Что общего у кошки и ровера на Луне часть 1
Леонид Коновалов
ЧТО ОБЩЕГО У КОШКИ И РОВЕРА НА ЛУНЕ?
Могу спорить, что вы ни за что не догадаетесь, что общего есть у обычной кошки и ровера на Луне? Я имею в виду вообще семейство кошачьих (с одной стороны) и знаменитые проезды на электромобиле по Луне, под названием «Гран При» (с другой стороны). Помните, как в киноролике миссии Аполлон-16 электромобиль, весело подскакивая на ухабах, сделал два круга по лунной поверхности? Вот об этом проезде я и хочу поговорить.
Рисунок 1. Электромобиль (ровер) на Луне.
Apollo-16. Проезды электромобиля (ровера) по Луне.
У вас, наверное, мелькнула мысль, что я начну сравнивать «мягкость» прыжков здесь и там - и будете не на верном пути. Я хочу поговорить совершенно о другом явлении. Даже могу дать подсказку, чтобы объяснить, о чем сейчас пойдет речь. Слово для подсказки - «ковер». Но вряд ли эта подсказка натолкнет вас на ответ. Потому что ни о каком реальном ковре не будет ни слова. Речь пойдет о «тапетуме» - об особом слое внутри глаза кошки. Латинское слово «tapetum» означает «ковер» или «покрывало». Тапетум - это такой перламутровый слой в глазу у животных, позади сетчатки, который работает как зеркало, отражая назад падающий в глаза животного свет. Он позволяет животным лучше видеть в сумерках и при очень слабом свете: возвращая прошедший свет назад, опять на сетчатку, этот тапетум, судя по всему, позволяет в 2 раза повысить эффективную светочувствительность глаза.
Когда мы фотографируем кошку со вспышкой, глаза начинают ярко светиться. (рис.2) Шерсть кошки отражает свет диффузно, во все стороны, а вот тапетум - он работает как зеркальце - отражает свет туда, откуда пришел. А поскольку объектив и вспышка на фотоаппарате, как правило, находятся очень близко друг от друга и практически на одной оси, свет от вспышки, попадая в кошачьи глаза, возвращается прямо в объектив. А вот свет, попавший на шерсть, рассеивается во все стороны, теряя свою эффективность, и до объектива доходит лишь малая часть.
Рисунок 2. Глаза кошки отражают направленный свет.
Подобными свойствами отражения, как у тапетума, обладают некоторые, специально созданные материалы, их называют световозвращающими. Они применяются для изготовления дорожных знаков и светящихся полос на одежде, например, у работников дорожных служб (рис.3). В темное время суток, отражая свет от фар автомобиля обратно к источнику света, эти знаки и элементы одежды становятся видны водителем за 150-200 метров.
Рисунок 3. Световозвращающие элементы на одежде.
Применяются такие материалы и в киноиндустрии. Из них делаются специальные киноэкраны для комбинированных съемок. Наибольшую известность эти киноэкраны получили благодаря комбинированным кадрам в фильме С.Кубрика «2001: Космическая Одиссея.» Материал называется скотчлайт (scotchlite) - рис.4.
Рисунок 4.
Изготовитель этих экранов - фирма «3М» (Minnesota Mining and Manufacturing Company), которая начала выпуск светоотражающих пленок для дорожных знаков еще в 1939 году.
Поверхность экрана состоит из мельчайших стеклянных шариков, диаметром примерно 0,05-0,1 мм. Чтобы понять, насколько они малы, можно привести такой пример: на один дюйм по длине приходится от 250 до 400 шариков, что примерно соответствует принтеру с разрешающей способностью 300 dpi. Другими словами, диаметр шарика сопоставим с печатной точкой в принтере. Визуально экран из скотчлайта кажется однородным (рис.5), и только при макросъёмке можно заметить шарики (рис.6,7,8,9).
Рисунок 5. Материал скотчлайт вблизи
Рисунок 6. Макросъемка.
Рисунок 7. На скотчлайт наложена миллиметровая шкала (значения 1 мм и 2 мм).
Рисунок 8.
Рисунок 9.
Рисунок 10. Благодаря сферической поверхности, луч света возвращается туда, откуда пришёл.
У стеклянных шариков есть такая особенность - они не рассеивают свет во все стороны, а отражают луч света туда, откуда он пришел (рис.10), назад, к источнику света. Благодаря такому свойству удается добиться невероятно высокой яркости экрана. Правда, оценить эту яркость сможет лишь тот зритель, чьи глаза окажутся на линии отраженного луча. А этот луч идет от экрана к источнику света. Следовательно, зритель должен находиться в том же месте, где источник света, другими словами - там, где находится проектор, освещающий экран. Для человека, который стоит немного в стороне от освещающего экран проектора, экран покажется серым, ведь стеклянные шарики почти ничего не отражают в сторону. 95% отраженного от экрана света возвращается к исходной точке, к объективу проектора.
В домашних условиях в качестве киноэкрана мы используем белый лист бумаги, белую ткань или специальный матовый пластиковый экран из поливинилхлорида (ПВХ), реже - экран с аллюминиевым напылением или металлизированную ткань.
Белый экран рассеивает свет диффузно, одинаково во все стороны, поэтому имеет большой «угол обзора», и зрители, сидящие по центру зала и с краю ряда, видят под разными углами одинаковую по яркости картинку на экране (рис.11).
Рисунок 11. Диффузный экран в кинозале.
Совсем иначе ведет себя экран из скотчлайта.
Рисунок 12. В руках - экран из скотчлайта.
В рассеянном свете он выглядит серым (рис.12), примерно таким же по яркости, как средне-серое поле на тестовой шкале (рис.13).
Рисунок 13. Слева - экран скотчлайта, справа - серая шкала.
Но если фотоаппаратом сотового телефона сделать снимок со вспышкой, яркость такого экрана увеличивается во много раз. Экран становится «ослепительно» белым (рис.14).
Рисунок 14. При использовании направленного света (вспышка) яркость скотчлайта увеличивается во много раз.
Это происходит из-за того, что почти весь свет, попавший на экран от вспышки, не рассеивается экраном во все стороны, а как от зеркала, возвращается назад, к источнику света. А поскольку вспышка на сотовом телефоне расположена совсем рядом с объективом (рис.15), то почти весь отраженный свет направленно возвращается в объектив, экран становится ослепительно белым. А серое и белое поле на шкале рассеивают свет диффузно во все стороны, их яркость незначительна.
Рисунок 15. Вспышка на сотовом телефоне расположена близко к объективу.
Строго говоря, утверждение, что свет от скотчлайта возвращается, как от зеркала, не совсем точно. Если бы вместо экрана было плоское зеркало, то мы увидели бы в зеркале лишь одну «горячую точку» - отражение самой вспышки. Причем, это было бы небольшое яркое пятнышко, блик где-то в середине зеркала, в то время как остальная площадь зеркала оставалась бы темной - ведь свет, падающий на левую часть зеркала, после отражения уходит еще дальше влево и не попадает в объектив; а свет, освещающий правую половину зеркала, после отражения уходит вправо (рис.16, слева). А вот для экрана из скотчлайта все освещенные вспышкой точки поверхности оказываются одинаково яркими, весь экран окажется состоящим из "горячих" точек (рис.16, справа), поэтому бликовать начнет весь экран.
Рисунок 16. Разные схемы зеркального отражения.
Глядя на ослепительно яркий экран скотчлайта при вспышке, нам захотелось узнать, во сколько же раз увеличилась его яркость. Понятно, что максимум яркости должен наблюдаться в том случае, когда мы становимся в точности на одну ось с источником излучения света.
Для замера яркости мы воспользовались яркомером Асахи-Пентакс (рис.17), который до недавнего времени был самым популярным светоизмерительным прибором у кинооператоров на съемочной площадке. Прибор производит «точечные» замеры яркости, поэтому иногда называется спотметром (от английского «спот» - пятно, точка).
Рисунок 17. Яркомер Асахи-Пентакс для профессиональных кинооператоров.
Если посмотреть в окуляр прибора, то там можно увидеть шкалу от 1 до 19 EV (exposure value) и маленькую окружность в центре, она указывает на угол замера 1 градус. Разница в одну единицу EV соответствует изменению яркости в 2 раза, это называется 1 ступень. Легко посчитать, что диапазону измерений этого прибора от минимальной до максимальной яркости (18 ступеней) соответствует разница в 218 = 250 тысяч раз.
Например, МАКСИМАЛЬНАЯ яркость монитора моего компьютера равна 11,1 EV (рис.18), что соответствует 310 кд/м2.
Рисунок 18. Шкала яркомера.
Вначале мы решили определить, насколько белый (матовый) экран может отличаться по яркости от «зеркального» экрана, если в качестве второго будет использовано обычное плоское зеркало.
Эксперимент был прост. Осветительным прибором (светодиодной панелью) освещалась прислоненная к зеркалу тестовая шкала, имеющая 3 ахроматических поля (серое, белое и черное). И тут же рядом со шкалой было видно отражение осветительного прибора в зеркале (рис.19).
Рисунок 19. В кадре одновременно источник света и освещаемая им белая поверхность.
Яркомер показал, что когда мы переходим от белого экрана (белый лист бумаги, точка А) к зеркальному отражению источника света (точка В), яркость меняется почти на 7 ступеней (если быть точным, то на 6,9 - с 10,6 до 17,5), что составляет практически в 120 раз (26,9 = 119,4). Другими словами, если вместо БЕЛОГО киноэкрана у нас будет установлен некий зеркальный экран, то он будет ярче белого материала примерно в 120 раз.
Когда мы попытались измерить яркость экрана из скотчлайта, встав на одной оси с осветительным прибором, то столкнулись к определенной трудностью: на экран падала тень от головы или от яркомера. Чтобы деликатно обойти это препятствие, нам понадобилось обычное оконное стекло, установленное под 45 градусов к экрану. Свет от проектора изначально шел параллельно экрану, но дойдя до стекла, отклонялся в перпендикулярном направлении и попадал на экран. Перед стеклом, на таком же удалении от него, как и проектор, помещался яркомер (рис.20).
Рисунок 20. Схема замера яркости экрана
В нашем случае (см. рис.21) стекло отражало под прямым углом примерно 12% света, 8% света стекло поглощало. Остальные 80% света проходили по прямой линии и попадали слева на другую стену. Этот свет, ушедший на другую стену (слева) никак не используется, он только мешает своей яркостью, поэтому экран слева завешивался черной бумагой (рис.21).
Рисунок 21. Замер через стекло яркости скотчлайта и белого поля на шкале
На фотографии можно видеть яркий свет на правом плече пиджака, на лбу и на пальцах руки. Этот свет идет, отражаясь (возвращаясь) от скотчлайта.
Затем верхний свет в помещении выключался и производился точный замер (рис.22).
Рисунок 22. Сравнительный замер яркости белой поверхности и поверхности скотчлайта .
Для белого поля не столь важно, с какого направления мы промеряем его яркость, оно отражает свет диффузно, одинаково во все стороны. При замере с немного боковой точки (20 градусов от перпендикуляра), белое поле имело яркость 7 EV (рис.23), а скотчлайт выглядел темнее на 2 ступени (5 EV).
Рисунок 23. Замер яркости белого поля
Но как только с яркомером мы встали перпендикулярно экрану, на точку, где пересекаются линии возвращения света (на высоте объектива проектора), экран из скотчлайта сразу же стал ослепительно белым - причем настолько сверхъярким, что рядом с ним белое поле шкалы (находящееся справа от точки замера) стало казаться черным (рис24).
Рисунок 24. Максимальная яркость экрана из скотчлайта при прежних световых условиях. Яркость меняется только от угла наблюдения. Темная часть кадра справа - так выглядит теперь белое поле.
Значения яркомера ушли за 14,2 EV. Легко посчитать, что по сравнению с белым полем, экран стал ярче в 27,2, т.е. 147 раз. В статье, посвящённой съемкам фильма "2001.Космическая Одиссея" упоминается коэффициент 100 для экрана из скотчлайта. Журнал "American cinematographer", июнь 1968
Если же посчитать, как сильно меняется яркость самого скотчлайта от изменения угла наблюдения (смещение на угол 20 градусов от оси), то мы получим просто фантастическое значения, от 5 до 14,2 EV, более чем на 9 ступеней - это изменение яркости в 29,2=588 раз. Серый экран скотчлайта похожий в рассеянном свете по светлоте на 18%-ное серое поле, в направленном свете становится ярче почти в 600 раз.
Если мы фотографируем ночью животных с направленным светом (со вспышкой или с инфракрасной подсветкой, расположенной рядом с объективом), то примерно половина света, упавшая на глаза животного, поглощается роговицей глаза, эндотелием тапетума, а вторая половина возвращается назад к объективу. Поэтому можно предположить, что при 50%-ной потере света в глазу животного, яркость тапетума в рассеянном и остронаправленном свете изменяется примерно в 300 раз (588/2). Чем дальше расположен объект съемки, и чем ближе расположена вспышка к объективу, тем меньше оказывается угол параллакса между осью объектива и осью вспышки, тем ярче будет казаться глаз животного. А так как по коэффициенту отражения шкура животного, экран скотчлайта в рассеянном свете и серое поле на шкале близки друг к другу, то получается, что по отношению к шкуре животного глаза будут светиться примерно в 300 раз ярче, если их осветить вспышкой. Глаза животного в темноте станут "гореть" (рис.25).
Рисунок 25. Глаза животных "горят" в ночи от света вспышки
Не знаю, догадались вы уже или нет, для чего мы так подробно что-то высчитываем и так скрупулезно описываем методику измерения яркости экрана? Не догадались? Мы объясняем схему и принципы съемок комбинированных кадров методом фронтпроекции. Именно фронтпроекция на экран из скотчлайта использовалась при съемке ровера на Луне. А эти числа необходимы для того, чтобы ответить на ваши недоуменные вопросы, которые обязательно возникнут у вас, когда вы познакомитесь с технологией съёмки "лунных" кадров. Всё вначале вам покажется просто невероятным, непривычным. Вот поэтому мы так подробно излагаем всех деталей такой съемки.
«Какая фронтпроекция? Какой еще скотчлайт на Луне?» - удивитесь вы.
Фронтпроекция - это основной метод съемки общих планов в лунных экспедициях «Аполлонов».
Например, этот кадр из миссии «Apollo-15» (рис.26) - типичный пример комбинированных съемок с применением фронтпроекции. Кадр снят в павильоне. Изображение горы проецируется со слайда на экран из скотчлайта. А перед экраном находится насыпной грунт и актер, изображающий астронавта.
Рисунок 26. Астронавт на Луне, миссия "Аполлон-15". Снимок с официального сайта НАСА.
Разберем подробнее метод фронтпроекции.
Слайд-проектор проецирует изображение фона (слайд с изображением лунной горы) на большой экран (шириной около 30 метров). Сам слайд-проектор установлен сбоку от экрана, свет от него вначале падает на полупрозрачное зеркало, меняет направление на 90 градусов и попадает на экран из скотчлайта (рис.27). Полупрозрачное зеркало отражает на экран около 50% падающего света. Зеркало полупрозрачным должно быть для того, чтобы через него могла вестись киносъемка.
Рисунок 27. Схема фронтпроекции с полупрозрачным зеркалом
Та часть света, которая проходит сквозь полупрозрачное зеркало по прямой (примерно 50%), никак не используется. Чтобы этот свет не мешал работе, в этом месте (слева от зеркала) в павильоне ставится экран из черного бархата. Без этого черного экрана находящиеся слева предметы обстановки будут отражаться в полупрозрачном зеркале.
Когда вы смотрите на схему метода фронтпроекции, то у вас сразу возникают три «недоуменных» вопроса.
Первый. В кадре видна тень актера на фоне, на экране. Почему мы ее не видим в кинофильмах, где используется фронтпроекция?
Второй вопрос. Если проектор с картинкой фона светит прямо на актера, то почему мы не видим изображение фона на лице и одежде актера, ведь актер в белом скафандре?
И третий вопрос. Мы освещаем актеров перед экраном специально поставленным светом, как бы светом от Солнца. Почему этот свет не засвечивает экран?
Чтобы ответить на эти вопросы, мы повторили в павильоне «лунный снимок» из миссии Аполлон-15, взяли специально белые фигурки - астронавтов в белых скафандрах - и поместили их в лунный пейзаж с помощью фронтпроекции.
Изображение лунного пейзажа подавалось с компьютера на видеопроектор (рис.28).
Рисунок 28. Полная "линейка" оборудования для фронтпроекции.
Свет от видеопроектора попадал на полупрозрачное зеркало и отклонялся под прямым углом вправо на экран из скотчлайта (рис.29).
Рисунок 29. Перед объективом видеопроектора нет светофильтра. На краю зеркала - отражение объектива фотоаппарата.
Перед экраном была установлена кювета с насыпным грунтом. На этот грунт были поставлены фигурки астронавтов. Конечно, эти фигурки отбрасывали тень на экран (рис.30).
Рисунок 30. Насыпной грунт в кювете перед экраном
Но поскольку фотоаппарат стоял соосно с проектором, с его точки зрения тень идеально скрывалась за фигуркой. Это видно по монитору фотоаппарата. С точки зрения стороннего наблюдателя сейчас на объекте яркость фигурок и яркость изображения на экране примерно одинаковы (рис.30). Но с точки зрения фотоаппарата, яркость на фоне слишком высока (рис.31).
Рисунок 31. То, как видит фотоаппарат - передний план слишком темный, фон очень светлый.
Чтобы выровнять яркость переднего плана и фона, световой поток от проектора пришлось сильно уменьшить с помощью серых светофильтров. Теперь на мониторе фотоаппарата мы видим почти нормальную картинку лунной горы (рис.32). А вот для стороннего наблюдателя экран почти погас.
Рисунок 32.
На проектор (перед объективом) был установлен стеклянный серый фильтр НС-9 (рис.33), уменьшающий количество света в 30 раз.
Рисунок 33. Серый стеклянный фильтр НС-9
Но и этого оказалось недостаточно. Был дополнительно установлен фильтр НС-2, еще в 5 раз уменьшающий свет. Итого, с помощью серых фильтров световой поток от видеопроектора был уменьшен в 150 раз. И вот только после этого, соотношение яркостей переднего плана и фона окончательно выровнялось на мониторе фотоаппарата (рис.34).
Рисунок 34. Перед объективом видеопроектора установлены серые стеклянные фильтры. Изображение на экране скотчлайта для стороннего наблюдателя почти исчезло, но фотоаппарат видит иначе - яркость сотчлайта на мониторе очень высокая. В полупрозрачном зеркале отражается черная бумага слева.
Помните, мы выше уже считали, что максимальная яркость «зеркального» экрана из скотчлайта примерно в 150 раз выше яркости белого матового экрана, рассеивающего свет диффузно (в эксперименте у нас получалось в 147 раз). Из этого следует, что свет, падающий на экран скотчлайта, должен создавать освещенность в 150 раз меньшую, чем освещенность астронавтов на переднем плане (падающий на астронавтов свет). Такое «экономное» использование света проектора позволяет разогнать изображение на очень большой по площади экран, до 30-ти метров в длину.
Рисунок 35. Рабочий момент съемки. На прожекторах установлены синие светофильтры.
С точки зрения бокового наблюдателя никакого изображения на экране уже нет (рис.35). То, что вы видите на этом снимке - и есть рабочий момент съемки фронтпроекции с использованием экрана из скотчлайта. Изображение на экране видит один-единственный зритель - кинооператор. Его фотоаппарат получает вот такую картину (рис.36). Если внимательно приглядеться, то слева по контуру астронавтов можно заметить тень. Следовательно, нарушилась соосность видеопроектора и съемочной камеры. Фотоаппарат в таком случае следует сдвинуть немного вправо, чтобы скрылась тень. И вот после того, как найдено точное положение камеры, стараются больше не трогать расположение проектора, экрана, полупрозрачного зеркала и штатива съемочного аппарата. А для получения других кадров двигают... декорацию. Бутафорский грунт и актеры располагаются на платформе, которая может перемещаться влево-вправо относительно экрана.
Рисунок 36. Слева по контуру астронавтов слегка видна их собственная тень - нарушилась соосность.
И ещё - осталось сделать тонкую нюансировку - как можно точнее подогнать цветность насыпного грунта к цвету фона (рис.37).
Рисунок 37. Цвет грунта на переднем плане стал ближе к цвету фона.
Продолжение статьи, вторая часть