电影、电视与数字影院电影采用变形或非变形两种方式拍摄和放映35mm胶片。
普通银幕和遮幅宽银幕影片在拍摄和放映时使用普通镜头,因此放映在银幕上的画面宽高比与胶片画面的宽高比相同;变形宽银幕影片在拍摄时使用了水平方向2:1压缩的变形镜头,放映时则使用水平方向1:2扩展的变形镜头,因此放映在银幕上的画面宽高比与胶片画面的宽高比是不同的。
不论变形或非变形方式,胶片上允许记录画面的高度和宽度都是相同的,即每幅画面占用4个齿孔的高度大约18mm,在35mm宽度的方向上去掉两边的齿孔和音轨后只有21mm左右可用,因此不同宽高比格式在胶片上的画面宽度都是相同或几乎相同的,所不同的是画面尺寸高度以及画面之间的空隙部分。
表1列出了35mm胶片的几种常用宽高比格式,目前使用最多的格式有三种:1.普通银幕 (Normal) 1.37:1,其宽高比与标准清晰度电视的1.33:1 (4:3)非常接近。
2.宽银幕 (Widescreen) 1.85:1,也称为遮幅宽银幕,其宽高比与高清晰度电视的1.78: 1 (16:9)非常接近。
3.变形宽银幕 (Cinemascope) 2.35:1 (或2.4:1),制定中的数字影院拟采用类似的比例。
拍摄图像尺寸与焦距、景深的变化1.85:1的35mm电影胶片与16:9的2/3英寸CCD成像尺寸比较。
从图中可以看到,因为35mm胶片的成像尺寸是2/3英寸CCD的两倍多,所以使用2/3英寸CCD摄像机时镜头焦距值只有35mm胶片的1/2.5(参见表2),景深范围也比35mm胶片大了2.5倍(参见表3)。
例如,要想得到与35mm胶片摄影机24mm焦距镜头F4光圈相同的视角和景深范围,摄像机镜头的焦距应设置为10mm (24mm的1/2.5),光圈F 1.7 (F4的2.5倍)。
在这里需要说明的是,焦距和景深范围只与成像尺寸有关,因此不论摄像机是标准清晰度还是高清晰度只要摄像机内使用的CCD尺寸相同其结果都是一样的。
清晰度清晰度的表示方法有两种方式经常用于图像清晰度的描述,一种是像素数量(或线条数),例如,1K清晰度表示1,024个像素;另一种是调制传输函数(MTF-Modulation Transfer Function)。
在电视技术中还经常用电视线(TV Line)或带宽(Band Width)来描述水平清晰度,实际上可以把电视线和带宽分别看作像素数量和MTF在电视技术中的专用表述。
像素数量表达的是绝对值,它的优点是简单直观,缺点是无法描述清晰度变化的趋势;MTF表达的是两个变量间的相对关系,可以非常清楚地描述清晰度的变化,缺点是不如前者简明。
35mm胶片的清晰度35mm胶片的清晰度与复印次数密切相关,由于胶片接触复印时的光散射等原因复印版的清晰度低于原版,一般复印版的清晰度只相当于原版的60-70%。
拍摄电影时使用的负片(Negative Film Stock)经显影、定影处理后其水平清晰度可达4K以上,素材负片经剪接后通过光学复印得到的正片称为翻正片或中间正片(Interpositive),翻正片的清晰度仍然可以达到2K以上,翻正片经过光学复印后得到的负片称为翻底片或中间底片(Internegative),清晰度低于2K。
从图6可以看到,光学复印的过程相当于低通滤波器,复印的次数越多清晰度越低。
因为每次复印都会对胶片造成机械摩擦和损伤,为了保护母版并得到足够数量的发行放映拷贝(Film Print或Copy Print,Release Print)就必须控制每次复印的数量而增加复印的次数,所以实际上在电影院看到的发行拷贝至少是经过5次复印的,其清晰度只有拍摄时素材负片的20-30%,即1K左右。
因此,在讨论胶片的清晰度时必须明确其复印的次数。
电视的清晰度不论是高清晰度还是标准清晰度电视,现代电视摄像机使用最多的摄像器件是电荷耦合器件(CCD),CCD是一种有限像素摄像器件,因此其清晰度受到像素数量的限制。
目前高清晰度摄像机使用的CCD水平方向像素大约是2,000个,标准清晰度摄像机大约1,000个。
因此,高清晰度摄像机能够达到的水平清晰度为2K,标准清晰度摄像机是1K。
不过,由于传输带宽的限制高清晰度摄像机输出信号的清晰度只有 1.55K,标准清晰度摄像机只有0.64K。
由于技术水平的限制目前实用的高清晰度录像机采用了带宽限制技术,例如Sony HDCAM记录的电视信号水平清晰度大约相当于1.25K。
从图7可以看到,在相当于20-30MHz的区间35mm发行放映拷贝的调制度比高清晰度电视低,在超过30MHz的区间胶片仍然有输出但高清晰度电视的输出急剧地下降为零,这也是胶片的图像看起来虽然不如高清晰度电视清晰但比较柔和而高清晰度电视的图像虽然很锐利但感觉比较硬的原因之一。
清晰度与彩色彩色胶片的R、G、B三种基色分辨率是不同的,也就是说R、G、B三种颜色的清晰度不同。
一般彩色胶片的蓝色(B)分辨率最高,绿色(G)次之,红色(R)最低。
电视摄像机R、G、B三种基色使用的CCD像素数量完全相同,因此R、G、B的带宽即分辨率是相同的。
在传输和记录时为了节省带宽采用了宽带亮度信号窄带色差信号的方式,即亮度信号清晰度最高,红和蓝色差信号清晰度低,这也是胶片与电视的主要差别之一。
灵敏度和信噪比胶片与电视摄像机的灵敏度和信噪比比较胶片的灵敏度与感光乳剂的配方有关,电视摄像机的灵敏度则主要取决于CCD摄像器件。
胶片的噪波来自感光乳剂颗粒,在其它条件相同的情况下胶片面积越大感光乳剂颗粒的可见程度越低,也就是颗粒噪波越小;电视摄像机的噪波主要来自摄像器件CCD,CCD的随机热噪波在频率轴上的分布是均匀的,呈现出所谓的白噪波特征。
胶片的颗粒噪波和CCD噪波在时间和空间上的分布都是随机的,因此虽然两者产生的原因不同,但它们对图像产生的干扰是相似的。
电影行业一般用感光度(Exposure Index)表示胶片的灵敏度,用颗粒度(Granularity Index)表示胶片特有的颗粒噪波;而在电视技术中则使用在特定条件下(照度2000 Lux / 89.9%反射率)的光圈值表示摄像机的灵敏度,用信噪比表示摄像机特有的随机噪波。
灵敏度与信噪比的关系一般来说胶片的灵敏度越高颗粒噪波也越大,但胶片的灵敏度不能由用户随意改变;摄像机的灵敏度(即增益)是可以调整的,但灵敏度(增益)越高噪波电平也越高,所以在摄像机技术中灵敏度和信噪比是一对相互关联的指标,即讨论灵敏度时必须设置一个约束条件-噪波电平,否则任何有关灵敏度的指标都是没有意义的。
Sony高清晰度摄录一体机HDW-F900摄像机部分的灵敏度和信噪比与35mm参考胶片的对照。
为便于比较,表中摄像机的灵敏度是用胶片的感光度表示的。
从表中可以看到,当HDW-F900摄像机的增益设置为0dB时其灵敏度相当于胶片300 ASA的感光度;从-6dB到+12dB改变增益设置时摄像机的灵敏度相当于胶片150 ASA至1200 ASA。
从表中还可以看到,EXR-5245 (50 ASA) 35mm胶片的颗粒噪波电平是49dB,与摄像机+6dB增益设置时的信噪比(48dB)差不多;当摄像机的增益设置为0dB或+3dB时HDW-F900的噪波电平比EXR-5245 (50 ASA) 35mm胶片的颗粒噪波电平低。
宽容度和动态范围胶片的曝光宽容度((Exposure Latitude)表示胶片的安全曝光范围,摄像机的动态范围(Dynamic Range)表示摄像器件的线性范围,两者都是能够得到可用图像的光输入极限范围值。
胶片的宽容度一般用镜头光圈值表示胶片的宽容度。
镜头光圈每增大1级则光通量增加到原值的2倍,例如假设光圈F11时光通量为1,光圈增大1级至F8时光通量是2,光圈增大2级至F5.6时光通量增加到4,光圈F4时光通量是8。
负片正常曝光时表现的亮度变化范围大约是7级光圈,相当于对比度130:1。
负片总的动态范围是9至10级光圈,相当于对比度500:1至1,000:1,换言之负片的宽容度是在正常曝光值的基础上增加2至3级光圈,即胶片接受正常曝光值4至8倍的光通量时仍然能表现出被摄物体的灰度等级。
胶片的伽玛特性图10是负片的伽玛特性曲线,从图中可以看到,胶片中间大部分的光敏特性是线性的,但暗部和高亮度部分的灵敏度都比中间部分低。
一般把胶片的暗部曲线称为趾部,高亮度部分的曲线称为肩部,因为趾部和肩部的灵敏度都比中间部分低,所以暗部和高亮度部分的对比度被压缩了。
实际上中等亮度部分40%的灰度层次占用的胶片密度资源超过了70%,暗部30%的灰度层次只用了不到15%,而高亮度部分30%的灰度层次也只用了不到15%。
例如,正常曝光时胶片的密度已经超过了最大值的85%,在此基础上再增大2至3级光圈即光通量增加到正常曝光值的4至8倍时胶片的密度只增加了不到15%。
图11是负片与正片伽玛特性的比较。
正片与负片的特性基本相同,两者的主要区别是正片的密度比负片大得多,正片的这种特性能够满足影院放映时所需要的高对比度要求。
摄像机的动态范围在电视技术中一般用分贝表示摄像器件的动态范围,用百分比表示摄像机的动态范围。
以Sony的HDW-F900高清晰度摄像机为例,在隔行扫描模式下CCD的动态范围大约是70dB,相当于对比度1,500:1或10.5级光圈的亮度变化范围。
HDW-F900把相当于8级光圈250:1对比度的CCD动态范围用于正常拍摄,其余的2.5级光圈用于表现相当于正常光通量6倍的高亮度,在摄像机技术中把这种能够重现6倍正常光通量的能力称为600%动态范围。
HDW-F900的CCD在逐行扫描模式下的动态范围是64dB,比隔行扫描降低了6dB,相当于对比度700:1或9.5级光圈的亮度变化范围。
在逐行扫描模式下HDW-F900仍然把相当于8级光圈250:1对比度的CCD动态范围用于正常拍摄,其余的1.5级光圈用于表现相当于正常光通量3倍的高亮度,因此HDW-F900在逐行扫描模式时的动态范围是300%。
摄像机的伽玛特性在饱和点之前CCD呈现理想的线性光电转换特性,摄像机内部把CCD的动态范围分为暗部、中部和高亮度三个部分分别处理,如图13所示。
经过处理的摄像机伽玛特性呈现与胶片非常相似的非线性特征,特别是对比度被压缩了的高亮度部分与胶片的肩部特性几乎是相同的,在摄像机技术中把高亮度部分的斜率处理称为拐点(Knee Point)处理。
现代摄像机采用了精密的数字处理电路,摄像师可以通过设置菜单精确地分段调整摄像机的伽玛特性以实现不同的拍摄意图。
胶片与摄像机的比较1. 彩色负片正常曝光时可以表现相当于7级光圈的亮度变化范围, HDW-F900高清晰度摄像机正常拍摄时表现的亮度变化范围相当于8级光圈,因此在正常拍摄时摄像机的性能优于彩色负片。