Сколько снимаю — столько слышу, что плёночные фото и видео кардинально отличаются друг от друга. Полностью согласен. Но почему так?
Вы можете не понимать в мегапикселях, динамическом диапазоне, и зернистости, но визуально практически всегда при сравнении плёнки и цифры — вы увидите разницу. Даже может не сможете её объяснить.
Давайте копнём в сторону физики. Вначале всё будет чрезвычайно просто. Камера обскура.
Есть отверстие в ящике — лучи от объекта попадают внутрь и проецируется изображение на белую поверхность. Внутри сидит художник и обводит карандашом. Долго, муторно, нужен яркий свет. Возможно рисовать только неподвижные объекты.
В фотоаппарате тот же принцип, только вместо отверстия используется объектив (чтобы больше света попадало, чем через маленькое отверстие в камере Обскура), а вместо художника — светочувствительная плёнка, которая обрабатывается химией.
В цифровых фотоаппаратах свет падает на светочувствительную матрицу. Матрица фиксирует свет. Там где он есть — яркий пиксель, там, где света нет — тёмный пиксель. Ну и все градации света от тёмного к светлому.
Да, матрица — это кремниевая пластина, которая не видит цвет! Только чёрно-белое изображение. Инженеры решили эту задачу просто. Поставили фильтр Байера. Это мелкие ячейки с красными, зелёными и синими светофильтрами
Получается, что каждая часть изображения проецируется на свою часть матрицы. А это ведёт к тому, что мы не можем передавать мелкие детали. Если снимаемый объект имеет мелкую текстуру, то какая-то часть этой текстуры попадёт на красный светофильтр, какая-то на зелёный, а какая-то на синий. И как потом всё это восстановить? Только если мы точно знаем, что снимаемый объект был в градациях серого — это возможно. В случае с цветными объектами — это невозможно! Потому что восстанавливается недостающий цвет математически по тем, цветам которые есть рядом.
Т.е. по факту ЛЮБОЙ цифровой фотоаппарат слепой к цвету! Как ни парадоксально. Все цвета, которые мы видим в конечной фотографии — по факту это работа математического алгоритма. Да на относительно больших объектах цвета очень близки к оригиналу, но идеальной точности мы получить не можем на «цифре».
Что же получается? То, что если в вашем фотоаппарате стоит матрица 4K, которая имеет разрешение 3840 на 2160 пикселей (8294400 штук), то реально делите на 4! Т.е. у вас не 8 мегапикселей, а всего 2)))
Сейчас сходите на кухню… поплачьте… смиритесь с этим фактом, выпейте водички и возвращайтесь.
Что собой представляет реальный пиксель? Квадратик. Маленький. Очень маленький. Насколько? Посчитаем…
Размер полноразмерной матрицы совпадает с размером фотоплёночного карда 36 х 24 мм. Мы сейчас не будем брать размеры кадров, используемых в кино, т.к. там плёнка движется вертикально и размеры кадров другие (меньше). Таким образом, размер пикселя будет 9,37 мкм на 11,11 мкм. Да, не совсем уж и квадратный. Но в среднем 10 на 10 микрометров. Или 10 микрон. Это именно размер минимальной оптической ячейки. Мы раньше уже говорили, что их в 4 раза меньше. Так что размер эффективного пикселя 20 на 20 микрон! Так-то))
Из-за того, что размер всех пикселей на матрице одинаковый, а также из-за того, что чувствительность каждого пикселя имеет ограничения — на готовом изображении могут появиться цифровые шумы.
Выглядят они неприятно. Они некрасивые. И инженеры, которые разрабатывают фотоаппараты стараются программным путём снизить эти цифровые шумы.
Как вам такое? По-моему ничего хорошего в цифровых шумах нет! Это дефект. А наш мозг негативно относится к дефектам. В целом чисто психологически такая картинка воспринимается плохо. Не качественно!
Но что же происходит с фотоплёнкой? Там изображение формируется тоже светом, но попадает ни на какие пиксели, а на светочувствительную эмульсию.
Как она устроена? Давайте начнём с чёрно-белых плёнок. Эмульсия — это желатин. Да, тот самый, из которого изготавливают вкуснейшее желе. В этом желатине размешаны кристаллы галогенидов серебра, которые по умолчанию довольно прозрачны.
В каждом кристалле есть несколько дефектов — их называют световые ловушки. Когда в кристалл попадает свет, там выбиваются электроны, происходит ионизация и если этой ионизации достаточно, то такой кристалл считается активированным и в процессе проявки вокруг этих дефектов начнёт формироваться уже металлическое серебро, которое практически непрозрачно к свету.
Значит место куда попал свет будет тёмным, а место на кадре, куда свет не попал останется белым. Т.е. получается негативное изображение.
Обратите внимание, что если непроявленные кристаллы имеют строгую геометрическую форму, то уже проявленные становятся как надутые бочонки. Они увеличиваются в размерах. И поскольку в реальной эмульсии кристаллы располагаются на некотором расстоянии друг от друга, то когда они «надуваются» — они уже могут соединяться в большие тёмные пятна. Это всё происходит на микроскопическом уровне, а глобально через такие области просто свет почти не проходит.
Напоминает еловый лес. И вот через такие «заросли» свету уже трудно пробраться.
Ну хорошо: с белым светом и с чёрным мы разобрались. А как же оттенки серого? Тут нужно понимать, что чёрный свет — это отсутствие фотонов. Яркий свет — это много фотонов, а средний свет — это среднее количество фотонов. Поскольку фотоны не летят все в одну точку, а имеют некоторые случайные распределения, то часть из них попадает в одни кристаллы, часть в другие, а часть вообще пролетает мимо (в просветы). Получется, что когда фотонов много, то рано или поздно они «насытят» все световые ловушки и бОльшая часть кристаллов будет проявлена (потемнеет), но если фотонов не так много, то просто не все кристаллы будут проявлены и появятся промежутки, которые будут частично пропускать свет. Именно на таких участках мы будем видеть оттенки серого. Это как более редкий лес, если применять мою же аналогию выросших кристаллов металлического серебра с деревьями.
Какой же размер этих кристаллов? согласно справочным данным от 20 до 40 нанометров. Т.е. в среднем 30 нанометров.
Для вычисления расстояния между кристаллами в желатиновой эмульсии нам нужно учесть плотность их расположения. Плотность распределения кристаллов зависит от конкретной эмульсии, но обычно для цветных фотоплёнок плотность может составлять порядка 50–100 кристаллов на квадратный микрометр. В среднем 75 штук.
Я не буду вдаваться в математические формулы и напишу сразу результат вычислений: среднее расстояние между кристаллами галогенидов серебра в желатиновой эмульсии составит примерно 140 нанометров при плотности 50 кристаллов на квадратный микрометр.
Вспоминаем размер пикселя цифровой камеры: 20 на 20 микрометров. Т.е. 400 квадратных микрометров.
Значит, в одном пикселе будет примерно 30000 кристаллов галогенидов серебра! Как вам?
Даже если считать размер пикселя 10 на 10 микрометров, отбросив влияние матрицы Байера, то даже там количество кристаллов галогенидов серебра поместилось бы 7500 штук! Это очень много.
Сейчас, возможно, физики закидают меня помидорами, но очень приближённо можно считать, что каждый «субпиксель» (квадратик плёнки размером 10 на 10 микрометров) может иметь 7500 градаций яркости. На самом деле чуть меньше. Чёрно-белая плёнка имеет т.н. 6-8 стопов, т.е. 1000-2500 градаций яркости. Против 256 градаций пикселя на матрице цифровых фотоаппаратов. Разница почти в 4-10 раз!
Современные матрицы могут выдавать 14 бит на пиксель. Это 16384 градаций. Это что же получается? Что цифра по градациям «уделала» плёнку? И да и нет. Цифра имеет линейную характеристику, а плёнка не линейную. У плёнки лучше получается различать градации оттенков в глубоких тенях и в очень ярких участках. Там где на цифровой матрице будет чисто чёрный цвет и чисто белый (за исключением цифрового шума матрицы) — плёнка увидит реальные оттенки.
Но до всего этого времени мы говорили про чёрно-белые плёнки. А что же происходит в цветных фото (кино) плёнках? Они устроены как слоёный пирог, где каждый слой чувствительный к определённому цвету (вернее к части спектра).
Ещё бывает между зелёно-чувствительным слоем и красночувствительным используют пурпурный фильтр.
А также в негативных плёнках есть слой оранжевого цвета, т.н. маска. Здесь на рисунке не обозначены ни тот, ни другой. Ну и ладно! И справедливости ради скажу, что каждый светочувствительный слой имеет несколько подслоёв. С крупными, средними и мелкими зёрнами. Это сделано для того, чтобы расширить динамический диапазон. Поскольку крупные зёрна (кристаллы) чувствительны к слабому свету (просто больше фотонов в них врезаются), а мелкие зёрна (кристаллы) реагируют на более яркий свет, т.к. в них могут врезаться фотоны которых реально много — остальные «промахиваются». Работает чисто теория вероятности.
Вообще кристаллы галогенидов серебра чувствительны строго к узкому диапазону спектра. В видимом диапазоне это соответствует синим цветам.
Т.е. в стандартном виде плёнка была бы слепой к красным и зелёным частям спектра. И чтобы решить эту задачу в разные слои плёнки вводят различные добавки. В химии это называется катализатор. Разные по спектральной частоте фотоны имеют разную энергию. И катализаторы призваны сделать так, чтобы кристаллы реагировали на нестандартные энергии. У каждого производителя плёнок свои секреты создания таких слоёв и мы не будем вдаваться в саму химию. Для понимания этого и не нужно!
Давайте начнём с самого глубокого слоя плёнки — который чувствителен к красному диапазону спектра.
Для наглядности я его смоделировал красным, но по факту при проявке он превращается в голубой))) Внезапно! Почему так? Есть разные цветовые модели смешивания цветов. Есть аддитивная, а есть субстрактивная. В чём отличия? В одном случае смешиваются светящиеся цвета (при смешивании всех цветов получается белый). В другом случае смешиваются краски (при смешивании всех красок получается чёрный).
Свет проходит сквозь плёнку → красители поглощают (вычитают) определённые части спектра:
Cyan (голубой) поглощает красный свет → пропускает зелёный + синий
Magenta (пурпурный) поглощает зелёный свет → пропускает красный + синий
Yellow (жёлтый) поглощает синий свет → пропускает красный + зелёный
Если бы в плёнке были красители красный + зелёный + синий, то: красный краситель пропускал бы только красный и почти полностью блокировал бы зелёный и синий и при наложении всех трёх почти весь свет был бы заблокирован → получилась бы почти чёрная плёнка везде. Невозможно было бы получить светлые цвета и белый.
То есть RGB-красители не умеют правильно работать в режиме пропускания света — они слишком агрессивно блокируют свет.
Теперь добавим к нашему слою более мелкие кристаллы, чувствительные к красному.
И вот в таком виде представляйте как летят фотоны. Они могут попасть в какой-то из слоёв и активировать их для проявки, а могут пролететь мимо. Кстати, отразившись от плёночной подложки, часть фотонов может попасть обратно в красный слой, немного под другим углом и создав красный ореол вокруг сильно ярких оьъектов. Именно поэтому на реальных плёнках вокруг очень ярких предметов видны красноватые контуры.
Здесь очень преувеличен эффект, чтобы вы реально представили что это такое. В современных плёнках стараются внедрять такие слои, которые максимально гасят переотражения и данный эффект сводится к минимуму. Но он есть. И для эмуляции плёночного вида часто искуственно добавляют его. При этом не стараются моделировать реальную плёнку, а добавляют эффект для создания стереотипного образа, присущего плёнке.
А мы добавляем в наш «пирог» ещё слои и у нас на очереди два зелёных подслоя. При проявке они станут пурпурными.
Плёночка визуально имеет всё меньше просветов. Но это не значит, что фотоны будут блокироваться. Каждый слой будет чувствителен к своей части спектра, а остальные просто пролетят мимо.
И самый верхний слой (вернее два подслоя) чувствителен к синей части спектра.
И всё это «добро» представляет собой лишь квадратную область размером 1 на 1 микрометр. А мы с вами уже помним, что один условный пиксель представляет собой квадрат 20 на 20 микрометров. Вот и представьте таких квадратов 400 штук. Вот столько кристаллов в одном пикселе вашего цифрового фотоаппарат.
Т.е. по факту плёнка — это такая аналоговая матрица с очень большим количеством пикселей. Ну и пиксели эти расположены не на ровной сетке, а хаотично! Позже вы узнаете как это влияет на эффект «пленочного зерна».
Когда летят фотоны, они попадают в кристаллы, активируя их световые ловушки и потом вокруг этих мест начинают расти кристаллы галогенидов серебра. (Это вы уже знаете). Но кристаллы будут чёрные. А нам нужно, чтобы они были жёлтые, пурпурные и голубые. Поэтому всё происходит примерно так. Краситель уже есть в каждом слое. В момент проявки плёнки желатин размягчается и начинают расти кристаллы серебра и к ним прилипает краситель, образуя облака (сгустки). Затем происходит процесс отбеливания. В эти моменты желатин, в котором находится краситель снова отвердевает и не даёт красителю снова разлететься, а кристаллы серебра растворяются. происходит реакция, которая вновь делает их прозрачными. Всё это очень приблизительно описываю, но визуально краситель остаётся в тех местах плёнки, где была засветка.
И вот за счёт того, что все эти сгустки (зёрна плёнки) весьма хаотично расположены — возникает эффект того, что изображение состоит из них.
Т.е. в эмуляции плёночного зерна, оно накладывается на готовое цифровое изображение, а в реальной плёнке картинка именно состоит из зерна! Именно поэтому оно такое органичное! Художественное! Оно прекрасно! Оно восхитительно! Оно является произведением искусства! Оно уникально! Нет ни одного кадра в мире, где бы оно повторялось.
Даже в рамках одного кадра и равномерных поверхностей — зерно будет уникальным. Т.к. по всей площади кадра всегда будет изначально разная плотность расположения кристаллов. Это и делает плёнку неповторимой и практически невозможной к эмуляции.
Итак, что же нужно для того, чтобы эмулировать плёнку (привести цифровое изображение к плёночному виду, к плёночной эстетике)?
- Имитация цветопередачи плёнки
- Имитация красных ореолов (halation)
- Имитация свечения (bloom)
- Имитация зерна (film grain)
- Имитация подёргиваний
- Имитация пыли и царапин
- Имитация скачков яркости от кадра к кадру