Введение

Цифровой кинематограф — это процесс захвата (записи) движущегося изображения с использованием цифровых сенсоров изображения вместо киноплёнки. По мере развития цифровых технологий в последние годы эта практика стала преобладающей. С середины 2010-х годов большинство фильмов в мире снимаются и распространяются в цифровом формате. Многие производители представили на рынок свою продукцию, включая традиционных производителей кинокамер, таких как Arri и Panavision, а также новых игроков, таких как Red, Blackmagic, Silicon Imaging, Vision Research и компании, ранее специализировавшиеся на потребительском и вещательном видеооборудовании, такие как Sony, GoPro и Panasonic. По состоянию на 2017 год профессиональные цифровые кинокамеры 4K по разрешению и динамическому диапазону были сопоставимы с 35-миллиметровой плёнкой; однако цифровая съёмка всё ещё имеет отличный от аналоговой плёнки внешний вид. Некоторые режиссёры по-прежнему предпочитают использовать аналоговые форматы изображения для достижения желаемого результата.

История

Основой цифровых камер являются металл-оксид-полупроводниковые (МОП) сенсоры изображения. Первым практическим полупроводниковым сенсором изображения было устройство с зарядовой связью (CCD), основанное на технологии МОП-конденсаторов. За CCD последовал CMOS активный пиксельный сенсор (CMOS-сенсор), разработанный в 1990-х годах. Начиная с конца 1980-х годов, Sony начала продвигать концепцию «электронной кинематографии», используя свои аналоговые профессиональные видеокамеры Sony HDVS. Эти усилия не имели особого успеха. Однако это привело к созданию одного из первых полнометражных фильмов высокого разрешения — «Джулия и Джулия» (1987). «Радуга» (1996) стал первым в мире фильмом, в котором использовались масштабные цифровые методы постпродакшна. Съёмки полностью велись с использованием первых камер Solid State Electronic Cinematography от Sony, включавших более 35 минут цифровой обработки изображений и визуальных эффектов; весь постпродакшн, звуковые эффекты, монтаж и музыкальное оформление были выполнены в цифровом виде. Цифровое изображение высокого разрешения было перенесено на 35-мм негатив с помощью электронно-лучевого записывающего устройства для кинопроката. Первым полнометражным фильмом, снятым и обработанным в цифровом формате, стал «Ветровой конь», снятый в Тибете и Непале в 1996 году на цифровой бета-камере Sony DVW 700WS и полупрофессиональной Sony DCR VX1000. Оффлайн-монтаж (Avid) и онлайн-постпродакшн и цветокоррекция (Roland House / da Vinci) также были выполнены полностью в цифровом формате. Фильм, перенесенный на 35-мм негатив для кинотеатрального показа, получил приз за лучший американский фильм на кинофестивале в Санта-Барбаре в 1998 году. В 1997 году, с появлением рекордеров HDCAM и 1920 × 1080 пиксельных цифровых профессиональных видеокамер на основе технологии CCD, идея, переименованная в «цифровую кинематографию», начала набирать популярность на рынке. Выпущенный в 1998 году фильм «The Last Broadcast» считается первым полнометражным видео, снятым и отредактированным полностью на цифровом оборудовании потребительского уровня. В мае 1999 года Джордж Лукас впервые бросил вызов доминированию киноплёнки как средства кинопроизводства, включив в «Звёздные войны. Эпизод I. Скрытая угроза» кадры, снятые на цифровых камерах высокой четкости. Цифровые кадры органично сочетались с кадрами, снятыми на плёнку, и позже в том же году он объявил о планах снять сиквелы полностью на цифровом видео высокой четкости. Также в 1999 году в четырех кинотеатрах были установлены цифровые проекторы для показа фильма «Скрытая угроза». В мае 2000 года Питоф начал съёмки фильма «Видок», полностью снятого на камеру Sony HDW F900, который вышел в прокат в сентябре следующего года. Согласно Книге рекордов Гиннеса, «Видок» — первый полнометражный фильм, снятый в цифровом формате высокого разрешения. В июне 2000 года началась съёмка фильма «Звёздные войны. Эпизод II. Атака клонов», полностью выполненная на камеру Sony HDW F900, как и планировал Лукас. Фильм вышел в прокат в мае 2002 года. В мае 2001 года «Однажды в Мексике» также был снят в цифровом видео высокой четкости с частотой 24 кадра в секунду, частично разработанном Джорджем Лукасом с использованием камеры Sony HDW F900, после того как Роберт Родригес познакомился с камерой на ранчо Skywalker Лукаса во время работы над звуком к фильму «Дети шпионов». Менее известный фильм «Русский ковчег» (2002) также был снят на ту же камеру и примечателен тем, что состоит из одного длинного кадра. В 2009 году «Миллионер из трущоб» стал первым фильмом, снятым преимущественно в цифровом формате, удостоенным премии «Оскар» за лучшую операторскую работу. Самый кассовый фильм в истории кинематографа, «Аватар» (2009), был не только снят на цифровых камерах, но и обеспечил основные доходы в прокате не за счёт плёнки, а за счёт цифровой проекции. В 2013 году фильмы, снятые на цифровом видео, обогнали фильмы, снятые на плёнке. С 2016 года более 90% крупных фильмов снимаются на цифровом видео. По состоянию на 2017 год 92% фильмов снимаются в цифровом формате. Только 24 крупных фильма, выпущенных в 2018 году, были сняты на 35-мм плёнку. Сегодня камеры таких компаний, как Sony, Panasonic, JVC и Canon, предлагают широкий выбор для съёмки видео высокой четкости. В верхнем сегменте рынка появились камеры, специально предназначенные для рынка цифрового кино. Эти камеры от Sony, Vision Research, Arri, Blackmagic Design, Panavision, Grass Valley и Red предлагают разрешение и динамический диапазон, превосходящие возможности традиционных видеокамер, разработанных для ограниченных потребностей телевизионного вещания.

Технология

Цифровая кинематография захватывает движущиеся изображения в цифровом виде, в процессе, аналогичном цифровой фотографии. Хотя не существует чёткого технического различия между изображениями, полученными при цифровой кинематографии, и видео, термин "цифровая кинематография" обычно используется только в тех случаях, когда цифровая съёмка заменяет плёночную, например, при съёмке полнометражного фильма. Этот термин редко применяется, когда цифровая съёмка заменяет видеосъёмку, как, например, в программах прямого эфира на телевидении.

Камеры

Профессиональные камеры включают Sony CineAlta (F) Series, Blackmagic Cinema Camera, Red One, Arriflex D 20, D 21 и Alexa, Panavision Genesis, Silicon Imaging SI 2K, Thomson Viper, Vision Research Phantom, IMAX 3D камеру, основанную на двух ядрах Vision Research Phantom, Weisscam HS 1 и HS 2, GS Vitec noX и Fusion Camera System. Независимые кинопроизводители с ограниченным бюджетом также стали использовать недорогие потребительские и полупрофессиональные камеры для цифровой киносъемки. Флагманские смартфоны, такие как Apple iPhone, использовались для съемок фильмов, таких как Unsane (снятый на iPhone 7 Plus) и Tangerine (снятый на трех iPhone 5S), а в январе 2018 года режиссер фильма Unsane, обладатель премии «Оскар» Стивен Содерберг, выразил заинтересованность в дальнейшем создании фильмов исключительно на iPhone.

Видеоформаты

В отличие от других видеоформатов, которые определяются с точки зрения вертикального разрешения (например, 1080p, который составляет 1920 × 1080 пикселей), форматы цифрового кино обычно определяются с точки зрения горизонтального разрешения. Для краткости эти разрешения часто указываются в формате "nK", где n – это множитель 1024, обеспечивающий горизонтальное разрешение, соответствующее полной апертуре оцифрованного кадра пленки, ровно в пикселях. Здесь "K" имеет общепринятое значение, соответствующее бинарному префиксу "киби" (ки). Например, изображение 2K имеет ширину 2048 пикселей, а изображение 4K – 4096 пикселей. Вертикальные разрешения варьируются в зависимости от соотношения сторон: изображение 2K с соотношением сторон HDTV (16:9) имеет размер 2048 × 1152 пикселей, в то время как изображение 2K с соотношением сторон SDTV или Academy (4:3) – 2048 × 1536 пикселей, а с соотношением Panavision (2,39:1) – 2048 × 856 пикселей и так далее. Поскольку обозначение "nK" не соответствует конкретным горизонтальным разрешениям для каждого формата, изображение 2K без типичного пространства для звуковой дорожки 35 мм имеет ширину всего 1828 пикселей, при этом вертикальные разрешения соответствующим образом масштабируются. Это привело к множеству видеоразрешений, связанных с кинематографом, что довольно запутанно и часто избыточно по отношению к относительно небольшому количеству доступных стандартов проекции. Все форматы, предназначенные для цифровой кинематографии, используют прогрессивную развертку, а захват обычно происходит со скоростью 24 кадра в секунду, установленной в качестве стандарта для 35-миллиметровой пленки. Некоторые фильмы, такие как "Хоббит: Неожиданное путешествие", имеют высокую частоту кадров 48 кадров в секунду, хотя в некоторых кинотеатрах он также был выпущен в версии 24 кадра в секунду, которую предпочитают многие поклонники традиционного кино. Стандарт DCI для кино обычно использует соотношение сторон 1,89:1, определяя максимальный размер контейнера для 4K как 4096 × 2160 пикселей, а для 2K – 2048 × 1080 пикселей. При распространении в виде пакета цифрового кино (DCP) контент обрезается сверху и снизу или по бокам, чтобы соответствовать одному из этих форматов контейнера. В первые годы цифровой кинематографии 2K был наиболее распространенным форматом для цифровых полнометражных фильмов, однако по мере того, как новые системы камер становятся все более популярными, 4K становится все более распространенным. Arri Alexa захватывает изображение в разрешении 2,8K. В 2009 году, по крайней мере, два крупных голливудских фильма, "Зная" и "Округ №9", были сняты в 4K на камере Red One, за которыми последовал фильм "Социальная сеть" в 2010 году. По состоянию на 2017 год камеры 4K стали обычным явлением, и большинство фильмов высокого класса снимаются в разрешении 4K.

Хранение данных

В целом, для захвата и хранения данных в цифровой кинематографии используются две основные парадигмы рабочего процесса.

Рабочие процессы на основе ленты

При использовании рабочих процессов на основе видеокассет видео записывается на кассету непосредственно на съемочной площадке. Затем это видео загружается в компьютер с нелинейным программным обеспечением для редактирования с помощью видеомагнитофона (колоды). После загрузки цифровой видеопоток с кассеты преобразуется в компьютерные файлы. Эти файлы можно редактировать напрямую или преобразовать в промежуточный формат для редактирования. Далее видео выводится в финальном формате, например, на кинопленку для показа в кинотеатрах или обратно на видеокассету для телевещания. Оригинальные видеокассеты сохраняются как архивный носитель. Файлы, созданные нелинейным редактором, содержат информацию, необходимую для восстановления отснятых материалов с нужных кассет, в случае потери данных с жесткого диска компьютера. С ростом удобства файловых рабочих процессов, использование рабочих процессов на основе видеокассет в последние годы значительно сократилось.

Рабочие процессы на основе файлов

Цифровая кинематография в основном перешла к "безленточным" или "файловым" рабочим процессам. Эта тенденция ускорилась благодаря увеличению емкости и снижению стоимости нелинейных решений для хранения данных, таких как жесткие диски, оптические диски и твердотельная память. При использовании безленточных рабочих процессов цифровое видео записывается в виде цифровых файлов на носители с произвольным доступом, такие как оптические диски, жесткие диски или цифровые "магниты" на основе флэш-памяти. Эти файлы можно легко скопировать на другое устройство хранения, как правило, на большой RAID-массив (массив компьютерных дисков), подключенный к системе монтажа. После копирования данных с носителей со съемочной площадки на RAID-массив, они стираются и возвращаются на площадку для продолжения съемок. Такие RAID-массивы, как "управляемые" (например, SAN и NAS) и "неуправляемые" (например, JBoD на одной компьютерной рабочей станции), необходимы из-за требуемой пропускной способности для воспроизведения в реальном времени (320 МБ/с для 2K @ 24 кадра/с) или близком к реальному времени в постпродакшене, по сравнению с пропускной способностью, обеспечиваемой одним, даже быстрым, жестким диском. Такие требования часто называют хранением "в сети" (on line). Постпродакшн, не требующий воспроизведения в реальном времени (обычно для титров, субтитров, версий и других подобных визуальных эффектов), может быть перенесен на немного более медленные RAID-массивы. Краткосрочное архивирование, "если оно вообще требуется", достигается путем перемещения цифровых файлов в "медленные" RAID-массивы (все еще управляемых и неуправляемых типов, но с более низкой производительностью), где возможность воспроизведения ограничена или отсутствует (если не через прокси-изображения), но минимальный монтаж и извлечение метаданных все еще возможны. Такие промежуточные требования легко попадают в категорию хранения "среднего уровня" (mid line). Долгосрочное архивирование осуществляется путем создания резервных копий цифровых файлов с RAID-массива, с использованием стандартных практик и оборудования для резервного копирования данных из ИТ-индустрии, часто на магнитные ленты (например, LTO).

Подборка хромы

Большинство систем цифровой кинематографии дополнительно снижают скорость передачи данных за счет понижения дискретизации цветовой информации. Поскольку человеческий глаз гораздо более чувствителен к яркости, чем к цвету, цветовая информация с более низким разрешением может быть наложена на информацию о яркости с более высоким разрешением, чтобы создать изображение, которое выглядит очень похоже на изображение, в котором и цветовая, и яркостная информация дискретизируются в полном разрешении. Эта схема может вызывать пикселизацию или цветовые артефакты в определенных ситуациях. Высококачественные системы цифровой кинематографии способны записывать цветовые данные в полном разрешении (4:4:4) или необработанные данные с сенсора.

Внутрикадрная и межкадрная сжатие

Большинство систем сжатия, используемых при захвате в цифровой кинематографии, сжимают кадры по одному, как если бы видеопоток был последовательностью отдельных изображений. Это называется внутрикадровым сжатием. Системы межкадрового сжатия могут дополнительно сжимать данные, анализируя и устраняя избыточность между кадрами. Это обеспечивает более высокую степень сжатия, но для отображения одного кадра системе воспроизведения обычно требуется декомпрессировать несколько кадров, предшествующих и следующих за ним. При нормальном воспроизведении это не представляет проблемы, поскольку каждый последующий кадр воспроизводится последовательно, и предыдущие кадры уже декомпрессированы. Однако при редактировании часто требуется переходить к конкретным кадрам и воспроизводить материал в обратном порядке или с разной скоростью. Из-за необходимости декомпрессировать дополнительные кадры в таких ситуациях межкадровое сжатие может вызывать проблемы с производительностью систем редактирования. Межкадровое сжатие также невыгодно, поскольку потеря одного кадра (например, из-за ошибки записи данных на носитель) обычно приводит к потере всех кадров до следующего ключевого кадра. Например, в формате HDV это может привести к потере до 6 кадров при записи в 720p или до 15 кадров при записи в 1080i. Межкадровый сжатый видеопоток состоит из групп кадров (GOP), каждая из которых содержит только один полный кадр и несколько других кадров, ссылающихся на него. Если полный кадр, называемый I-кадром, будет потерян из-за ошибки передачи или носителя, ни один из P-кадров или B-кадров (кадров-ссылок) не сможет быть отображен. В этом случае вся группа кадров (GOP) будет потеряна.

Сжатие DCT против DWT

Кодирование с использованием дискретного косинусного преобразования (DCT) — наиболее распространенный процесс сжатия данных, применяемый при цифровой записи и редактировании фильмов, включая стандарт сжатия изображений JPEG и различные стандарты кодирования видео, такие как DV, DigiBeta, HDCAM, Apple ProRes, Avid DNxHD, MPEG, Advanced Video Coding (AVC) и AVCHD. Альтернативой DCT-кодированию является кодирование дискретного вейвлет-преобразования (DWT) JPEG 2000, используемое в видеокодеках Redcode и DCI XYZ, а также при распространении цифрового кино.

Цифровая дистрибуция

Для кинотеатров с цифровыми проекторами цифровые фильмы могут распространяться в цифровом виде, либо доставляясь в кинотеатры на жестких дисках, либо отправляясь через Интернет или спутниковые сети. Digital Cinema Initiatives, LLC, совместное предприятие Disney, Fox, MGM, Paramount, Sony Pictures Entertainment, Universal и Warner Bros. Studios, установило стандарты для цифровой кинопроекции. В июле 2005 года они выпустили первую версию спецификации системы цифрового кино, охватывающую кинопроекцию в разрешении 2K и 4K. Они также предлагают тестирование на соответствие стандартам для кинотеатров и поставщиков оборудования. JPEG 2000, стандарт сжатия изображений, основанный на дискретном волновом преобразовании (DWT) и разработанный Объединенной группой экспертов по фотографии (JPEG) в период с 1997 по 2000 год, был выбран в качестве стандарта кодирования видео для цифрового кино в 2004 году. Владельцы кинотеатров поначалу неохотно устанавливали цифровые проекционные системы из-за их высокой стоимости и опасений по поводу возросшей технической сложности. Однако новые модели финансирования, при которых дистрибьюторы выплачивают кинотеатрам плату за "цифровую копию", помогли смягчить эти опасения. Цифровая проекция также обеспечивает большую гибкость в показе трейлеров и рекламы перед сеансом, а также позволяет владельцам кинотеатров легче перемещать фильмы между экранами или изменять количество экранов, на которых демонстрируется фильм. Более того, более высокое качество цифровой проекции обеспечивает лучший зрительский опыт и помогает привлечь аудиторию, которая теперь имеет доступ к контенту высокой четкости дома. Все эти факторы сделали цифровую проекцию все более привлекательной для владельцев кинотеатров, и темпы ее внедрения быстро растут. Поскольку некоторые кинотеатры до сих пор не оснащены цифровыми проекционными системами, даже если фильм снят и обработан в цифровом формате, его необходимо перенести на пленку, если запланирован широкий кинопрокат. Как правило, для переноса цифровых данных изображения на пленку используется пленочный записывающий аппарат, создающий 35-миллиметровый интернегатив. После этого процесс дублирования идентичен процессу, используемому для традиционного негатива, полученного с кинокамеры.

Резолюция

В отличие от цифрового сенсора, кадр пленки не имеет регулярной сетки дискретных пикселей. Определение разрешения при цифровом захвате кажется простым, но значительно усложняется особенностями работы цифровых камер в реальных условиях. Это особенно актуально для высококлассных цифровых кинокамер, использующих один большой CMOS-сенсор с цветовым фильтром Байера. Сенсор с цветовым фильтром Байера не считывает полные RGB-данные в каждой точке; вместо этого каждый пиксель чувствителен преимущественно к красному, зеленому или синему цвету, а полноцветное изображение формируется из этой шахматной доски цветов посредством алгоритма демозаики. Как правило, фактическое разрешение сенсора с цветовым фильтром Байера находится где-то между "родным" значением и его половиной, при этом разные алгоритмы демозаики дают различные результаты. Кроме того, большинство цифровых камер (как с цветовым фильтром Байера, так и трехматричные) используют оптические фильтры нижних частот для предотвращения алиасинга; неоптимальная антиалиасинговая фильтрация может дополнительно снизить разрешение системы.

Зерно и шум

Пленка обладает характерной зернистостью. Различные типы пленки имеют разную зернистость. Цифровое видео лишено этой зернистости, в нем присутствует электронный шум.

Цифровой промежуточный рабочий процесс и архивирование

Процесс использования цифрового промежуточного рабочего процесса, при котором цветокоррекция фильмов выполняется в цифровом виде, а не традиционными фотохимическими методами, стал распространенным. Для использования цифрового промежуточного рабочего процесса с кинопленкой, негатив камеры сначала необходимо проявить, а затем отсканировать в цифровой формат. Некоторые операторы-постановщики обладают многолетним опытом реализации своего художественного замысла с помощью техник, доступных в традиционном фотохимическом процессе, и предпочитают именно этот процесс финишной обработки и монтажа. Фильмы, снятые в цифровом формате, могут быть отпечатаны, перенесены или архивированы на пленку. Крупномасштабные цифровые проекты часто архивируются на пленке, поскольку она обеспечивает более надежный носитель для хранения, что положительно сказывается на страховых и складских расходах. До тех пор, пока негатив не подвергнется полному разрушению, в будущем всегда будет возможно восстановить изображения, независимо от изменений в технологиях, поскольку для этого потребуется лишь простая фотографическая репродукция. В отличие от этого, даже если цифровые данные хранятся на носителе, обеспечивающем их сохранность, для их воспроизведения всегда потребуется высокоспециализированное цифровое оборудование. Изменения в технологиях могут со временем сделать формат нечитаемым или дорогим для восстановления. По этой причине киностудии, распространяющие фильмы цифрового происхождения, часто изготавливают раздельные позитивы на пленке для целей архивирования. Майкл Бэй заявил, что при съемках фильма «Трансформеры: Тёмная сторона Луны» для съемок в замедленной съемке и в сценах, где цифровые камеры подвергались стробоскопическому эффекту или электрическим повреждениям от пыли, приходилось использовать 35-мм камеры. С 2015 года цифровые технологии практически полностью заменили пленку для высокоскоростных съемок со скоростью до 1000 кадров в секунду.

Критика и опасения

Некоторые режиссёры, такие как Кристофер Нолан, Пол Томас Андерсон и Квентин Тарантино, публично критиковали цифровой кинематограф и выступали за использование киноплёнки и кинокопий. Тарантино заявил, что, возможно, завершит карьеру, поскольку большинство американских кинотеатров больше не смогут демонстрировать его фильмы в формате 35 мм. Тарантино считает цифровой кинематограф просто "телевидением для публики". Кристофер Нолан предположил, что переход киноиндустрии на цифровые форматы был продиктован исключительно экономическими соображениями, а не тем, что цифровой формат превосходит киноплёнку: "Думаю, если честно, всё сводится к экономическим интересам производителей и [производственной] индустрии, которая получает больше прибыли от изменений, чем от сохранения статус-кво". Хотя подобная ситуация ранее наблюдалась и с оптическими дисками, в 2012 году компания Millenniata, Inc., занимающаяся цифровым хранением данных и базирующаяся в штате Юта, представила M DISC – оптическое решение для хранения данных, рассчитанное на срок до 1000 лет, что делает цифровое хранение жизнеспособным вариантом.