Три цвета: белый

Весной в Лос-Анжелесе прошел очередной международный слет профессионалов киноиндустрии "ShoWest '99", собравший представителей более тридцати стран. В повестке дня впервые стояло цифровое кино. А чтобы разговор не был голословным, он сопровождался тестовыми испытаниями. Вернее, натурным сравнением сразу трех технологий.

   Билл Картозиан (Bill Kartozian), президент NATO [1], во вступительной речи констатировал, что цифровое кино породило множество слухов, и предложил собравшимся определить на практике, будет ли качество цифровых демонстраций сопоставимо (или даже лучше) c традиционными аналоговыми. Гидом стал представитель компании Eastman Kodak, который во время просмотра указывал, на какие детали изображения следует обратить особое внимание.

   Для эксперимента на двух расположенных по соседству экранах шириной 11 и высотой 6 метров синхронно показывался один и тот же демо-ролик. На одном экране демонстрация осуществлялась с помощью аппаратуры Eastman Kodak, на другом - с помощью цифрового оборудования, представленного консорциумом CineComm. Затем сравнению подверглось оборудование, представленное Texas Instruments и ее партнером, английской компанией Digital Projection.

   Оценивались такие параметры проецируемых изображений, как яркость, контрастность, цветопередача, разрешающая способность и динамический диапазон. Особое внимание уделялось синеве небес и зелени деревьев, естественности передачи оттенков кожи, разборчивости мелких деталей (например, веснушек), а также проработке затемненных участков.

   Обсуждение закончилось риторическим вопросом: кто заплатит по счетам? То есть сомнения в качестве, если они и были, отпали еще в процессе демонстрации. Открытым оставался лишь вопрос о количестве, а именно - количестве денег. При ориентировочной суммарной стоимости перехода только американской кинематографии на полностью цифровые технологии на уровне 11 млрд. долларов - вопрос далеко не праздный. В том числе - для Eastman Kodak, крупнейшего производителя кинопленки.

   Вехи
   Как известно, разрешающая способность пленки ограничена зернистостью ее фотоэмульсионных слоев. Видимая разрешающая способность 35-миллиметрового кинокадра по горизонтали может превышать 5 тыс. пикселов. Профессиональные слайд-сканеры способны различить почти столько же, около 4 тыс. пикселов, а вот лучшие на сегодня цифровые проекторы уступают пленке в 2,5-4 раза.

   Однако их разрешающая способность уже почти соответствует возможностям человеческого глаза: средний человек, находясь в кинотеатре с экраном средних размеров, способен различить не более 2,5 тыс. пикселов [1].

   Кроме того, на практике чаще всего не удается реализовать предельные характеристики пленки: в процессе производства фильма его оригинальная разрешающая способность и динамический диапазон деградируют (обычно зритель смотрит в лучшем случае четвертую копию; оригинальное изображение, запечатленное кинокамерой на пленке, преобразуется сначала в промежуточное позитивное, затем - в промежуточное негативное, и уже с него печатаются копии, которые попадают в кинотеатры). Проекционные установки, как правило, отличные от оптимальных, и износ пленки являются дополнительными факторами, ухудшающими качество изображения. Стареет и сама пленка.

   А вот однажды заснятое цифровое изображение демонстрирует завидную стабильность и постоянство.

   Разрешение цифровых кинопроекторов, увидевших свет в этом году, достигает 2000х1280 пикселов, размеры экрана могут варьироваться от 1,2 до 36 метров. Отношение яркостей освещенных и затенененных участков превышает 1000:1 - по этому параметру цифровые проекторы уже превосходят традиционные пленочные. И не отстают от них по уровню освещенности, создаваемой на экране.

Рис. 1.

   Правда, какой ценой? Массогабаритные характеристики пока просто поражают. К примеру, размеры проектора ILA-12K составляют 185х145х145 см (рис. 1), весит этот монстр ни много ни мало 770 кг, из которых около 90 кг приходится на модуль, в котором установлена проекционная ксеноновая лампа мощностью 7000 Вт (типовое время службы лампы - 500 часов. Яркость лампы за это время падает на 10%).

   Традиционные кинопроекторы стоят около 30 тыс. долларов, стоимость опытных цифровых моделей - около 100 тысяч. Впрочем, как только будет начато массовое производство и отлажены технологии, цены будут падать (чему мы уже не раз становились свидетелями).

   Что касается ответа на вопрос "кто же все-таки заплатит?" - ожидается, что переход на новые цифровые технологии для действующих кинотеатров окупится за три-четыре года, а в случае строительства новых и того быстрее - за год-два.

   Участники
   Самое время остановиться на участниках соревнований - проекционных технологиях компании Texas Instruments (Digital Light Processing, DLP) и консорциума Hughes-JVC (Image Light Amplifier, ILA). При всех различиях у этих технологий довольно много общего.

   Обе используют три пучка света: красный, зеленый и синий (RGB), которые модулируются на светоклапанных матрицах, по одной на каждый пучок света, и затем суммируются. Размеры матриц примерно одинаковы и сопоставимы с размерами кадра кинопленки; более того, и со светом-то они взаимодействуют одинаково, не поглощая - но отклоняя его. Что, помимо прочего, позволяет решить непростые при таких мощностях светового потока проблемы теплоотвода.

   Но - к делу.

   DLP
   DLP-проектор - детище современных нанотехнологий. Его сердцем являются матрицы из крошечных квадратных зеркал размером 16х16 мкм, управляемых электрическим полем (Digital Micromirror Device, или DMD [2]). Матрица формируется непосредственно на микросхеме статической памяти, так что на каждую запоминающую ячейку приходится по одному зеркалу. К ячейкам подключены управляющие электроды. В зависимости от информации, хранящейся в ячейке, "0" или "1", меняется направление создаваемого ими электрического поля. В результате зеркальца, закрепленные на тончайших нитях подвеса, могут поворачиваться на +10 градусов от нейтрального положения [3] (см. рис. 2).

Рис. 2.

   Зеркальца, соответствующие (условно) ячейкам, в которых хранятся "1", поворачиваются в сторону экрана; отраженные от них лучи света образуют на нем солнечные зайчики - пикселы.

   Свет от остальных ячеек (в которые записаны "0") отражается в другую сторону: он является помехой, и для его поглощения, с тем чтобы увеличить контрастность изображения, в проекторе имеются специальные приспособления.

   Благодаря крошечным размерам и массе, зеркальца могут переключаться с очень высокой, измеряемой миллионами герц частотой [4], - а мы, управляя соотношением "0" и "1", "включено" и "выключено", можем управлять яркостью отдельных пикселов.

   За этим столь простым на первый взгляд устройством таится целый ряд высоких технологий и многочисленные know-how. Представьте: поперек человеческого волоса вполне могут разместиться четыре зеркальца. А теперь - что вам нужно направить их на экран, находящийся на расстоянии, скажем, двадцати метров. И чтоб при этом зайчики, упаси бог, не перекрывались! И, наконец, что зеркал больше миллиона!

Рис. 3.

   Осталось заметить, что DMD делаются, в общем, теми же методами, что и микросхемы. Слои наращиваются, химически полируются, травятся, металлизируются... и так до тех пор, пока не получится готовая конструкция (рис. 3).

   В принципе, используя одну DMD-матрицу и три сменных RGB-светофильтра, расположенных, например, на вращающемся барабане, можно получить цветное изображение. Используя четвертый, белый фильтр, можно даже попробовать увеличить яркость картинки - разумеется, в ущерб цветопередаче.

   Так зачастую и делается, особенно в компактных проекторах. Но этот метод не лишен недостатков. Во-первых, свет от прожектора используется в лучшем случае на треть. Во-вторых, прибегая к помощи сменных фильтров, мы уменьшаем время экспозиции каждой компоненты, а следовательно, уменьшаем разрядность цифрового представления цвета и количество результирующих цветов, которые сможем увидеть на экране.

Рис. 4.

   Создатели кинопроекторов на такие компромиссы, конечно, не идут. Они используют три независимых светофильтра и три DMD-матрицы (рис. 4). И тут начинается то, что в одной из технических статей, найденной мною на сайте Texas Instruments, называется convergence story, или история сведения пикселов трех разных цветов к одному, белому: боросиликатные призмы, углеродные композиты, хроматические аберрации, микронной точности микроподвижки с шестью степенями свободы, коэффициенты теплового расширения...

   Впрочем, с этими проблемами приходится бороться, пожалуй, всем производителям проекционной техники класса high-end.

   ILA
   DMD появились на свет в 1987 году. Световым клапанам, основе ILA, годков поболее - их история ведется, пожалуй, с середины нашего века. Новый импульс идея получила в восьмидесятых годах, когда сотрудник компании Hughes Aircraft Билл Блеха (Bill Bleha), исполняя заказ военных, которым потребовались проекторы с высокой светосилой, придумал жидкокристаллический световой клапан. Для коммерческой реализации идеи Hughes вступила в союз c JVC, образовав совместное предприятие Hughes-JVC, а первые ILA-проекторы увидели свет уже в 1992 году.

Рис. 5.

   Опять же, принцип действия проекторов довольно прост (см. рис. 5): на стороне ILA, покрытой фоторезистом, фокусируется изображение, которое надо "усилить". В зависимости от освещенности фоторезиста меняется его электрическое сопротивление, а значит, и распределение потенциалов и электрических полей в жидком кристалле. Осталось осветить другую сторону усилителя сильным пучком поляризованного света: угол поляризации отраженного, дважды прошедшего через жидкий кристалл света будет меняться как функция напряженности электрического поля.

   На неосвещенных участках отраженный свет не поменяет своей поляризации и будет задержан поляризатором. На освещенных - чем больше будет напряженность, тем больше поворот оси поляризации и, следовательно, освещенность пикселов на выходе проектора.

   Хотя употреблять слово "пиксел" в данном случае не вполне корректно. Прибор, по сути, аналоговый: разрешение ILA-проектора определяется разрешением задающего монитора и точностью юстировки оптических трактов. Ясно, что необходимость реализовать в одном проекторе шесть прецизионных оптических каналов не способствовала широкому распространению ILA-проекторов.

   Часть проблем удалось снять в так называемых FO-ILA - проекторах, использующих для передачи управляющего светового сигнала с поверхности модулирующего монохромного монитора на ILA-усилитель пучок оптического волокна [5].

   Шаг на пути к цифре был сделан лишь с появлением Direct Drive ILA (D-ILA).

   D-ILA
   Дитя позаимствовало у вышеописанных технологий, пожалуй, лучшее: от DMD взята подстилающая CMOS-матрица, на поверхность которой нанесены квадратные управляющие электроды-зеркала; от ILA - тоненький слой жидкокристаллического вещества, нанесенный на поверхность матрицы поверх электродов. Вся конструкция сверху накрыта токопроводящим стеклышком. Потрясающе просто и столь же технологично!

   D-ILA относительно молодая технология. Реализуемые с ее помощью параметры пока не дотягивают до характеристик DMD- и ILA-проекторов (см. таблицу). Но с таким потенциалом она вполне может изменить диспозицию на рынке проекционной техники для дома и офиса, и, со временем, кино.

	DLP	ILA-12K	D-ILA
Разрешение, пикселов	1280х1024	2000х1080	1365х1024
Световой поток, Лм	13000	~12000	1000
Мощность лампы, Вт	5000	7000	400
Контраст	>800:1	>1000:1	>250:1
Цвет, бит/компоненту	10 (gamma), 14 (linear)	-	10 (gamma)
Частота кадров, с^-1	24	45-120	50-78
Эффективная поверхность апертуры, %	89	100	93

Вместо заключения
Готовя тему номера, я узнал о существовании компании Imax, имеющей целую сеть кинотеатров, разбросанных по всему миру. Их отличительной особенностью являются гигантские экраны, размером 21,5х15,6 метра (в кинотеатрах Imax Dome изображение проецируется на купол диаметром 27 метров), и специальная киноаппаратура, использующая кинопленку шириной 70 мм (рис. 7). Границы такого экрана находятся за пределами периферического зрения наблюдателя, что, как утверждается, позволяет реализовать "эффект присутствия". А использование широкой пленки позволяет значительно увеличить качество изображения.

Рис. 6.

Рис. 7.

   Я был потрясен, мне даже подумалось, что уж эту-то компанию цифровые кинопроекционные технологии коснутся в последнюю очередь, просто из-за свойственных им технических ограничений.

   Как бы не так! Пока я писал статью, Imax прикупила себе компанию Digital Projections. И теперь, судя по всему, вместе с TI будет познавать и применять на практике таинства цифровой обработки света.

   Источники
   [1] Chris Athanas, How to Transfer Video To Film, www.digieffects.com/frames/howtotransfervideotofilm.html.
   [2] Hughes-JVC, www.hjt.com, www.jvc.com/pro/dila.
   [3] TI, www.ti.com/dlp.
   [4] Imax, www.imax.com.
   [5] ILA - химера мира видеопроекторов. Но перспективная... www.625-net.com/archive/0496/ila.htm.

1 (обратно к тексту) - National Association of Theatre Owners.

2 (обратно к тексту) - Микроминиатюрные устройства, управляемые электрическим полем. Имеют еще одно широко распространенное название - MEMS (microelectrical mechanical systems).

3 (обратно к тексту) - С точностью несколько угловых секунд. Кто знает - тот понимает.

4 (обратно к тексту) - И мало подвержены ударным нагрузкам.

5 (обратно к тексту) - Насколько я знаю, именно так устроен проектор ILA-12K.