Пиксель. История одной точки - Элви Рэй Смит

Столь идеального проектора нет даже сейчас, но наши изыскания показывают, что он вполне реален — кино в эпоху цифровых технологий есть куда стремиться. Нет никаких причин, не позволяющих существовать такой системе.

В реальном мире кино на самом деле лишь отдаленно приблизилось к идеальной системе, но достаточно близко, чтобы работать — и работать весьма неплохо. Посмотрим, как оно работало со всеми своими изъянами.

Как на самом деле снимали фильмы

Из-за каких действий (или бездействия) изобретателей кино система, которую они нам оставили, оказалась столько далека от идеала? Во-первых, они не дали нам мгновенных отсчетов, как того требует теорема выборки. Кинокадры на самом деле не мгновенные. Они имеют определенную продолжительность. Затвор камеры открывается на определенное, хотя и короткое время — его называют временем экспозиции кадра. Движущийся объект перемещается за этот интервал и поэтому слегка размазывается по кадру в течение времени экспозиции. Нечто подобное происходит, когда вы делаете снимок с длинной выдержкой, на котором ваш ребенок бросает мяч, — в результате его рука получается размытой. Для кино это оказывается спасительной благодатью и нередко намеренно практикуется.

Рис. 5.9

Во-вторых, они сделали так, чтобы каждый кадр проецировался дважды (как минимум). Ой! Этого вообще нет в теореме выборки. Почему изобретатели кино так поступили? Они руководствовались простой экономикой: 24 кадра в секунду — это вдвое меньше дорогой пленки, чем 48 кадров в секунду. Но глаз должен получать изображение примерно 50 раз в секунду, иначе картинка на сетчатке будет исчезать между кадрами. На самом деле в темном зале кинотеатра для нужного эффекта вполне хватит и 48. Как из 24 получить 48? Демонстрировать каждый кадр дважды! Если показывать только 24 кадра в секунду, экран мерцает. Это происходило со всеми первыми фильмами — кинематограф до перехода на более высокую частоту кадров при проекции даже получил жаргонное название «мерцающие картинки» (flicks).

Третье, что сделали первые изобретатели, — перекрыли свет между проецируемыми кадрами. 48 раз за секунду в глаз — внутрь зрачка, на сетчатку — не проецировалось ничего или, говоря иначе, проецировалась темнота. Для кинооборудования — как для камеры, так и для проектора — полезно между кадрами закрывать затвор до черноты. Это дает время для механического перемещения следующего кадра на пленке в нужное положение. В кинокамере это не позволяет пленке записывать реальный мир во время физического продвижения пленки. В проекторе это не дает появиться на экране изображению движущейся пленки в момент ее перемещения к следующему кадру.

Когда речь заходит о работе кинопроектора, некоторые описывают ее примерно так: есть две катушки — верхняя, подающая пленку, и нижняя, принимающая. Пленка перемещается с катушки на катушку и проходит между источником света и объективом проектора, который увеличивает изображение до размера экрана. Другими словами, пленка непрерывно движется мимо источника света. Но работает не так. Глаз видит именно то, что находится перед ним на самом деле. Если проектор будет сделан по такой схеме, мы увидим, как один кадр уходит вниз, а следующий кадр появляется сверху. Перед нами предстанет движение пленки, а не кино. Так что принцип работы проектора явно иной.

На самом деле проектор перемещает каждый кадр в фиксированное положение при заблокированном источнике света. Это функция затвора. Затем затвор открывается, и освещенный кадр проецируется на экран. Затем затвор закрывается. Затем снова открывается, и кадр еще раз проецируется на экран. Затем затвор закрывается, происходит перемещение следующего кадра, и так далее.

Мы только что описали дискретное (прерывистое) движение пленки через проектор — непрерывное движение невозможно. Та же идея работает и с камерой. Физическое устройство, реализующее это прерывистое движение, называется скачковым механизмом. Это ключевое понятие в истории кино, сравнимое с изобретением условного ветвления в истории компьютеров. Безумная гонка за первенство в изобретении кино зависела от того, кто первым заставит проектор работать правильно, а значит, кто первым заставит прерывистое движение работать должным образом. Это определяющее понятие.

Напомним: реальный кинопроектор не реконструирует непрерывный визуальный поток из идеальных отсчетов и не воспроизводит его перед нашими глазами. Вместо этого он отправляет «широкие отсчеты» — кадры, имеющие некоторую продолжительность во времени, с размытым движением — прямо на сетчатку. Он отправляет каждый кадр дважды, а между ними — темнота. Мозг сам реконструирует движение на основе входных данных. Как же это работает?

Каким-то образом система «глаз — мозг» «реконструирует» зрительный поток из «широких отсчетов», которые она получает. Конечно, в действительности все происходит иначе. Интенсивность света поступает через зрачок в качестве входных данных. Но информация из глаза в мозг передается через зрительный нерв серией электрохимических импульсов. Последовательности нейронных импульсов — это не визуальный поток. Возможно, сетчатка действительно реконструирует его, а затем преобразует в последовательности импульсов для мозга. Форма электрической реакции некоторых нейронов глаза, безусловно, указывает на наличие у них функции разбрасывателя, представляя собой высокий положительный горб с отрицательными лепестками. Но деятельность мозга выходит за рамки этой книги. Давайте лучше попробуем объяснить, как воспринимается движение из последовательностей неподвижных снимков.

Восприятие движения

Классическое объяснение ссылается на старое понятие инерции зрения, или персистенции. Это реальная характеристика человеческого зрения: когда воздействие изображения на сетчатку прекращается, нам еще некоторое время кажется, будто оно продолжается. Но инерция зрения объясняет лишь то, почему вы не видите темноту между кадрами во время проекции кинофильма. Если актер или анимационный персонаж перемещается в новую позицию между кадрами, то — благодаря персистенции зрения — вы видите его в обеих позициях: двух Хамфри Богартов, двух Баззов Лайтеров. На самом деле ваша сетчатка видит и того и другого: один исчезает, другой появляется — каждый кадр проецируется достаточно долго, чтобы гарантировать это. Так работает персистенция зрения. Но она не объясняет, почему вы воспринимаете один движущийся объект, а не два объекта в разных положениях. Воспринимаете ли вы двух Богартов в двух разных положениях или одного движущегося Богарта — зависит от того, что ваш мозг делает с информацией, поступающей с сетчатки.

Психофизики проводили эксперименты, чтобы определить характеристики еще одного феномена мозга, который называют кажущимся движением. Исследования не объясняют, как мозг воспринимает движение, но описывают пороги физиологического ощущения. На сетчатку испытуемого проецируется маленькая белая точка на черном фоне. Затем она выключается, а еще одна точка проецируется в другое место. Экспериментаторы варьируют две характеристики: пространственную удаленность между двумя точками и временную задержку между изменением их положения. Мозг воспринимает две точки — одну здесь и другую