститут, 1978 год.