2. Специальные виды киносъемок
Ускоренная киносъемка. Кинолюбительские аппараты позволяют производить киносъемку с частотой, повышенной относительно обычной частоты кинопроекции (16—18 кадров в секунду для 8-мм фильмов и 24 кадра в секунду — для 16-мм фильмов). Такая съемка производится в тех случаях, когда нужно рассмотреть на экране движение в замедленном темпе и тем сделать его доступным для наблюдения.
Для киносъемки быстропротекающих процессов требуется специальная высокоскоростная киносъемочная аппаратура. Для научно-исследовательских работ нашей промышленностью выпущен киносъемочный 16-мм аппарат СКС-1, позволяющий получать от 150 до 4000 кадров в секунду при полном формате кадра и от 330 до 8000 кадров в секунду при уменьшенном вдвое по высоте формате кадра.
Киносъемка 8-мм аппаратом с частотой 24 кадра в секунду дает замедление движения на экране всего на 50%, однако это имеет существенное значение в тех случаях, когда при съемке камера не находится в покое, например при съемке из движущегося автомобиля. Хотя темп движения несколько замедляется, но зато изображение на экране будет более плавным, а не «прыгающим».
Целесообразно применять частоту 24 кадра в секунду при киносъемке с рук, так как в этом случае получается более устойчивое изображение кадра на экране, особенно при съемке архитектурных сооружений, памятников и т. п.
Частота 32 кадра в секунду применяется при съемке очень неспокойных сцен или при очень неспокойной точке съемки, например с лодки или катера. При этом движение при проекции на экране замедляется в два раза.
Киносъемка с частотой 48 кадров в секунду дает уже хорошо заметный эффект замедления движения без чрезмерного расхода пленки. Ускоренные съемки стоят дорого, так как потребляют много пленки. Однако при съемке спортивных состязаний частота 48 кадров в секунду дает экономию по сравнению с частотой 64 кадра в секунду, что и обусловливает ее применение в подобных случаях.
Киносъемка с частотой 64 кадра в секунду наиболее широко применяется при съемке конного спорта, прыжков в воду, водного поло, а также стремительно движущейся воды и водопадов, бьющегося стекла, падающего на землю, детских игр и других быстрых и резких движений.
156
Ускоренные киносъемки имеют особой значение для анализа движений человека и животных, работы механизмов и машин, различных физических и технологических процессов. Очень широко применяется ускоренная киносъемка в учебных и научных фильмах. Она оказывает большую помощь при изучении и разработке пра-вильной организации труда и т. п.
Следует особо подчеркнуть, что ускоренная съемка на частотах 48 и 64 кадра в секунду, на которых могут работать любительские и киносъемочные аппараты, вполне пригодна для анализа больший» ства движений человека и поведения животных.
Что понимают под масштабом изменения скорости движения? Масштаб изменения скорости движения выражается отношение^ 1: п, где число п показывает, во сколько раз изменяется скорость движения на экране при кинопроекции по сравнению с действитель»" ной скоростью движения объекта. Другими словами, под масштабом
изменения скорости п подразумевается отношение частоты кино-: съемки /с к частоте кинопроекции /Пр:
Изменять на экране скорость движения объекта можно путем изменения частоты съемки, частоты кинопроекции или и той и дру« гой одновременно. Поскольку частота кинопроекции 16 кадров в секунду для 8-мм фильмов является наиболее распространенной, изменения скорости движения на экране достигают почти исключительно изменением частоты киносъемки. Проекция 16-мм звуковых фильмов ведется с частотой 24 кадра в секунду. Поскольку любительские киносъемки можно производить с частотами от 8 до 64, кадров в секунду, то при частоте кинопроекции 16 кадров в секунду масштаб изменения скорости может принимать значения от 1:2 (замедленная, не покадровая съемка) до 4: 1 (ускоренная съемка).;
Как определить выдержку при ускоренной киносъемке? В большинстве кинолюбительских киносъемочных аппаратов установлены обтюраторы с вырезанным сектором, т. е. обтюраторы имеют угол открытия постоянной величины. Например, в аппарате «Кварц-2» постоянный угол открытия обтюратора составляет 190°. В некоторых конструкциях обтюраторов щель также имеет постоянную величину, которая может быть выражена в угловой мере.
Зная частоту киносъемки и угол открытия обтюратора в градусах, легко определить выдержку t (в секундах) по формуле:
' - 360°-/0'
где а — угол открытия обтюратора, в град.;
fc — частота киносъемки, в кадр/с.
Как видно из приведенной формулы, по мере увеличения частоты съемки выдержка значительно уменьшается; очень важно учитывать этот фактор для получения изображения высокого качества, так как регулирование экспозиции в этом случае возможно только диафрагмированием объектива.
Приступая к ускоренной киносъемке, нужно четко определить величину экспозиции, и если она недостаточна для данной пленки, то следует использовать пленку большей чувствительности. Необходимую экспозицию можно получить также усилением освещенности объекта съемки, если она ведется при искусственном освещении.
157
Перед началом работы рекомендуется произвести пробное съемки и проявить пленку. Пробные съемки делают ПРИ разных Диафрагмах и в различных условиях освещения объекта. При этом каждый раз нужно замерять освещенность или яркость объекта с помощью экспонометра.
Следует помнить, что система полуавтоматической установки диафрагмы, имеющаяся в ряде моделей киносъемочных аппаратов, рассчитана только на работу с частотой 16 кадров в секунду и ею нельзя пользоваться при съемке на других частотах.
Как выбрать нужную частоту киносъемки для получения удовлетворительных условий рассматривания на экране? Аппараты с прерывистым продвижением кинопленки дают наиболее резкое и четкое изображение и позволяют производить ускоренные киносъемки с применением объективов с различными фокусными расстояниями.
3 Z I
Рис. 90. Кинограмма.
Выбор частоты киносъемки зависит в основном от характера процесса или изучаемой темы. Показательны в этом смысле наименования некоторых фильмов, демонстрировавшихся на VII Международном конгрессе по высокоскоростной фотографии и кинематографии в Швейцарии (1965 г.): «Поверхностное натяжение в гидромеханике», «Рыбы, луна и приливы>, «Подготовка космонавтов к полету на Луну» (фильм показывает тренировку американских космонавтов в горах и на воде) и др.
Как уже было сказано ранее, высокоскоростные любительские аппараты с частотой киносъемки до 64 кадров в секунду вполне обеспечивают необходимое замедление движения на экране.
При проведении кинематического анализа частоту съемки фильма сообразуют со скоростью движения исследуемого объекта. Определить заранее необходимую скорость съемки обычно очень трудно, так как движение изображений на кинопленке определяется не только абсолютным значением скорости движения объекта, но и направлением этого движения, видом траектории. Поэтому практически съемку лучше производить со скоростью заведомо завышенной, а затем выбрать кадры для анализа, добиваясь лучших соотношений. Например, для вычислений следует брать не смежные кадры, а через 5, 10, 100 и т. д. интервалов на отдельных этапах траекторий, где геометрические изменения четко различимы, но не приводят к грубым приближениям.
Примером такого качественного анализа движения может служить кинограмма, показанная на рис. 90.
Особое значение выбор частоты имеет при съемке вращающихся колес и других деталей. При проекции кинофильма иногда возникает неправильная передача движения — при определенных соотно-
158
шениях углов поворота колеса транспортных машин или шестерни механизмов как бы перестают вращаться в обратную сторону. Это явление носит название стробоскопического эффекта.
На рис. 91 показано колесо с четырьмя спицами, которое киносъемочный аппарат снимает с частотой 16 кадров в секунду. Ясно, что если число оборотов колеса кратно четырем, т. е. 4, 8, 12, 16 или 24 об/с, то на экране при проекции 16 кадров в секунду положение спиц колеса будет одинаковым, что вызовет впечатление его неподвижности. Если колесо от кадра к кадру будет поворачиваться на угол, больший половины угла между спицами, и занимать положение, показанное на рисунке штриховой линией, то на экране получится эффект вращения колеса в обратном направлении, так как все спицы от кадра к кадру будут как бы отставать. Обозначив
буквой D отношение углов ■—, частоту киносъемки, при которой
Рис. 91. К явлению стробоскопического эффекта.
вращение колеса будет казаться на экране правильным, определим из выражения
sk
D- WV где s — число спиц в колесе;
k — число оборотов колеса в минуту;
U — частота киносъемки.
Какие количественные показатели можно получить при анализе фильма, снятого с повышенной частотой киносъемки? Анализ, или дешифровка, кадров фильма, снятого с ускоренной частотой, позволяет прежде всего разложить во времени, как бы растянуть быстро-протекающий процесс или движение, увидеть их составляющие фазы и получить количественное соотношение времени, занимаемого той или иной фазой. Для получения достаточной точности при исследовании зависимости движения от времени съемку следует вести с отметчиком времени.
Применяемые в наши дни методы метрического анализа позволяют производить дешифровку движения, происходящего в одной плоскости. Основным условием при таком анализе является соблюдение параллельности плоскости изучаемого движения и плоскости кинопленки в кадровом окне съемочного аппарата. При нарушении этого условия форма движения не будет воспроизведена правильно, да и форма самого движущегося предмета будет искажена.
При количественном исследовании движения удается определить его траекторию скорости и ускорения в определенные моменты времени, а подчас установить форму и размеры исследуемого объекта.
Дешифровка при измерительной кинофотосъемке. Результатом съемки и исходным материалом метрического исследования являются, в конечном счете, два кинокадра, сдвинутые во времени, на которых получены, например, изображения траектории штриховой линией, или две киноленты, на кадрах которых получены изображения
159
последовательных положений объекта. Поочередно проецируя кадры на экран или на бумагу, отмечают карандашом последовательные положения объекта. Можно фотографическим способом копировать их на общий позитив путем многократного перекрытия нескольких негативов. В обоих случаях главные точки изображений всех кадров (точки пересечения оптической оси аппарата с плоскостью кадра — центры снимков или кадров) точно совмещаются. Пример такого фотографического копирования для целей дешифровки приведен на рис. 92.
г. !< _.!! \'Г-, -У"й-!
w ъ-, V-4 У/ "•&>-■/■ гГ;:л-:сьи п г-. •^ ГЦ { У : U " Та ^
>Л /1-J ГХ-, L&b /PV-! fa
tctK 7 6 5 4 3 2 10
Рис. 92. Пример фотографического копирования для целей дешифровки.
По полученным величинам последовательных смещений легко построить график зависимости движения от времени, выбрав для единицы времени определенный масштаб. Получив графическим дифференцированием графика движения значения скоростей в определенные моменты времени, можно построить график скорости в зависимости от времени. Графическим дифференцированием графика скорости можно получить значения касательных ускорений для тех Же моментов времени и построить их график.
Такой метод дешифровки простых траекторий, лежащих в одной плоскости, при наличии кинолюбительской аппаратуры доступен широкому кругу исследователей.
Замедленная, покадровая и цейтраферная киносъемки. Замедленная киносъемка дает возможность ускорить движение на экране по сравнению с действительной скоростью объекта съемки. Такая
160
трансформация позволяет просмотреть на экране за короткий промежуток времени процессы, протекающие очень длительное время. Замедленная съемка успешно применяется в медицине, биологии, минералогии (при изучении роста кристаллов), при технических исследованиях и т. п. Большое значение имеет замедленная киносъемка в учебных фильмах для показа длительно протекающих процессов и явлений, которые можно удовлетворительно продемонстрировать только с помощью кинофильмов, снятых путем замедленной съемки.
Каковы пределы значений масштаба изменения скорости движения при замедленной киносъемке? Замедленная и покадровая киносъемка позволяет изменять масштаб времени в огромных, по существу неограниченных, пределах, что является особо ценным качеством этого способа. Достаточно сказать, что при проекции фильма с частотой 16 кадров в секунду, снятого способом покадровой съемки с интервалом в один час, ускорение движения на экране составит:
3600: ^ = 57 600 раз.
Наиболее рациональный коэффициент ускорения движения обычно выбирают исходя из длительности протекания анализируемого процесса. В первом приближении можно воспользоваться рекомендациями, выработанными в результате опыта замедленных киносъемок при различных научно-исследовательских работах. Эти рекомендации сводятся к следующему.
При съемке процессов, длящихся от 20 минут до одного часа, достаточно получить ускорение движения соответственно в 10— 100 раз. При съемке процессов, протекающих от 2 до 10 часов, стремятся к ускорению движения в 100—1000 раз. Большие коэффициенты ускорения движения применяют при съемках процессов, длящихся более суток.
В табл. 3 приведены масштабы времени (масштабы изменения скорости движения) при проецировании кинофильмов, снятых с пониженной частотой. Эта таблица позволяет точно определить коэффициент ускорения движения на экране при частоте кинопроекции 16 кадров в секунду, если известна частота съемки. По ней можно также выбрать необходимую частоту киносъемки, исходя из данной величины масштаба времени.
Покадровая киносъемка позволяет делать фильмы с движущимися куклами, макетами, самопишущимися надписями, диаграммами, схемами и другими видами мультипликации. При этом очень важно получить на экране непрерывное, а не скачкообразное движение. Для stofo необходимо, чтобы сдвиг снимаемого объекта (новая фаза) не превышал некоторой допустимой величины, указанной в табл. 4.
Такой расчет следует произвести, например, для создания на экране впечатления непрерывно движущейся линии (маршрут на карте, самопишущиеся надписи и т. д.), при съемках кукольных и рисованных фильмов. Для съемки самопишущих надписей сначала изготовляют предварительный эскиз (красным карандашом на черном фоне или голубым — на белом при съемке на позитивной кинопленке). Установив заготовку перед камерой, приступают к покадровой съемке.
Цейтраферные устройства. В тех случаях, когда необходимо вести длительные наблюдения с одновременной последовательной фиксацией на кинопленку всех происходящих процессов и изменений
1*1
Таблица 3
Масштаб времени при проекции о частотой