Обратно

Тихомирова Г.В., Лапшин В.А., Карпишин Ф.И.
Пути устранения заметности мелькания
изображения в кинематографе

Изучению восприятия зрительным анализатором (ЗА) мельканий изображения уделялось большое внимание уже в первые годы существования кинематографа. Наиболее серьезные работы были выполнены Портером, Айвсом, а позже Е.М. Голдовским и С.М. Проворновым. В настоящее время наметилась тенденция повышения яркости изображения в кинематографе. Новым стандартом ОСТ 19-155-2000 номинальная яркость киноэкрана повышена с 40 до 50 кд/м2. В кинематографической системе «Шоускан» яркость экрана достигает 150 кд/м2, в телевидении яркость экрана кинескопа уже сейчас составляет 150–200 кд/м2. Известно, что с повышением яркости изображения до 150–200 кд/м2 повышается контрастная чувствительность зрительного анализатора и разрешающая способность. Следовательно, возрастает информационная плотность светового сигнала, воспринимаемого ЗА, что повышает четкость наблюдаемого изображения.
С повышением яркости киноизображения в кинотеатрах возрастает заметность его мельканий, поэтому вновь встала проблема снижения или полного устранения заметности мельканий изображения.
Ранее была экспериментально найдена временная частотная характеристика ЗА K3А(n), которая аппроксимирована функцией:

КЗА(n)  =  ехр [–4,8(n/n_кр)²]                                                                        (1)
где n — временная частота;
n_кp — критическая частота слияния мельканий.

При проведении экспериментов яркость тест-объекта (киноэкрана) изменялась по гармоническому закону с помощью оригинального прибора.
Зависимость критической частоты слияния мельканий от яркости тест-объекта найдена Айвсом еще в 1920-е годы:

n_кp.пp = 12,4lgL+29,4,                                                                                 (2)
здесь L — яркость, выраженная в апостильбах.
Поскольку 1 асб  =  1/p кд/м², то для яркости L,
выраженной в кд/м2, формула (2) принимает вид:

n_кp.пp = 12,4lgL+35,6.                                                                                 (3)

В своих экспериментах Айве изменял яркость тест-объекта не по гармоническому закону, а П-образно. Причем время tпp свечения экрана составляло половину периода Т колебаний яркости, т. е. коэффициент обтюрации составлял h_о = t_пр/Т = 0,5.
Чтобы можно было использовать данные Айвса при вычислениях временной частотной характеристики ЗА по формуле (1), приведем формулу (3) к гармоническому изменению яркости тест-объекта.
Периодическую функцию, состоящую из последовательности прямоугольников (рис. 1) с произвольным значением коэффициента ho, представим суммой ряда Фурье:

F(t) = 1 +2sincph_оcos2pn_пpt + 2sincp2h_оcos2p2n_пpt +
  + 2sincp3h_оcos2p3n_пpt  +...,                                                                    (4)
где n_пp — частота следования импульсов, равная1/Т
Для h_о  =  0,5 формула (4) принимает вид:

F(t) = 1+(4/p)[cos2pn_пpt – (1/3)cos2p3n_пpt + (1/5)cos2p5n_пpt –....         (5)

Когда частота n_кp = n_кp.пp, то частоты 3n_кp, 5n_кp,... полностью подавляются зрительным анализатором, он воспринимает только первую гармонику:

F(t) = 1 + (4/p)cos2pn_пpt                                                                            (6)
с амплитудой А, равной 4/p = 1,27.

Рис. 1. П-образное изменение яркости тест-объекта

Принято, что в ЗА имеет место белый шум со средней амплитудой 0,008. Это подтверждается и исследователями. Поэтому критическая частота слияния мельканий бывает при значении K_зp(n_кp) = 0,008. Если амплитуда гармонического колебания яркости с частотой n_кp равна единице, то на выходе ЗА амплитуда гармоники будет равна

А₀ = 1 ґ К_зр( n_кp) = 1 ґ ехр(–4,8) = 0,008.

Если же амплитуда гармоники равна А = 4/p = 1,27, то
A₁ = 1,27K_зp(n_кp) = 1,27 ґ 0,008 = 0,010.

Это значение превышает уровень шума в ЗА, и мелькания тест-объекта становятся заметны наблюдателю. Для устранения этого необходимо повысить частоту мельканий до значения nкр.пр, удовлетворяющего условию:

1,27exp[–4,8(n_кp.пp/n_кp)²] = 0,008.
Отсюда устанавливаем, что n_кp.пp = 1,026n_кp. Следовательно, для гармонического сигнала формула (3) принимает вид:

n_кp = n_кp.пp/1,026 = [12,4lgL+35,6]/1,026 или
n_кp = 12,1lgL+34,7.                                                                                  (7)

График зависимости n_кp от яркости L показан на рис. 2.
Теперь возможно количественно оценить амплитуду колебаний яркости, воспринимаемых ЗА при просмотре изображения на киноэкране.

Рис. 2. Зависимость критической частоты слияния мельканий
от яркости изображения

Если в кинопроекционном аппарате применен двухлопастный обтюратор, то характер изменения яркости на экране будет иметь вид, близкий к показанному на рис. 1, но частота n_np будет равна 48 Гц. В данном случае формула (4) представляет сумму гармоник, которые содержат воспроизводимое на киноэкране изображение. Частоты 2n_np, 3n_np... полностью подавляются ЗА, поэтому колебания яркости определяет только первая гармоника с амплитудой A = 2sincph_о. В этом равенстве h_о — коэффициент обтюрации кинопроектора, который может изменяться от нуля до единицы, что вызывает изменение амплитуды гармоники от двух до нуля (рис. 3). Например, в кинопроекторе 23КПК h_о = 0,57, следовательно,

A = 2sincp0,57 = 1,09.

Рис. 3. Зависимость амплитуды колебаний яркости на экране
от коэффициента обтюрации кинопроектора

Если яркость экрана 50 кд/м², то в соответствии с формулой (7) n_кp = 55,3 Гц. С учетом выражения (1) устанавливаем, что амплитуда колебаний яркости А_зр на выходе ЗА равна:

А_зр = АК_ЗА(48) = 1,09ехр[–4,8(48/55,3)²] = 0,029.

Это значение более чем в три раза превышает уровень шума зрительного анализатора (А₀ = 0,008). Поэтому, наблюдая экран, зритель хорошо заметит мелькания изображения с частотой 48 Гц. Но при проекции кинофильма яркость экрана всегда будет меньше 50 кд/м², поскольку коэффициент пропускания в фильмокопии не превышает 0,7–0,8, а средний коэффициент пропускания в большей части проецируемых кадров лежит в пределах 0,4–0,5. Поэтому максимальная яркость изображения на киноэкране будет равна 35–40 кд/м², а средняя — 20–25 кд/м². Однако даже если средняя яркость экрана, к которой адаптирован ЗА, составляет 20 кд/м², то согласно вычислениям, А_зр = 0,014. Следовательно, в этом случае мелькания будут заметны, но намного слабее, чем на экране без изображения.
Для количественной оценки воспринимаемых зрительным анализатором колебаний яркости введем коэффициент заметности мельканий (или просто коэффициент мельканий):

             (А_зр - А₀)²/А²_зр при А_зр і А₀
x_М = н
             0                         при А_зр < А₀

рассмотренных случаях коэффициент мельканий равен соответственно 0,52 и 0,18. Понятно, что если x_м = 0, то зритель совершенно не замечает мельканий и система воспроизводит отличное изображение. Если значения этого показателя находятся в пределах от 0 до 0,3, мелькания малозаметны и изображение можно считать удовлетворительным. Если же коэффициент мельканий превосходит 0,3, то мелькания очень заметны и воспроизводимое изображение нельзя признать удовлетворительным.
При заданных яркости киноэкрана и частоте кинопроекции снизить значение коэффициента мельканий возможно, лишь усовершенствовав конструкцию обтюратора. При двукратном перекрытии обтюратором каждого кадра снизить этот коэффициент можно только путем повышения коэффициента обтюрации, т. е. уменьшения угловых размеров рабочей лопасти обтюратора. Известно, что угловой размер рабочей лопасти обтюратора складывается из угла движения, равного рабочему углу мальтийского механизма и угла предварительного закрытия. Рабочий угол мальтийских механизмов с четырехлопастным крестом равен 90°. Угол предварительного закрытия зависит от диаметра обтюратора и достигает в некоторых кинопроекторах 30–35°. Уменьшения угла предварительного закрытия можно добиться, если применить однолопастные обтюраторы, вращающиеся с удвоенной скоростью (например в кинопроекторе КП-30). Поскольку коэффициент обтюрации определяется коэффициентом пропускания обтюратора, то для его увеличения угловой размер рабочей лопасти обтюратора немного уменьшают с небольшим сдвигом изображения при закрытии и открытии рабочей лопастью светового потока.
Вследствие указанных факторов коэффициенты обтюрации многих современных кинопроекционных аппаратов значительно отличаются друг oт друга. Так, у КПА «Меоптон» коэффициент обтюрации равен 0,5, а у кинопроектора КП-30 с однолопастным обтюратором — 0,62. Коэффициент мельканий у данных КПА при L = 20 кд/м² составляет 0,25 и 0,11 соответственно.
Значительного повышения коэффициента обтюрации в КПА можно добиться, отказавшись от механических обтюраторов и перейдя к безобтюраторной кинопроекции с «электронным» обтюратором, т. е. к питанию кинопроекционной ксеноновой лампы от специального импульсного питающего устройства, разработанного НИИ прикладных физических проблем (НИИПФП, Минск). В этом случае не расходуется электроэнергия на обтюрацию светового потока, кроме того, отпадает необходимость в угле предварительного закрытия обтюратора. Например, в кинопроекторе 23КПК угол рабочей лопасти обтюратора составляет 77°, а угол предварительного закрытия обтюратора равен 17°. При переходе к безобтюраторной кинопроекции время каждой вспышки проекционной лампы будет равно 14 мс, а коэффициент обтюрации увеличится до 0,66. Коэффициент мельканий при этом снизится до 0,07. Если же одновременно поднять частоту кинопроекции до 25 кадр/с (что допускается стандартом), то заметность мельканий изображения будет полностью устранена, а коэффициент xм станет равен нулю. Однако это произойдет только при проекции кадров средней плотности. С повышением среднего коэффициента пропускания фильмокопии мелькания вновь станут заметны.
Таким образом, с помощью прерывистого движения фильмокопии с двукратной проекцией каждого кадра на экран даже при существующей яркости изображения полностью устранить заметность мельканий изображения невозможно. При повышении яркости изображения заметность мельканий еще более возрастет.
Радикальный путь для полного устранения заметности мельканий — это увеличение частоты мельканий изображения до пределов, полностью подавляемых ЗА. Этот метод уже успешно реализован в дисплеях ЭВМ и решается в телевидении разработкой телевизоров, в которых частота мельканий экрана кинескопа повышена с 50 до 100 Гц. В кинематографе решение этой проблемы с помощью трехлопастных механических обтюраторов встречает значительные затруднения, поскольку трехкратное перекрытие светового потока механическим обтюратором обусловливает еще большие потери светового потока источника света. Если в кинопроекторе 23КПК применить трехлопастный обтюратор, то коэффициент пропускания обтюратора снизится до 0,36, а в кинопроекторе «Меоптон» даже до 0,25.
Решением проблемы могут стать лишь полный отказ от механического обтюратора и переход к электронной обтюрации с импульсным питанием кинопроекционной ксеноновой лампы. Если в кинопроекторе 23КПК применить электронный обтюратор, дающий три вспышки при проекции каждого кадра, то длительность каждой вспышки проекционной лампы должна быть равна 9 мс. Мельканий изображения с частотой 72 Гц зритель не заметит при любой, сколь угодно высокой яркости изображения, а потери света на обтюрацию полностью исключаются.
Использование электронной обтюрации с трехкратным освещением каждого кадра может решить и другую принципиально важную проблему — снижение износа межперфорационных перемычек фильмокопии и деталей мальтийского механизма. Теоретические и экспериментальные работы, выполненные в СПбГУКиТ, показали [13], что при использовании мальтийского механизма с пятилопастным крестом срок службы фильмокопии увеличивается почти в два раза, а износ пальца эксцентрика и шлицов мальтийского креста значительно снижается. Если в КПА с пятилопастным мальтийским механизмом использовать электронную обтюрацию с частотой вспышек 72 Гц и длительностью каждой вспышки 1,5–4,8 мс, то мельканий зритель не заметит. При длительности вспышки 1,5 мс устраняется также смаз изображения, допускаемый в кинопроекторе 23КПК, то есть еще более повышается качество кинопоказа. Уменьшение длительности вспышки проекционной лампы компенсируется увеличением мощности каждой вспышки. При этом световой поток кинопроектора не уменьшается, а расход электроэнергии не увеличивается. Решить подобную задачу, используя механический обтюратор, невозможно.
Источник питания к кинопроекционной лампе в указанном режиме разработан и изготовлен в НИИПФП, а кинопроекционный аппарат с пятилопастным крестом мальтийского механизма и с датчиком синхроимпульсов изготовлен в СПбГУКиТ.
В заключение еще раз отметим, что существующие конструкции театральных кинопроекционных аппаратов с механическими обтюраторами не позволяют значительно повысить яркость киноэкрана без увеличения заметности зрителям мельканий изображения. Это сдерживает прогресс в развитии театрального кинематографа, поскольку известно, что качество кинопоказа значительно повышается с увеличением яркости изображения.
Проблема повышения яркости изображения при частоте кинопроекции 24 кадр/с может быть решена только при обеспечении трех световых импульсов при проекции каждого кадра.
Применение в кинопроекционной аппаратуре электронной обтюрации позволяет полностью устранить заметность мельканий изображения, потери света на обтюрацию, продлить срок службы фильмокопий и снизить износ деталей мальтийского механизма.

Апальков Н.К..Лапшин В.А.,Лобач Н.Г,
Скутаревскии В.А., Чернышев Н.А.
Импульсные источники питания для кинопроекционных ламп

В Научно-исследовательском институте прикладных физических проблем (г. Минск) разработаны источники питания для безобтюраторной кинопроекции, осуществлямой с помощью серийных кинопроекторов различных типов.
Источники питания изготовлены в результате модернизации серийных блоков питания, которыми укомплектованы кинопроекторы. Они могут работать как в режиме постоянного, так и режиме импульсного тока дуги кинопроекционной лампы.
Отличительные особенности этих источников: вдвое большая выходная мощность, в два-четыре раза меньшее потребление электроэнергии, в четыре раза меньшие масса и габариты по сравнению с серийными источниками питания кинопроекторов.
При использовании импульсного источника питания киноэкран освещается с помощью синхронизирован с работой лентопротяжного механизма кинопроектора импульсов света прямоугольной формы с частотой 48 Гц. Использование прямоугольных импульсов позволяет на 8–12% повысить световой поток на экран по сравнению с импульсами света, формируемыми с помощью механического обтюратора и имеющих форму, близкую к синусоидальной. Кроме того, электронный генератор импульсов позволяет легко регулировать длительность, частоту и скважность импульсов света, оптимизируя процесс освещения кадрового окна.
Габаритные размеры, посадочные места, органы управления и соединительные разъемы у модернизированных источников питания те же, что и у серийных. Это максимально упрощает замену источников питания при переводе кинопроектора на безобтюраторную кинопроекцию.
Практическая эксплуатация импульсных источников питания показала, что вместо источника питания типа 50-ВУК-120 целесообразно применять модернизированный источник питания типа БПК-1000, вместо 49-ВК-160 — модернизированный и почти вдвое укороченный по высоте 50-ВУК-120, а вместо 56-ВУК-300 — модернизированный 50-ВУК 120, естественно, при полном обеспечении требуемых эксплуатационных параметров.
При такой замене импульсные источники, обладающие значительно меньшими габаритами и не имеющие электрических наводок и помех, характерных для серийных источников питания с мощными электромагнитными дросселями насыщения, можно располагать непосредственно под кинопроекторами. Таким образом, экономятся не только площади киноаппаратных, но и сводятся к минимуму потери электроэнергии в сильноточных проводах, соединяющих кинопроектор с источником питания, расположенным обычно в отдельном помещении, удаленном на 5–10 м от кинопроектора.
В этой статье кратко излагаются основные результаты эксплуатации в минском кинотеатре «Москва» кинопроектора КП-30В с ксеноновыми дуговыми лампами, работающими в импульсном режиме.
Опытная эксплуатация импульсного источника питания в кинотеатре преследовала две основные цели: определение технических характеристик и проверку работоспособности импульсного источника питания в длительном режиме работы в кинопроекторе типа КП-30В, а также определение световых характеристик такого же кинопроектора с дуговой лампой типа ДКсШ-3000-3 и ее ресурса при работе с импульсным источником питания.
Использовались кинопроектор КП-30В с проекционной ксеноновой дуговой лампой типа ДКсШ-3000-3; источник постоянного тока — штатный источник питания кинопроектора типа 56ВУК-300; источник импульсного тока — опытный образец импульсного источника питания с условным названием 50-ВУК-120И, изготовленный на основе модернизации серийного источника питания типа 50-ВУК-120; осциллограф С1-65 для измерения амплитудного значения величины тока и напряжения горения лампы при импульсном питании кинопроектора; измерительные клещи для измерения тока потребления в питающих фазах цепи переменного тока 220 В, 50 Гц.
Освещенность широкоформатного киноэкрана измерялась с помощью штатного кинолюксметра ЛК-1 в 30 точках экрана. В кинопроекторе была применена ксеноновая лампа, уже проработавшая 230 ч в обычном режиме постоянного тока в кинопроекторе КП-30В.
Методика испытаний заключалась в следующем. После того, как киноустановка с обтюратором и источником постоянного тока была включена в штатном режиме 100 А, 30 В, с помощью измерительных клещей измерялся ток потребления по трем фазам. Весь комплекс измерений электрических и световых характеристик лампы и освещенности киноэкрана проводился при постоянном токе горения.
Затем в кинопроекторе снимался обтюратор, кинопроекционная дуговая ксеноновая лампа подключалась к импульсному источнику питания. После нового включения киноустановки проводился тот же комплекс измерений электрических и световых характеристик, что и при постоянном токе горения лампы.
Качество изображения кинокадра проверялось с помощью тестофильма изображения (35 КФИ).
В результате испытаний установлено:
– максимальная выходная мощность импульсного источника питания при длительной (более 11 ч) непрерывной работе — 5 кВт;
– средняя величина освещенности киноэкрана со штатным источником питания типа 56-ВУК-300 и при наличии обтюратора 106 лк. Световой поток 7900 лм, ток лампы const = 100 A, напряжение горения лампы 30 В. Ток потребления от сети переменного тока 20 А;
– средняя величина освещенности киноэкрана при отсутствии обтюратора 101 лк. Световой поток 7600 лм, ток лампы — импульсный, 100 A (амплитудное значение), эффективное значение 55 А, напряжение горения лампы 26 В. Ток потребления от сети переменного тока 5 А;
– средняя величина освещенности киноэкрана при отсутствии обтюратора 150 лк. Cветовой поток 11300 лм, ток — импульсный, 150 A (эффект. = 90 А), напряжение горения лампы 28 В.
Наработка дуговой лампы типа ДКсШ-3000-3 в импульсном режиме с амплитудной мощностью 5 кВт составила более 400 ч.
После 400 ч эксплуатации лампы мощностью 3 кВт в импульсном режиме с пиковой мощностью 5 кВт освещенность экрана снизилась не более, чем на 5% по сравнению с началом испытаний. Испытания продолжаются для определения ресурса серийных ксеноновых дуговых ламп в импульсном режиме работы.

Выводы
1 При использовании импульсного питания кинопроекционной лампы не отмечено появление «тяги» или других искажений изображения кадра, а также помех в звуковом сопровождении фильма.
2. Применение импульсного питания лампы позволяет в четыре раза сократить потребление электроэнергии от питающей сети переменного тока при сохранении уровня освещенности экрана и в два раза снизить тепловую нагрузку на оптические и механические узлы кинопроектора. Это повышает надежность узлов работы и увеличивает их ресурс, особенно интерферренционных зеркал.
3. Использование импульсного питания лампы позволяет снять с киноустановки обтюратор и таким образом снизить уровень шумов и вибрации во время работы кинопроектора и улучшить условия работы обслуживающего персонала.
4. Ксеноновая дуговая лампа постоянного тока мощностью 3 кВт может долго (более 400 часов, и испытания еще не закончены) работать в кинопроекторе в режиме прямоугольных импульсов тока с пиковой мощностью 5 кВт и более. При работе 3-кВт дуговой лампы в импульсном режиме 5 кВт в кинопроекторе со снятым обтюратором освещенность киноэкрана равнялась освещенности, создаваемой кинопроектором с обтюратором и 5-кВт дуговой лампой с водяным охлаждением.
5. Работоспособность импульсного источника питания 50-ВУК-120И сохраняется при непрерывном режиме работы в течение 10 и более часов.
В НИИ ПФП разработана технология модернизации серийных источников питания мощностью от 0,25 до 10 кВт для кинопроекторов различных типов отечественного и чешского производства.
Эти высокоэкономичные импульсные источники питания для безобтюраторной кинопроекции уже испытаны, в 1999 г. началась их опытная эксплуатация в испытательных лабораториях Белоруссии и России и кинозалах Минска. Несколько экземпляров импульсных источников мощностью 1–3 кВт передано в Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения для проведения полного комплекса испытаний и научно-исследовательских работ.
На Международной специализированной выставке и конференции в Санкт-Петербурге в июле 1999 г. демонстрировалась работа экспериментального безобтюраторного кинопроектора с импульсным источником питания мощностью 1 кВт.

Обратно