Что общего у кошки и ровера на Луне часть 1

Леонид Коновалов

Могу спорить, что вы ни за что не догадаетесь, что общего есть у обычной кошки и ровера на Луне? Я имею в виду вообще семейство кошачьих (с одной стороны) и  знаменитые проезды  на электромобиле по Луне, под названием «Гран При» (с другой стороны). Помните, как в киноролике миссии Аполлон-16 электромобиль, весело подскакивая на ухабах, сделал два круга по лунной поверхности? Вот об этом проезде я и хочу поговорить.

Рисунок 1.

Apollo-16. Проезды электромобиля (ровера) по Луне.

У вас, наверное, мелькнула мысль, что я начну сравнивать  «мягкость» прыжков здесь и там - и будете не на верном пути. Я хочу поговорить совершенно о другом явлении. Даже могу дать подсказку, чтобы объяснить, о чем сейчас пойдет речь. Слово для подсказки  – «ковер». Но вряд ли эта подсказка натолкнет вас на ответ. Потому что ни о каком реальном ковре не будет ни слова. Речь пойдет о «тапетуме» - об особом слое внутри глаза кошки. Латинское слово «tapetum» означает «ковер» или «покрывало». Тапетум – это такой перламутровый слой в глазу у животных, позади сетчатки, который работает как зеркало, отражая назад падающий в глаза животного свет. Он позволяет животным лучше видеть в сумерках и при очень слабом свете: возвращая прошедший свет назад, опять на сетчатку,  этот тапетум, судя по всему, позволяет в 2 раза повысить эффективную светочувствительность глаза.

Когда мы фотографируем кошку со вспышкой, глаза начинают ярко светиться. (рис.2) Шерсть кошки отражает свет диффузно, во все стороны, а вот тапетум – он работает как зеркальце – отражает свет туда, откуда пришел. А поскольку объектив и вспышка на фотоаппарате, как правило, находятся очень близко друг от друга и практически на одной оси, свет от вспышки, попадая в кошачьи глаза, возвращается прямо в объектив. А вот свет, попавший на шерсть, рассеивается во все стороны, теряя свою эффективность, и до объектива доходит лишь малая часть.

Рисунок 2.

Подобными свойствами отражения, как у тапетума, обладают некоторые, специально созданные материалы, их называют световозвращающими. Они применяются для изготовления дорожных знаков и светящихся полос на одежде (например, у работников дорожных служб – рис.3). В темное время суток, отражая свет от фар автомобиля обратно к источнику света, эти знаки и элементы одежды становятся видны водителем за 150-200 метров.  

Рисунок 3.

Применяются такие материалы и в киноиндустрии. Из них делаются специальные киноэкраны для комбинированных съемок. Наибольшую известность эти киноэкраны получили благодаря комбинированным кадрам в фильме С.Кубрика «2001: Космическая Одиссея.» Материал называется скотчлайт (scotchlite) – рис.4.

Рисунок 4.

Изготовитель этих экранов - фирма «3М» (Minnesota Mining and Manufacturing Company), которая начала выпуск светоотражающих пленок для дорожных знаков еще в 1939 году.

Поверхность экрана состоит из мельчайших стеклянных шариков, диаметром примерно 0,05-0,1 мм. Чтобы понять, насколько они малы, можно привести такой пример: на один дюйм по длине приходится от 250 до 400 шариков, что примерно соответствует принтеру с разрешающей способностью 300 dpi. Другими словами, диаметр шарика сопоставим с печатной точкой в принтере. Визуально экран из скотчлайта кажется однородным (рис.5), и только при макросъёмке можно заметить шарики (рис.6,7,8,9).

Рисунок 5.

Рисунок 6. Макросъемка.  

Рисунок 7. На скотчлайт наложена миллиметровая шкала.

Рисунок 8.

Рисунок 9.

За стеклянными шариками находится зеркальный слой.

        У стеклянных шариков есть такая особенность – они отражают свет туда, откуда он пришел (рис.10).

Рисунок 10.

Благодаря такому свойству, удается добиться невероятно высокой яркости экрана. Правда, всего лишь для одного зрителя – который находится в том месте, где и источник света, на оси объектива проектора. А вот для человека, который стоит немного в стороне, экран покажется серым, ведь стеклянные шарики почти ничего не отражают в сторону. 95% отраженного от экрана света  возвращается к исходной точке, к объективу проектора.  

В домашних условиях в качестве киноэкрана мы используем белый лист бумаги, белую ткань или специальный матовый пластиковый экран из поливинилхлорида (ПВХ), реже – экран с аллюминевым напылением или металлизированную ткань.

Белый экран рассеивает свет диффузно, одинаково во все стороны, поэтому имеет большой «угол обзора» (рис.11), и зрители, сидящие по центру зала и с краю ряда, видят под разными углами одинаковую по яркости картинку на экране.

Рисунок 11.

Совсем иначе ведет себя экран из скотчлайта.

Рисунок 12.

В рассеянном свете он выглядит серым (рис.12), примерно таким же по яркости, как средне-серое поле на тестовой шкале (рис.13).

Рисунок 13.

Но если фотоаппаратом сотового телефона сделать снимок со вспышкой, яркость экрана увеличивается во много раз. Экран становится «ослепительно» белым (рис.14).

Рисунок 14.

Это происходит из-за того, что вспышка на сотовом телефоне расположена совсем рядом с объективом (рис.15), и весь свет, попавший на экран от вспышки, не рассеивается во все стороны, а возвращается назад, как от зеркала.

Рисунок 15.

Строго говоря, утверждение, что свет от скотчлайта возвращается, как от зеркала, не совсем точно. Если бы вместо экрана было зеркало, то мы увидели бы в зеркале лишь одну «горячую точку» - отражение самой вспышки. Причем, это было бы небольшое яркое пятнышко, блик где-то в середине зеркала, в то время как остальная площадь зеркала оставалась бы темной – ведь свет, падающий на левую часть зеркала, после отражения уходит еще дальше влево и не попадает в объектив; а свет, освещающий правую половину зеркала, после отражения уходит вправо. А вот для экрана из скотчлайта все освещенные вспышкой точки поверхности оказываются одинаково яркими, поэтому бликовать начнет весь экран (рис.16).

Рисунок 16.

Глядя на ослепительно яркий экран скотчлайта при вспышке, нам захотелось узнать, во сколько же раз увеличилась его яркость. Максимум должен наблюдаться в том случае, когда мы становимся в точности на одну ось с источником излучения света. 

Для замера яркости мы воспользовались яркомером Асахи-Пентакс (рис.17), который до недавнего времени был самым популярным светоизмерительным прибором у кинооператоров на съемочной площадке.

Рисунок 17.

Если посмотреть в окуляр прибора, то там можно увидеть шкалу от 1 до 19 EV (exposure value) и маленькую окружность в центре, она указывает на угол замера 1 градус. Прибор производит «точечные» замеры яркости, поэтому иногда называется спотметром  (от английского «спот» - пятно, точка). Разница в одну единицу EV соответствует изменению яркости в 2 раза, это называется 1 ступень. Легко посчитать, что диапазон измерений этого прибора  от минимальной до максимальной яркости (18 ступеней)  соответствует разнице в 218 =  250 тысяч раз.

Например, МАКСИМАЛЬНАЯ яркость монитора моего компьютера равна 11,1 EV (рис.18), что соответствует 310 кд/м2.

Рисунок 18.

Когда мы попытались замерить яркость экрана из скотчлайта, встав на одной оси с осветительным прибором, то столкнулись к определенной трудностью: на экран падала тень от головы или от яркомера. Чуть позже мы нашли способ, как деликатно обойти это препятствие, но вначале решили определить, насколько белый (матовый) экран может отличаться по яркости от «зеркального» экрана.

Эксперимент был прост. Осветительным прибором (светодиодной панелью) освещалась прислоненная к зеркалу тестовая шкала, имеющая 3 ахроматических поля (серое, белое и черное). И тут же рядом со шкалой было видно отражение осветительного прибора в зеркале (рис.19).

Рисунок 19.

Яркомер показал, что когда мы переходим от белого экрана (белый лист бумаги, точка А) к зеркальному отражению источника света (точка В), яркость меняется почти на 7 ступеней, а если быть точным, то на 6,9 (с 10,6 до 17,5), что составляет практически 120 раз (26,9 = 119,4).  Другими словами, если вместо белого киноэкрана у нас будет установлен некий зеркальный экран, то он будет ярче белого материала примерно в 120 раз.

Для того, чтобы замерить, во сколько раз меняется яркость экрана из скотчлайта, когда мы становимся на одной оси с излучателем, нам понадобилось обычное оконное стекло, установленное под 45 градусов к экрану. Свет от проектора изначально шел параллельно экрану, но дойдя до стекла, отклонялся  в перпендикулярном направлении и попадал на экран. Перед стеклом, на таком же удалении от него, как и проектор, помещался яркомер (рис.20).

Рисунок 20.

В нашем случае (см. фото ниже) стекло отражало под прямым углом примерно 12% света. 80% света проходили по прямой линии и попадали слева на белый экран (8% света стекло поглощало). Это изображение слева никак не используется, оно только мешает своей яркостью, поэтому экран слева завешивался черной бумагой (рис.21).

Рисунок 21.

На фотографии можно видеть яркий свет на правом плече пиджака, на лбу и на пальцах руки. Этот свет идет, отражаясь (возвращаясь) от скотчлайта.

Затем верхний свет в помещении выключался и производился точный замер (рис.22). 

Рисунок 22.

Для белого поля не важно, с какого направления мы промеряем его яркость, оно отражает свет диффузно, одинаково во все стороны. При замере с немного боковой точки (20 градусов от перпендикуляра), белое поле имело яркость 7 EV (рис.23), а скотчлайт выглядел темнее на 2 ступени (5 EV).

Рисунок 23.

Но как только с яркомером мы встали перпендикулярно экрану, на точку, где пересекаются линии возвращения света (на высоте объектива проектора), экран из скотчлайт сразу же стал ослепительно белым - причем настолько сверхъярким, что рядом с ним белое поле шкалы стало казаться черным (рис24).

Рисунок 24.

Значения яркомера ушли за 14,2 EV.  Легко посчитать, что по сравнению с белым полем, экран стал ярче в 27,2, т.е. 147 раз.

Если же посчитать, как сильно меняется яркость самого скотчлайта от угла наблюдения (угол 20 градусов), то мы получим просто фантастическое значения, от 5 до 14,2 EV, более чем на 9 ступеней - это изменение яркости в 29,2=588 раз. 

Когда на экран скотчлайта падает свет от вспышки, то почти весь свет возвращается назад и попадет в объектив – ведь вспышка расположена очень близко к объективу фотоаппарата. Чем дальше расположен экран, и чем ближе расположена вспышка к объективу, тем меньше угол параллакса  между осью объектива и осью вспышки, тем ярче будет казаться экран. Если предположить, что в большинстве случаев съемки со вспышкой, половина возвращенного света попадает назад в объектив, то это приводит  к тому, что яркость скотчлайта увеличивается примерно в 588/2 = 300 раз по сравнению со съемкой в рассеянном свете.

Если мы фотографируем ночью животных, а их сетчатка глаза работает так же, как скотчлайт, то при вспышке глаза животного в темноте начинают «гореть», ведь их яркость оказывается в 300 раз ярче, чем шкура, которая по своему коэффициенту отражения занимает среднее положение между черным и белым – рис.25.

Рисунок 25.

Не знаю, догадались вы уже или нет, для чего мы так подробно что-то высчитываем и так скрупулезно описываем методику измерения яркости экрана? Не догадались? Мы объясняем схему съемки комбинированных кадров методом фронтпроекции. Именно фронтпроекция на экран из скотчлайта использовалась при съемке ровера на Луне. А эти числа необходимы для того, чтобы ответить на ваши недоуменные вопросы, которые обязательно возникнут у вас, когда вы познакомитесь с технологией съемки. Всё вам покажется просто невероятным, непривычным, поэтому необходимо детальное изложение всех деталей такой съемки.

«Какая фронтпроекция? Какой еще скотчлайт на Луне?» - удивитесь вы.

Фронтпроекция – это основной метод съемки общих планов в лунных экспедициях «Аполлонов».

Например, этот кадр из миссии «Apollo-15» (рис.26) - типичный пример  «комбинированных съемок» с применением фронтпроекции. Кадр снят в павильоне. Изображение горы проецируется со слайда на экран из скотчлайта. А перед экраном находится насыпной грунт и актер, изображающий астронавта.  

Рисунок 26.

Разберем подробнее метод фронтпроекции.

Слайд-проектор или видеопроектор проецирует изображение фона на большой экран, например, какой-либо пейзаж. Слайд-проектор установлен сбоку от экрана, свет от него вначале падает на полупрозрачное зеркало, меняет направление на 90 градусов, и только потом попадает на экран из скотчлайта (рис.27). Для более эффективного использования светового потока от проектора, чтобы изображение можно было разогнать на максимально большой экран (до 30-ти метров в длину), используется не стекло, а полупрозрачное зеркало. Полупрозрачное зеркало отражает на экран около 70% падающего света, в то время как стекло - только 10-12%. Зеркало полупрозрачным должно быть для того, чтобы через него могла  вестись киносъемка.

Рисунок 27.

Та часть света, которая проходит сквозь стекло по прямой, никак не используется, поэтому в нашем случае экран слева от съемочной камеры был завешен листом черной бумаги.

Чтобы этот свет не мешал работе (не давал, отражаясь, лишних бликов на стекле), в этом месте в павильоне обычно ставится экран из черного бархата. На нашем  рисунке этот черный экран изображен в виде черного бара-прямоугольника. Если вы сравните этот рисунок с тем, который размещен в Википедии, то заметите, что я внес  три  поправки: первое – нарисовал необходимый экран из черного бархата, второе – изобразил осветительные приборы, которые освещают актера (ведь это отдельный свет), и третье – сделал тень на экране непрозрачной. А то ведь те, кто будут читать в Википедии статью о фронтпроекции и увидят, что сквозь тень человека просвечивает фон, будут ломать голову: полупрозрачный что ли человек стоит перед экраном?

Когда вы смотрите на схему метода фронтпроекции,  то у вас сразу возникают три «недоуменных» вопроса.

Первый. В кадре видна тень актера. Почему мы ее не видим в кинофильмах, где используется фронтпроекция?

Второй вопрос. Если видеопроектор с картинкой фона светит прямо на актера, то почему мы не видим изображение фона на лице и одежде актера? Можно допустить, на черном пиджаке это не видно, но если актер в белой рубашке?

И третий вопрос. Мы освещаем актеров перед экраном специально поставленным светом. Почему этот свет не засвечивает экран?

Чтобы ответить на эти вопросы, мы повторили в павильоне «лунный снимок» из миссии Аполлон-15, взяли специально  белые фигурки - астронавтов в белых скафандрах - и поместили их в лунный пейзаж с помощью фронтпроекции.

Изображение лунного пейзажа подавалось с компьютера на видеопроектор (рис.28).

Рисунок 28.

Свет от видеопроектора попадал на полупрозрачное зеркало и отклонялся под прямым углом вправо на экран из скотчлайта (рис.29,30).

Рисунок 29.

Рисунок 30.

Перед экраном была установлена кювета с насыпным грунтом. На этот грунт были поставлены фигурки астронавтов. Конечно, эти фигурки отбрасывали тень на экран (рис.31).

Рисунок 31.

Но поскольку фотоаппарат стоял соосно с проектором, с его точки зрения тень идеально скрывалась за фигуркой. Это видно по монитору фотоаппарата. С точки зрения стороннего наблюдателя яркость фигурок и яркость изображения на экране сейчас примерно одинаковы (рис.32,33).

Рисунок 32.

Но с точки зрения фотоаппарата, яркость на фоне слишком высока (рис.33).

Рисунок 33.

Чтобы выровнять яркость переднего плана и фона, световой поток от проектора приходится сильно уменьшить. Теперь на мониторе фотоаппарата мы видим «нормальную» картинку (рис.34).

Рисунок 34.

А вот для стороннего наблюдателя экран почти погас (рис.35).

Рисунок 35.

На проектор (перед объективом) был установлен стеклянный серый фильтр НС-9 (рис.36), уменьшающий количество света более, чем в 30 раз.

Рисунок 36.

Но и этого оказалось недостаточно. Был дополнительно установлен фильтр НС-2, еще в 5 раз уменьшающий свет. Итого, с помощью серых фильтров световой поток от видеопроектора был уменьшен более, чем  в 150 раз.

Рисунок 37.

Продолжение статьи, вторая часть

Error

default userpic

Your reply will be screened

Your IP address will be recorded 

When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.