Стереокино | ТМ 1940-07

В статье инженер Б. Иванов рассказывает о развитии стереоскопического кино — попытке сделать кинематограф максимально похожим на реальный мир. Автор объясняет, почему обычный экран остаётся плоским, и описывает физиологические основы объёмного зрения: работу двух глаз, конвергенцию, аккомодацию и влияние воздушной перспективы. Эти особенности человеческого восприятия определяют задачу стереокино — дать каждому глазу своё изображение.

Далее рассматриваются исторические попытки создать объёмное изображение: от стереоскопов Уитстона и Брустера до анаглифических и поляризационных методов. Иванов подробно объясняет, почему системы с очками оказались неудобными и не получили широкого применения: они утомляли зрителя, искажали цвета и требовали сложных приспособлений.

Заключительная часть посвящена принципиально новому подходу — разделению изображений у экрана с помощью специальных решёток. Автор описывает зарубежные эксперименты и подчёркивает значимость советского изобретателя С. П. Иванова, создавшего радиальный растр, позволивший демонстрировать стереофильмы без очков. Эта система стала важным шагом к настоящему объёмному кино.

---

Инж. Б. ИВАНОВ

Появление кино в своё время было воспринято как подлинное техническое чудо. Движение на экране создавало поразительную иллюзию реального мира. Но прошло некоторое время, и эту иллюзию начали находить несовершенной. Кино было немым и одноцветным. Звуки, краски, которыми так полон окружающий нас мир, на экране отсутствовали. И вот изобретатели направили все свои усилия на то, чтобы заставить людей на экране заговорить и придать всей картине подлинные цвета. Сейчас звуковое кино и цветной фильм уже прочно завоевали своё место.

И всё-таки экран не давал точной копии реального мира. Для полной, предельной иллюзии изображение нужно ещё было сделать объёмным, или стереоскопичным. Предметы на экране должны были получить третье измерение — глубину.

«Стереос» по-гречески значит объем, рельеф. Поэтому стереоскопическое кино называют иногда ещё объёмным или рельефным.

Наблюдая окружающий мир, человек обычно смотрит двумя глазами. Такое зрительное восприятие называется бинокулярным или стереоскопическим. Любой предмет внешнего мира находится на неравном расстоянии от левого и правого глаза. Поэтому на сетчатке каждого из них возникает изображение, несколько отличное от другого. Полученные таким образом органами зрения два различных впечатления передаются мозгу, что и вызывает иллюзию единого объёмного (или, иначе, стереоскопического) изображения.

Стереоскопическое, или объёмное, изображение позволяет видеть реальную глубину предметов. Благодаря такому изображению у нас возникает ощущение пространства. Мы видим предметы в трех измерениях, чувствуем их объёмность точно так же, как если бы мы наблюдали реальный мир.

Психофизиология стереоскопического восприятия до сих пор мало изучена. Однако мы всё-таки имеем уже некоторое представление о причинах, создающих впечатление рельефности. На рельефность восприятия оказывают влияние: изменение угла между осями хрусталиков глаз (угол конвергенции), атмосферная дымка, покрывающая отдельные предметы, находящиеся на некотором расстоянии от наблюдателя (воздушная перспектива), и аккомодация хрусталика глаза.

Что же такое конвергенция? Глаза человека отстоят один от другого на 63—65 миллиметров. Поэтому каждый глаз видит наблюдаемый предмет с несколько другой точки зрения. Конвергенция — это способность изменять направление зрительных осей обоих глаз так, чтобы они сходились на наблюдаемом предмете. Чем ближе он от человека, тем больше угол между обеими осями и тем предмет воспринимается рельефнее. И, наоборот, чем объект дальше от наблюдателя, тем угол зрения (угол между осями) меньше, и предмет выглядит более плоским, т. е. менее рельефным.

На рельефность влияет уменьшение угла зрения при удалении предмета. Ёлку, находящуюся вблизи, наблюдатель рассматривает под углом зрения \(\alpha_2\) . Та же ель на более далеком расстоянии рассматривается уже под значительно меньшим углом \(\alpha_1\). Чем угол зрения больше, тем предмет воспринимается рельефнее.

Покрывающая отдельные предметы, находящиеся на некотором расстоянии от наблюдателя, атмосферная дымка также способствует рельефности восприятия. Дымку можно наблюдать, например, в поле, когда близкие объекты — отдельные деревья, дом, столб — вырисовываются со всеми деталями, в то время как лес, находящийся где-то вдали, на горизонте, сливается в одну общую массу, окутанную лёгкой вуалью.

Аккомодация (приспособление) позволяет глазу видеть предметы, находящиеся на различных расстояниях, так, что они всегда оказываются в фокусе зрения и воспринимаются вполне отчётливо.

На обычном киноэкране изображение бывает плоским. Правда, зритель часто, видя на нём хорошо знакомые ему из наблюдений реального мира объекты — вещи, людей, пейзажи, — дополняет впечатление памятью и воспринимает их не совсем как плоские. Однако полной объёмности, глубины кинозритель всё-таки не ощущает. Он всегда чувствует, что изображение на экране отличается от реального пространственного мира. Зритель всегда ощущает, что перед ним лишь два измерения предметов, третье же — глубина — отсутствует.

Для того чтобы предметы на экране выглядели не плоскими, а объёмными, нужно, чтобы каждый глаз видел только одно и только для него предназначенное изображение. Поэтому при съёмке объекта на плёнку необходимо, чтобы отдельные изображения были сняты с двух точек зрения, соответствующих правому и левому глазу. Стереоскопический фильм должен сниматься либо двумя аппаратами, находящимися на определённом расстоянии друг от друга, либо одним обычным съёмочным аппаратом с соответствующей приставкой — стереонасадкой.

Каждый глаз видит наблюдаемый предмет с несколько другой точки зрения, и на сетчатках получаются различные изображения. Левый глаз видит две стороны треугольника, в то время как правый глаз — только одну сторону.

Без этого настоящего объёмного кино быть не может.

*

Первые попытки изучить явление стереоскопии производились давно.

Они даже предшествовали появлению фотографии. Вопросами стереоскопии и перспективы занимался ещё Леонардо да-Винчи.

Появление механического устройства, позволяющего наблюдать стереоскопический эффект, относится к середине XIX столетия.

Изобретателем стереоскопа является Уитстон. В 1833 г. он предложил конструкцию зеркального стереоскопа. Этот стереоскоп состоит из двух зеркал, расположенных под углом друг к другу. Перед одним из них ставится изображение предмета в том виде, в каком он воспринимается только левым глазом; перед другим ставится соответствующее изображение для правого глаза. Первое изображение, отражаясь от зеркала, попадает в левый глаз смотрящего, второе — в его правый глаз. В результате такого сдвоенного изображения предмета у зрителя возникает впечатление рельефа.

Схема зеркального стереоскопа Уитстона. Глаза зрителя 5 устремлены на зеркала 4 и в них видят два стереоскопических изображения объекта: 2 — для левого глаза и 3 — для правого. В результате перед зрителем возникает одно мнимое стереоскопическое изображение 1.

Известный английский физик Давид Брустер (1781—1868), которому принадлежат многочисленные работы по оптике, усовершенствовал стереоскоп. Сначала он применил две линзы, а затем половинки линз. В таком виде стереоскоп дошёл до наших дней.

Стереоскоп. Два стереоскопических изображения 1, закреплённых на движке 2, могут перемещаться по планке 3, приближаясь или удаляясь от глаз зрителя.

Принципиальная схема стереоскопа Давида Брустера. Глаза наблюдателя 1 через половинки линз или два клина 2 смотрят на стереоскопические изображения предмета 3 для левого глаза и 4 — для правого. В результате возникает мнимое стереоскопическое изображение 5.

Парижский оптик Дюбоск предложил демонстрировать в зрительном зале изображения, нанесённые на стекло, через которое пропускались лучи какого-нибудь источника света. В то же время была сконструирована двухлинзовая камера для стереоскопической фотографии. Так было положено начало развитию стереофотографии, а затем и кинематографии.

Со времён Леонардо да-Винчи и до наших дней было предложено немало различных способов получения стереоскопического эффекта. Некоторые из них привели к созданию кино нового типа.

Одним из таких способов является метод цветных очков, или анаглифический метод. Заключается он в следующем. С двух точек, разделённых расстоянием в 65 миллиметров (это нормальное расстояние между зрачками человеческих глаз), производятся два снимка. Эти стереоснимки проецируются на обычный экран через специальные светофильтры. Пучок света, прошедший через один светофильтр, задерживается другим. Во время демонстрирования зритель вооружается очками, представляющими пару таких же фильтров. Если, например, правое изображение окрасить в красный цвет, а левое — в зелёный и рассматривать их через очки с соответствующими различно окрашенными стёклами, то каждый глаз будет видеть только одно, специально для него предназначенное изображение. Одновременное разглядывание обоими глазами двух таких изображений будет создавать впечатление, подобное естественному бинокулярному зрительному восприятию.

Впервые способ анаглифов был предложен ещё в 1852 г. Много позже Луи Люмьер изобрёл стереоскопическое кино, в основу которого положил метод цветных анаглифов. Однако этот метод и до настоящего времени практического применения не получил в силу целого ряда дефектов. Предложенный Люмьером способ требовал, чтобы все зрители были вооружены цветными очками. Разноцветность очков приводила к сильному утомлению глаз. Цветные фильмы нельзя было демонстрировать. Окрашенные светофильтры приводили к большой потере света.

*

Наряду с методами цветных очков существует ещё способ поляризационных очков. В девяностых годах прошлого столетия англичанин Андертон предложил воспользоваться поляризацией света для разделения двух сопряжённых стереоскопических изображений.

Под поляризацией света понимают явление, заключающееся в том, что колебания светового луча полностью (полная поляризация) или частично (частичная поляризация) происходят в одном направлении, т. е. в одной определённой плоскости, проходящей через луч. Поляризованный луч обладает некоторыми особенностями при отражении и преломлении. Эти особенности позволяют легко отличать его от неполяризованного луча, в котором колебания происходят во всех направлениях.

Один из способов получения поляризованного света состоит в пропускании его через двоякопреломляющий кристалл (кварц, исландский шпат и др.). При этом световой луч расщепляется на два луча, поляризованные в двух перпендикулярных направлениях. Обычно один такой луч задерживают, а другой выпускают из кристалла. Два стереоскопических изображения проецируются на экран, поляризуются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и рассматриваются через специальные очки. Эти очки состоят из поляризаторов, которые пропускают поляризованный свет также только в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом каждый глаз будет видеть только одно изображение.

Экран для проецирования поляризационных стереоскопических изображений должен быть сделан из специального материала, который не нарушал бы поляризации при отражении от него света.

Этот способ несколько проще описанного выше. Здесь не требуется применения цветных очков, и, кроме того, он позволяет демонстрировать цветные фильмы. Но и он сопряжён с большими трудностями. Приходится изготовлять поляризаторы, и каждому зрителю необходимо иметь специальные очки. В результате, этот способ также не получил практического применения.

К методам получения стереоскопического эффекта с помощью индивидуальных приспособлений относится также способ обтюрации, или, иначе, способ заслонок. Впервые он был предложен выдающимся французскими хирургом Евгением Дуайеном (1859—1916). Позднее опыты Дуайена были повторены советскими исследователями.

Сущность метода обтюрации заключается в следующем. Два стереоскопических изображения, для правого и левого глаза, попеременно проецируются на обычный киноэкран. Перед каждым зрителем устанавливается прибор, состоящий из вращающейся в вертикальной плоскости прямо перед глазами специальной заслонки (обтюратора), с вырезом для глаз. Вращение заслонки синхронно с обтюратором кинопроектора, т. е. производится с той же скоростью, что и обтюратор.

Такие заслонки ставятся перед глазами зрителя во время демонстрирования стереоскопического фильма способом обтюрации. 1 — окошко для левого глаза; пунктиром обозначено окошко для правого глаза, в данный момент прикрытое вращающимся обтюратором (заслонкой) 2.

Таким образом, в тот момент, когда на экране проецируется изображение для левого глаза, правый глаз прикрывается заслонкой, а перед левым глазом проходит прорезь заслонки, и наоборот. Зритель, видя каждым глазом только одно и только для него предназначенное изображение, воспринимает его стереоскопически.

При помощи этих диковинных очков тоже можно демонстрировать стереоскопические фильмы методом обтюрации. Каждая половина очков состоит из укреплённых на пружинках заслонок 1, электромагнитиков 2 и окна для глаз 3. Электромагнитики соединены с коммутатором, закреплённым на обтюраторе проекционного аппарата. Когда проецируется стереоскопическое изображение для правого глаза, эти электромагнитики открывают отверстие для правого глаза, и наоборот. Зритель видит каждым глазом только одно, специально для него предназначенное изображение. Благодаря частой смене кадров они кажутся ему рельефными.

Подобная система в небольших масштабах была осуществлена Э. Бенкли в Австрии в 1936 г.

Из-за большой сложности и дороговизны, а также вредного действия на глаза метод обтюрации, как и предыдущие, не получил практического применения.

Мы рассказали о некоторых способах получения стереоэффекта путём разделения изображения у глаз зрителя. Все эти способы страдают одним общим недостатком: зритель должен вооружаться очками или специальными приспособлениями. Это сложно, неудобно и утомительно.

На совершенно ином принципе основан ряд других способов получения стереоэффекта. В этих способах изображение разделяется не у глаз, а у экрана.

Ещё в конце XIX века возникла идея разделять изображения в непосредственной близости от экрана одним общим для всех зрителей прибором. Американец Фредерик Айвс, например, предложил установить перед экраном решётку, состоящую из чередующихся между собой узких вертикальных прозрачных и непрозрачных полос. Изображение, спроецированное через эту решётку, получится на экране также в виде узких полос. Нетрудно сообразить, что такое изображение при перемещении зрителя поперёк зала, в плоскости, проходящей через объектив кинопроектора параллельно решётке, будет либо частично, либо полностью загораживаться непрозрачными полосками решётки. Можно найти много таких точек в зале, смотря из которых на экран, один глаз будет полностью видеть все полоски изображения, а другой глаз ничего не будет видеть.

Если теперь на определённом расстоянии от первого проектора установить второй проектор и проецировать на экран другое стереоскопическое изображение через ту же решётку, то каждый глаз будет видеть только одно изображение, специально для него предназначенное. При этом возникнет стереоскопический эффект.

Схема параллельной решётки: 1 и 2 — проекторы, 3 — решётка, устанавливаемая перед экраном 4. Решётка состоит из непрозрачных полос и просветов между ними, которые при проецировании получаются на экране (5 и 6).

Основной недостаток этой системы заключается в том, что точки, из которых можно наблюдать стереоскопический эффект, расположатся одна над другой в виде вертикальных полос только в плоскости, проходящей через объективы проекторов параллельно решётке. Все зрители должны были бы сидеть в одной только вертикальной плоскости.

Изобретатели нашли, однако, способ устранить этот недостаток. Решётку перед экраном начали делать не из параллельных полос, а из радиальных, сходящихся внизу в одной точке за пределами решётки. Благодаря этому плоскость, в которой находятся полосы стереоскопического видения, или, как их ещё называют, зоны стереоскопического видения, приобретала уже не вертикальное, а наклонное положение. Эта плоскость проходила через линию пересечения плоскости экрана с решёткой и линию, соединяющую объективы обоих кинопроекторов.

Давая различный наклон решётке по отношению к экрану, можно получить нормальный профиль зрительного зала кинотеатра, в котором все зрители будут находиться в зоне стереоскопического видения.

*

Бельгийский профессор Ноайон предложил вырезать непрозрачные полосы решётки из тонкого листового металла. А для того, чтобы они не были заметны зрителю, он заставил их совершать колебательное движение, синхронное со скоростью смены кадров в проекторе. В дальнейшем для усиления освещённости и увеличения ширины полосы, т. е. зоны стереоскопического видения, Ноайон предложил систему экрана с тремя решётками.

Однако привести в колебательное движение решётки больших размеров было весьма затруднительно. Помимо того, эта система не избавляла всё-таки зрителя от необходимости сидеть во время сеанса лишь в строго определённом положении.

*

По совершенно другому пути пошёл советский изобретатель С. П. Иванов. Он предложил установить перед обычным экраном только одну решётку — растр — с радиальным расположением прозрачных и непрозрачных полос и проецировать через него обычную пару стереоскопических снимков. А для того, чтобы зритель во время демонстрации стереофильмов не видел элементов решётки, С. П. Иванов сделал размеры непрозрачных полос решётки столь малыми, что глаз человека не в состоянии разглядеть каждую полосу в отдельности. Все полосы сливаются в один общий серый тон.

Стереоэкран С. П. Иванова: 1 — радиальный растр (решётка), 2 — экран.

Интересно, что весь сложный путь получения стереоскопического эффекта и переход от параллельного растра к радиальному был проделан С. П. Ивановым совершенно самостоятельно, без ознакомления с заграничным опытом.

Стереонасадка системы С. П. Иванова на киносъемочном аппарате.

В стенах Научно-исследовательского кино-фотоинститута в Москве в 1938 г. С. П. Иванов изготовил стереоэкран размером 2,25 на 3 метра. Несмотря на такой большой растр, площадью почти в 7 кв. метров, основное требование изобретателя, чтобы при рассмотрении изображения через растр зритель не видел элементов этого растра, было выполнено. Опыты с изготовлением растра показали, что для достижения стереоскопического видения нет никакой необходимости в синхронных колебаниях непрозрачных полос решётки.

Зрительный зал кинотеатра для демонстрации стереоскопических фильмов методом радиальных растров (решёток). Зритель, глаза которого не выходят за пределы нижнего луча (условно обозначенного в виде пучка света), видит изображения на экране рельефными.

*

В феврале 1938 г. в присутствии видных учёных было продемонстрировано стереоскопическое кино системы С. П. Иванова. Присутствующие дали блестящую оценку изобретению.

Ещё лучших результатов добился изобретатель при изготовлении радиального растра фотографическим путём. В этом случае отдельные непрозрачные полосы решётки делались не механическим путём (т. е. не из отдельных проволочек и не из тонкого листового металла), а с помощью фотографирования подобной решётки на стекло. Черные полосы, полученные при этом, заменяют непрозрачные полосы решётки.

*

В начале 1940 г., по инициативе режиссёра Андриевского, в одном из просмотровых залов студии «Союздетфильм» был установлен экран с радиальным растром, выполненным на стекле.

В небольшом зале происходит первая демонстрация кусков стереоскопического фильма. Вдруг, неожиданно вы с досадой замечаете, что не убран свешивающийся с потолка зрительного зала патрон, который загораживает часть экрана. Но каково же ваше удивление, когда рука девушки с сачком для ловли бабочек тянется с экрана в центр зала и, подхватив патрон, подтягивает его к себе, затем ввинчивает электрическую лампочку и отпускает патрон, который, раскачиваясь, приближается к самому зрителю.

Вот другой момент. Над вами протянут провод, конец которого теряется в темноте, где-то над головой. Вылетающие с экрана голуби садятся на провод и раскачиваются на нём. У зрителя создаётся полная иллюзия, что это живые голуби, находящиеся в самом зрительном зале.

Наконец, когда девушка на экране выплёскивает содержимое стакана в зрительный зал, у вас невольно появляется желание несколько отодвинуться в, сторону, чтобы не быть облитым.

Впечатление от просмотра уже первых кусков стереоскопического фильма поражающее.

Так выглядит кадр стереоскопического фильма.

«Это начало совершенно новой эры кинематографии. Ясно, что уже через несколько лет стереокино станет для нас тем же, чем стало звуковое».

Так записал в книге впечатлений режиссёр-орденоносец М. Ромм.

Сейчас, по заданию Комитета по делам кинематографии, изобретатель подготавливает оборудование одного из московских кинотеатров для демонстрации стереоскопических фильмов. Через несколько месяцев москвичи смогут видеть на экране нормальных размеров и без каких бы то ни было очков первый в мире стереоскопический цветной фильм.