Передача цветов и диапазона яркостей при видеосъёмке

Разработки в области цифровых видеотехнологий осуществили настоящий прорыв в производстве. Ассортимент и модели видеокамер уже насчитывают сотни наименований - от бытовых до профессиональных. Но никакая автоматизация, никакие программные устройства не смогут решить задачу правильной передачи цвета и контраста в изображении. Ибо только четкое понимание этих процессов на основе базовых знаний позволит операторам установить требуемую цвето- и светопередачу в "картинке" записанного изображения, так как существуют еще и определенная разница между освещением для киносъемки и для видеосъемки. Для создания высококачественного кино- или видеоизображения необходимо осознавать, как воспринимает освещаемый объект съемки видеокамера и как его воспринимает глаз.

Восприятие света глазом.

Человеческий глаз - это удивительный оптический прибор, который может работать практически при любом освещении. О феноменальной чувствительности глаза свидетельствуют такие данные: отдельный рецептор - светочувствительный элемент глаза - вырабатывает электрические сигналы при поглощении всего лишь одного-двух квантов света. Человеческий глаз способен работать буквально на физическом пределе, допускаемом квантовой теорией. В настоящее время такая чувствительность недоступна даже самым совершенным физическим приборам. Глаз содержит примерно около 130 млн. палочек и свыше 7 млн. колбочек, причем колбочки воспринимают цвета, а палочки реагируют только на яркость. Кроме того, при изменении яркости объекта, изменяется и диаметр зрачка радужной оболочки глаза от 1,5 мм до 8 мм.

Способность глаза адаптироваться к контрастному свету поистине поразительна: он может различать детали в диапазоне контрастности 800:1, т.е. видит их как в ярких, так и в темных местах.

Исследования показали, что глаз может воспринимать и более широкий диапазон контрастности - порядка 1200:1. Такое соотношение получается с учетом "темнового зрения" - способности видеть ночью или в очень слабо освещенном помещении.

В темноте светочувствительные палочки сетчатки глаза переходят в иное химическое состояние, в котором могут воспринимать даже очень слабый свет. За какую-нибудь пару минут глаз адаптируется к темноте или яркому свету. Но при ярком освещении темновое зрение не работает, поэтому мы ограничимся значением 800:1. Конечно, чувствительность зрения у всех разная и с возрастом меняется.

Посмотрите на незатененную 75-ваттную лампочку в помещении, где имеются густые тени. Несмотря на яркий свет лампы, вы сможете различить на ней маркировку "75 Вт" и при этом не перестанете видеть предметы и детали в затененных местах. Соотношение яркостей светящейся лампочки и самого темного места в комнате, где еще различимы детали, определяет диапазон воспринимаемой вами контрастности. Отношение яркостей самых светлых и самых темных различимых деталей называют динамическим диапазоном прибора - глаза, кино-, фотопленки или видеокамеры.

Воспроизведение динамического диапазона яркостей пленкой и видеокамерой.

Попробуйте снять на пленку или видео сцену, освещенную простой 75-ваттной лампочкой. Что у вас получилось? Оказывается, то, что воспринимает глаз, на пленке может быть не видно, поскольку у нее, а тем более у видеозаписи динамические диапазоны гораздо меньше, чем у глаза. Самая чувствительная пленка обеспечивает передачу контрастности в диапазоне чуть более 120:1, а большинство типов - около 100:1.

Возникающие проблемы с экспозицией чаще всего обусловлены именно этим различием. Сцена, воспринимаемая глазом совершенно нормально, может не попасть в тот динамический диапазон, который способна передать пленка.

Обратите внимание на диапазон контрастности в помещении. Диапазон освещения, типичный для жилого дома, где есть и тени, и солнечный свет из окна, человеческим глазом воспринимается совершенно нормально.

Однако, самые яркие места в квартире намного ярче верхней границы диапазона пленки, а самые темные - темнее его нижней границы. При съемке все, что ярче верхней границы диапазона пленки (например, окно), получит чрезмерную экспозицию и станет белым, а самые затененные места станут черными, вся текстура и детали в них пропадут.

Расширить динамический диапазон носителя записи - пленки или видеоленты - нельзя, зато можно подобрать оптимальный для конкретного освещения интервал значений, изменяя диафрагму камеры или время экспозиции пленки. Однако при уменьшении диафрагмы можно добиться правильной экспозиции для ярких областей, в то время как для темных она окажется слишком мала. Увеличивая же диафрагму, можно правильно передать темные места, тогда как яркие будут сильно передержаны.

Поэтому оператору, снимающему в аналоговой или цифровой форме, необходимо научиться подбирать освещение так, чтобы приглушить блики и дать больше света в затененные области, т. е. искусственно сужая диапазон контрастности (с помощью рассеивающих насадок, линз и рефлекторов), найти его значение, оптимальное для динамического диапазона используемой кинопленки. Это очень похоже на то, что делает устройство компрессии звука: для ограничения динамического диапазона сигнала применяется способ усиления слабых значений и подавления пиков.

Теперь рассмотрим третью полутоновую шкалу на рис.0, которая представляет динамический диапазон типичной видеокамеры: он еще меньше, чем у пленки. Лучшие камеры в состоянии передать диапазон контрастности примерно 30:1. Правда, этот показатель быстро увеличивается благодаря успехам в областях микроэлектроники и цифровой обработки сигналов и в новейших камерах уже приближается к 40:1. Но следует помнить, что после того как запись будет несколько раз скопирована на стадии постпроизводства, это значение уменьшится.

Естественно, что и при видеосъемке за пределами динамического диапазона камеры и формата записи детали не будут видны, появятся только сплошные белые или черные области. Многие режиссеры до сих пор предпочитают снимать на кинопленку в силу того, что она имеет более широкий диапазон контрастности, особенно это касается натурных сцен, где управлять освещением труднее.

Ограниченный диапазон контраста при видеосъемках.

Более узкий динамический диапазон видеозаписи - вот из-за чего у многих опытных кинооператоров критическое отношение к видеосъемке. Они создают освещение, необходимое для киносъемки, проводят тщательные измерения с помощью экспонометров и в результате то, что на кинопленке выглядело бы отлично, на видео смотрится просто ужасно. Им часто бывает невдомек, что для видео нужен меньший диапазон освещенностей, чем для пленки, что яркие места нужно приглушать сильнее, а тени освещать еще лучше. Иначе в видеоизображении будут сплошные черные и белые пятна. Обычно причиной этого является не сам формат или технология записи, а то, что оператор не уложился в допустимые для данного типа носителя границы освещенности.

Это особенно характерно для цифровых форматов, которые допускают не более чем 10%-ное превышение максимального уровня в 100 IRE, после чего сигнал жестко ограничивается абсолютно белым значением. В аналоговых форматах типа Betacam SP сигнал, превышающий максимум даже на 20% (120 IRE), может еще содержать детали. А при монтаже аналоговых записей его можно "придавить" до разрешенного уровня и восстановить детали в самых ярких местах изображения.

Для аналоговой аппаратуры максимально допустимый уровень освещенности составляет 110 IRE (он определяется характеристиками электронных блоков камеры и видеомагнитофона). Но заметим, что превышать предел в 100 IRE все-таки не рекомендуется. IRE - единица уровня полного видеосигнала, равная одной сотой его части от уровня гашения (0 мВ) до номинального уровня белого (700 мВ). Обычно принимается, что единица IRE равна 7мВ в системе PAL. Таким образом, размах сигнала яркости составляет 100 IRE. При съемке видео в допустимых диапазонах вы можете учесть ограничения, связанные с носителем, и добиться наилучшего качества изображения.

При цифровой съемке сигнал, превышающий 110 IRE, становится чисто белым. В нем не остается никаких деталей, которые можно было бы потом восстановить. Попробуем разобраться, в чем тут дело. При аналоговой записи видеосигнал представляется переменным напряжением, которое на осциллографе отображается в единицах IRE. При цифровой записи значения напряжения кодируются цифровыми величинами. Обычно это делается в стандартном для видео цветовом пространстве YUV, но если обратиться к более привычному для компьютеров цветовому формату RGB, то можно сказать, что уровень белого, соответствующий 100 IRE, кодируется компонентами RGB 235, 235, 235. "Самый белый" уровень в 110 IRE кодируется значениями 255, 255, 255, а более высоких значений компонентов RGB просто не бывает - это подтвердит всякий, кто хоть раз имел дело с программой Adobe Photoshop.

Но можно ли в ходе съемки определить, что в каких-то областях сигнал стал насыщенным (достиг максимально возможного значения)? Не всегда. В большинстве цифровых камкордеров изображение на монитор выводится перед записью на пленку (т. е. до ана-лого-цифрового преобразования и компрессии, когда и происходит обрезание уровня белого). Поэтому иногда, особенно если монитор неправильно настроен, может получиться так, что детали в какой-то сильно передержанной области на мониторе будут видны, а на пленке пропадут.

Таким образом, при цифровой видеосъемке оператор должен знать присущие носителю ограничения и тщательно следить за сигналом либо с помощью переносного осциллографа, либо (что бывает чаще) с помощью индикатора "зебра" (zebra) в видоискателе камеры ("Zebra video level indication" - указатель уровня видеосигнала).

Индикатор "зебра", имеющийся в видоискателях большинства полупрофессиональных и всех профессиональных камер, показывает те области изображения, в которых сигнал превышает 100 IRE, заштриховывая их белыми и черными линиями. Это одно из основных средств для установки выдержки.

Наведя камеру на какую-нибудь характерную область сцены с преобладанием белого цвета или с максимальной яркостью, оператор открывает диафрагму до тех пор, пока в этой области не появится четкий рисунок "зебры". Затем он постепенно уменьшает диафрагму, пока "зебра" не исчезнет. Если после этого еще остаются отдельные яркие пятна (например, блики), то с ними нужно разбираться особо. Если "зебра" пропадает, а темные места оказываются недодержанными, можно добавить рассеянный свет.

Обычно считают, что камера показывает одну стандартную "зебру", возникающую при уровне освещенности выше 100 IRE. Но во многих профессиональных камерах есть два типа "зебры", и важно знать, с какой из них вы имеете дело. Вторая "зебра" используется для точного подбора экспозиции при портретной съемке. Она проявляется при уровне освещенности 70 IRE и пропадает при 90 IRE, и с ее помощью выбирается экспозиция для крупного плана: смуглые лица нужно экспонировать при 80-85 IRE, а лица людей темнокожих - при 75-80 IRE. Если в видеокамере есть функция "зебра", то желательно никогда ее не отключать. Конечно, возможно и такое: ваша "зебра" показывает диапазон 70-90, а вы думаете, что это стандартный уровень 100 IRE, и результате экспозиция получится не та. Так что если видеокамера имеет два индикатора типа "зебра", обязательно нужно проверять, какой из них отображается в данный момент.

Необходимость использования "зебры" еще раз указывает на главную причину большинства проблем с освещением: глаз прекрасно видит такие уровни контрастности, которых камера записать не может. Сцена, нормальная для глаза, после записи может оказаться передержанной или слишком контрастной, а необходимые детали пропадут. При выборе освещения для видеосъемки главное - обеспечить нужную контрастность, соответствующую узкому динамическому диапазону камеры.

Добиваясь хорошего освещения, устраните сильные блики и отражения, а в темные затененные области добавьте света. Если вы знакомы с организацией освещения при киносъемке, то основные правила вы уже знаете, но для видео их нужно несколько ужесточить. Конечно, достоинством видео является возможность сразу просматривать то, что вы снимаете. Поэтому рекомендуется всегда иметь при себе во время съемки хороший и как следует отрегулированный переносной монитор и оценивать освещение с его помощью, а не на глаз.

Цветовосприятие и баланс белого.

В отношении восприятия цвета человеческий глаз с его невероятной приспособляемостью снова оставляет видеокамеру далеко позади. Трехкомпонентная теория цветового зрения, опираясь на физиологию объясняет, что все цветочувствительные рецепторы сетчатки глаза (колбочки) делятся на три группы, каждая из которых чувствительна только к какому-либо одному основному цвету - красному, зеленому или синему. Одна группа рецепторов возбуждается при воздействии на них лучей видимого спектра с длинами волн от 600 нм до 780нм и вызывают ощущение красного цвета другая - с длинами волн от 500 нм до 600 нм вызывает ощущение зеленого цвета, третья - с длинами волн от 380 нм до 500 нм - синего цвета.

Световые излучения разной длины волны возбуждают в различной степени цветочувствительные элементы сетчатки, но действуют при этом на все три группы рецепторов, одновременно. Поэтому ощущение того или иного цвета зависит от соотношения указанных трех возбуждений. Следовательно, мы видим цвета потому, что они соответствуют волнам разной длины и отражаются от предметов. В то же время свет почти не отражается от предметов черного цвета. Так как черный цвет не содержит цветовых составляющих, его условно можно отнести к "четвертому" - основному цвету видимого спектра. Например, текстильная промышленность оперирует около 100 оттенками черного.

Известный американский специалист по колориметрии Р.Ивенс отмечал, что в результате вариаций спектрального распределения энергии излучения возможно получение свыше 1 млн различных цветов.

Глаз может воспринимать около 200 различных цветовых тонов. Определено что человек различает примерно 150 спектральных и 30-50 пурпурных, т е неспектральных тонов. Кроме того глаза легко различают не менее десяти ступеней насыщенности каждого цветового тона и не менее 800 ступеней яркости. Таким образом человек способен различать свыше десяти-тринадцати тысяч цветовых оттенков.

Глаз способен не только воспринимать оттенки цвета, но и компенсировать эффекты, связанные с одновременным присутствием в сцене объектов c различной цветовой температурой.

Рассматривая комнату, освещенную в одном углу люминесцентной лампой, в другом - лампой накаливания, а в середине - дневным светом из окна, мы не ощущаем неудобств от смешения разных источников света. При определенной наблюдательности можно заметить разницу в цвете источников освещения, но она не кажется чрезмерной.

Камера же способна настроиться только на какую-то одну цветовую температуру. Поэтому если для освещения сцены используются разные источники света, то либо дневной свет получится насыщенного голубого оттенка, либо свет лампы накаливания будет оранжевым, либо свет флюоресцентной трубки будет казаться зеленым. Считать белым несколько разных источников одновременно камера не может. При съемке их световые различия приходится корректировать, настраивая камеру так, чтобы белым был основной источник.

Цветовая температура измеряется в градусах Кельвина. Шкала Кельвина - это международный стандарт для измерения термодинамической температуры, названной по имени английского физика Уильяма Томсона, лорда Кельвина (1824-1907). Она отсчитывается от абсолютного нуля - теоретической температуры, при которой почти прекращается любое движение молекул. Ноль градусов по шкале Кельвина соответствует -273,15 градусам шкалы Цельсия (-273,15°С).

Цветовая температура дает полное представление, точную информацию о спектре температурных источников света, у которых лучистый поток (лучистая энергия) является функцией длины волны излучения. При нагревании тела (нить накала лампы) повышается его температура, и в спектре постепенно появляются излучения, заполняющие без разрывов весь диапазон от инфракрасного до ультрафиолетового цветов и образующие единое "белое" излучение с различными цветовыми оттенками.

В светотехнике как правило, применяют термин "градусы Кельвина", но в научной литературе теперь говорят "кельвины", а слово "градусы" опускают, т к градусы считают неким искусственным делением.

Солнечному свету соответствует примерно 5600 К (рис.1), а типичной лампе накаливания для видеосъемки - 3200 К (рис.2). Важной частью комплекта осветительного оборудования являются пленочные эффектные ацетилцеллюлозные или гелевые светофильтры и корректирующие фильтры, служащие для согласования температур различных источников освещения. Цветовая температура обычных люминесцентных (флюоресцентных) ламп лежит в диапазонах 3600 К (теплый белый свет), 4800 К (лампы дневного света) и 5700 К (холодный белый свет). Флюоресцентный свет имеет мощную зеленую составляющую, которая многим не нравится. Но специальные цветные гелевые фильтры позволяют преобразовать его так, чтобы он соответствовал дневному или освещению от ламп накаливания. Заметим, что цветовая температура даже одного источника света может меняться в очень широких пределах. Например, у солнечного света она зависит от широты, времени года и погодных условий. Флюоресцентные лампы выпускаются с несколькими базовыми значениями цветовой температуры, а у лампы накаливания она меняется в процессе ее старения. Поэтому в видеокамере необходимо как можно чаще вручную настраивать баланс белого (white balance).

Установка баланса белого подразумевает настройку видеоусилителей трех ПЗС (R,G,B) - матриц видеокамеры по тому или иному источнику света, чтобы получить соотношение компонент основных цветов равное 1:1:1 для воспроизведения белого (рис.3).

Профессиональные видеокамеры сами по себе не адаптируются к спектральному распределению мощности излучения для различных источников освещения. Изменения следует компенсировать электронным методом, корректирующим коэффициенты усиления R,G,В-видеоусилителей камеры в процессе ее настройки по белой тест-поверхности. Соотношение между компонентами R,G,B видеосигнала после настройки видеокамеры сохраняется неизменным в процессе съемки. Поэтому установку баланса белого необходимо выполнять при изменении цветовой температуры источника света. Если Т=3200 К, то выходной сигнал от ПЗС-матрицы синего (В) будет очень малым из-за незначительной мощности излучения источника света в этой области, а от ПЗС-матрицы красного ® - очень большим (рис.2).

Практически во всех моделях видеокамер видеоусилители рассчитаны на работу при Т=3200 К, т.е. изначально имеют коэффициенты усиления по R,G,B (рис.4), позволяющие получить соотношения выходных сигналов R:G:В=1:1:1 (рис.3).

При балансировке по источнику света 5600 К в видеоусилителе матрицы синего (В) коэффициент усиления KB уменьшается до значений коэффициента усиления зеленого сигнала KG, а в видеоусилителе матрицы красного ® коэффициент усиления KR возрастет до значений KG. Такие изменения коэффициентов усиления позволяют также получить желаемый баланс белого и соотношение R:G:B сигналов равное 1:1:1.

А почему бы не воспользоваться автоматической настройкой баланса белого, которую имеют многие видеокамеры? Дело в том, что, хотя сегодня эта функция стала работать гораздо лучше, чем раньше, все равно она может создавать проблемы при смешении разных цветовых температур. Автоматическая регулировка настраивает камеру на доминирующий источник света. Например, при съемке панорамой в помещении, где есть источники с разными цветовыми температурами, баланс цвета в процессе панорамирования будет заметно изменяться. Если в сцене есть дверь, открытая наружу, то камера может внезапно перестроиться на голубой наружный свет, и при этом все, что находится в помещении, примет желтый оттенок.

Чтобы добиться лучшего результата, настройте баланс белого видеокамеры по основному источнику света. Именно эту цветовую температуру в пределах сцены видеокамера будет передавать белым. Для настройки направьте камеру на белую тест-поверхность (карточку), освещенную этим источником, и нажмите кнопку баланса белого. Камера точно настроится на нужную цветовую температуру. В старых моделях профессиональных камер требовалось также настраивать баланс черного, но в новых это совсем не обязательно.

Поиск по сайту: