Оптическая запись звука

Опти́ческая за́пись зву́ка — запись электрических колебаний звуковой частоты, осуществляемая фотографическим способом на движущейся светочувствительной киноплёнке.

Опти́ческая фоногра́мма, фотографическая фонограмма — одна или несколько аналоговых или цифровых звуковых дорожек на киноплёнке, предназначенные для воспроизведения фотоэлектрическим методом. Может быть получена:

• фотографическим способом на киноплёнке, путём копирования с аналоговой или цифровой фонограмм, полученных в результате перезаписи при озвучении фильма. После проявления получается негатив фонограммы, представляющий собой полоски переменной ширины (плотности) или набор штрихов цифровых данных, состоящие из металлического серебра. Полученный негатив в дальнейшем используется для печати совмещённого дубльнегатива;
• при гидротипной технологии печати цветных фильмокопий оптическая фонограмма печатается на бланкфильме и также состоит из металлического серебра, в отличие от изображения, состоящего из красителей, наносимых на бланкфильм матрицами.

При печати совмещённых фильмокопий производится печать фонограммы на той же плёнке, на которой происходит печать изображения, поэтому при демонстрации готового фильма синхронизация звука с изображением не требуется. Фонограмма, напечатанная на одной киноплёнке с изображением, называется совмещённой.

Аналоговые оптические фонограммы переменной плотности (слева) и переменной ширины (справа)

Киноплёнка с цифровыми и аналоговой оптическими фонограммами

Воспроизведение фонограммы

Вне зависимости от метода записи фонограммы её воспроизведение осуществляется с помощью лампы накаливания или светодиода, оптической системы, формирующей изображение узкой звукочитающей щели поперёк фонограммы и фотоэлектрического датчика (нескольких датчиков при многоканальной записи). Электрический выходной сигнал датчика усиливается усилителем звуковой частоты. Воспроизведение оптической фонограммы фильма осуществляется звукочитающей системой кинопроектора. В последнее время наиболее широко используются звукочитающие системы с лазерным источником света.

Методы записи аналоговой фонограммы

Звукозаписывающий аппарат представляет собой свето­непроницаемую камеру, в которой с помощью лентопротяжного механизма производится равномерное продвижение светочувстви­тельной кинопленки. На движущуюся кинопленку падает световое пятно в форме прямоугольника, называемое пишущим штрихом. Это световое пятно создается источником света, кото­рый питается постоянным электрическим током. Постоянный поток света на своем пути к светочувствительной пленке про­ходит через так называемое светомодулирующее устройство, назначение которого — изменять (модулировать) проходящий постоянный световой поток в соответствии с подводимыми к моду­лятору электрическими сигналами звуковой частоты^[1].

Пишущий штрих характеризуется толщиной $s$, длиной $l$ и освещённостью $E$. Величина светового потока определяется выражением

$F=Esl$

Изменение светового потока во времени может осуществляться различными методами.

Фонограмма переменной ширины

Изменяя длину штриха $l$, получают фонограмму переменной ширины. При этом время экспозиции (выдержка) постоянно и равно

$t=s/v$

(где $v$ — линейная скорость движения киноплёнки)

В СССР модуляция света длиной штриха была осуществлена в 1926—1928 гг А. Ф. Шориным. Для этого он использовал струнный гальванометр.

В системе записи звука по Шорину свет от лампы накаливания собирается конденсором, проходит через отверстие в северном полюсе магнитной системы гальванометра, фокусируется микрообъективом на нити. Далее световое пятно, положение и размер которого определяется мгновенным значением звукового сигнала (усиленного усилителем), вторым микрообъективом фокусируется на движущуюся кинполёнку.

Ширина нити гальванометра выбирается так, чтобы при нулевом значении сигнала была освещена ровно половина ширины звуковой дорожки.

Фонограмма переменной плотности

Фонограмма переменной плотности позволяла получать модулированный звуковой сигнал за счет просвечивания звуковой дорожки с участками разной прозрачности. Фотоэлемент превращал падающий на него переменный световой поток в электрические колебания зависимости от плотности киноплёнки. К преимуществу такого способа записи относят более широкую полосу частот, так как он менее критичен к точности установки пишущего штриха. Однако, на этапе создания фильмокопии требуется тщательный подбор режима проявления – при малейшем отступлении от него увеличиваются нелинейные искажения. Кроме того, отдача фонограммы переменной плотности меньше отдачи фонограммы переменной ширины. ^[2]

Модуляция шириной щели

При постоянной длине $l$ и освещённости $E$ модуляцию светового потока осуществляют шириной $s$. Для этого в схеме Шорина поворачивают гальванометр на 90°, так что нить его оказывается параллельна щели. В этом случае ширина щели меняется от $s_{min}$ до $s_{max}$, а выдержка $t=s/v$ изменяется порпорционально ширине щели.

Управление световым потоком

П. Г. Тагер в 1926—1928 годах разработал и впервые применил поляризационный модулятор света. В его системе свет от лампы проходит через поляризатор и попадает в наполненную нитробензолом ячейку Керра. К обкладкам ячейки Керра приложено выходное напряжение усилителя звуковой частоты. В результате линейно поляризованный поляризатором свет на выходе из ячейки Керра оказывается эллиптически поляризованным. Далее световой поток попадает на второй поляризатор, служащий анализатором. Его плоскость поляризации повёрнута так, чтобы при нулевом напряжении на конденсаторе получить среднюю величину экспозиции (обычно — около 45°).^[3]

По данной системе^[4], названной «Тагефон», был снят первый советский звуковой художественный фильм «Путёвка в жизнь».

Модуляция яркостью лампы

В 1929—1930 гг советский изобретатель В. Д. Охотников осуществил запись фонограммы переменной плотности, применив специально сконструированную лампу накаливания с тонкой нитью и напрямую регулируя ток её накала напряжением звуковой частоты. Благодаря малой массе тонкой нити ему удалось получить приемлемую характеристику записи для частот около 3-5 килогерц, при том, что инерционность стандартных ламп накаливания полностью «гасит» колебания с частотами выше 200—400 Гц.

Именно по этой схеме производилась запись звука в фильмах «Слава мира» Владимира Вайнштока и Аркадия Кольцатого (1932), «Люблю ли тебя?» Сергея Герасимова (1934), «Переворот».

Однако, помимо большой тепловой инерции, ограничивающей диапазон частот, лампы накаливания имеют существенно изменяющийся спектр излучения, что затрудняет их применение в качестве модулированного звуком источника света с цветными киноматериалами. Дополнительные трудности вносит нелинейность модуляционной характеристики, достигающая десятков процентов (каковые и вносят основной вклад в нелинейные искажения итогового сигнала).

Поэтому в дальнейшем в таких устройствах стали применять газоразрядные лампы, питаемые током высокой частоты, амплитудно модулированным звуковым сигналом.

Также в таких схемах возможно применение практически безынерционных (в звуковом диапазоне), экономичных светодиодов.

Серебряная и «циановая» фонограммы

Использование в звукочитающих системах кинопроекторов фотоэлемента делало наиболее предпочтительной фонограмму, состоящую из металлического серебра чёрно-белой киноплёнки. Появление цветного кино на многослойных киноплёнках заставило искать способы улучшения качества фонограммы, поскольку изображение таких киноплёнок состоит из красителей, а металлическое серебро растворяется при отбеливании. Фонограмма, состоящая из красителей, обладает более низким качеством звучания, поскольку значительно хуже, чем серебро, задерживает сине-фиолетовое излучение, к которому наиболее чувствительны самые распространённые типы фотоэлементов. Таким недостатком не обладали фильмокопии, отпечатанные гидротипным способом, поскольку их фонограмма состояла из серебра чёрно-белого бланкфильма, на который предварительно печаталась. Однако, гидротипный способ печати фильмокопий сравнительно дорог, и распространение получила технология изготовления серебряной фонограммы на цветных многослойных киноплёнках. Для получения серебряной фонограммы применялись специальные проявочные машины, раздельно обрабатывавшие участки с изображением и фонограммой^[5]. На участок с фонограммой специальным аппликаторным устройством наносился вязкий защитный слой, препятствующий действию отбеливателя. В результате, серебро, находившееся в месте расположения фонограммы, оставалось в киноплёнке.

С середины 2000-х годов нашла своё применение технология так называемых «циановых» фонограмм (англ. Dye Track)^[6]. Такая фонограмма состоит только из голубого (англ. cyan) красителя цветной киноплёнки (печатается в красном чувствительном слое киноплёнки) и не требует сложных технологий для получения серебряной фонограммы. Применение специальных звукочитающих блоков с источником красного света, позволяет достичь эффективности, сопоставимой с серебряной фонограммой. Голубой краситель задерживает красный свет в наибольшей степени, поскольку является дополнительным к нему. Большинство современных фильмокопий выпускается с «циановой» аналоговой фонограммой Dolby SR, которая считывается в кинопроекторе звукоблоком на основе красного лазерного светодиода, и цифровой фонограммой Dolby Digital (нейтрально-серой, напечатанной в трёх слоях киноплёнки), считываемой в кинопроекторе цифровым ридером. Звукоблоками для чтения таких фонограмм могут дополнительно оснащаться кинопроекторы с устаревшими звукочитающими системами.

Частотные характеристики

Частотный диапазон аналоговой фотографической фонограммы ограничен разрешающей способностью киноплёнки, применяемой для изготовления прокатных фильмокопий. Для аналоговой оптической фонограммы 35-мм фильмокопии, непрерывная скорость движения которой составляет 456 мм/сек максимальная^[7] воспроизводимая частота не превышает 8—9 кГц. Для 16-мм фильмов, скорость движения которых 183 мм/сек, частотный диапазон ещё уже: оптическая фонограмма таких фильмов не может воспроизводить звук с частотой больше 4—4,5 кГц. Ещё большее ухудшение частотных характеристик происходит при контактной печати из-за взаимного проскальзывания негатива фонограммы и позитивной киноплёнки, имеющих разную степень усадки. Для уменьшения этого эффекта в кинокопировальных машинах применяются специальные компенсаторы проскальзывания. При использовании цифровых фонограмм частотный диапазон не зависит от фотографических свойств киноплёнки, а задаётся при кодировании звука. Частотный диапазон современных цифровых фонограмм соответствует другим цифровым носителям и, как правило, превышает возможности человеческого восприятия.

Шумы и динамический диапазон

При изготовлении аналоговой оптической фонограммы к шумам электронного канала усиления добавляются шумы, образованные зерном кинопленки, поскольку изображение фонограммы строится зернами металлического серебра. Поэтому для улучшения отношения сигнал/шум при изготовлении фонограмм и печати фильмокопий применяются специальные мелкозернистые киноплёнки. Однако, собственные шумы фонограммы на киноплёнке неизбежны и, в сочетании с относительно небольшой шириной дорожки звукозаписи, это накладывает строгие ограничения на максимальный динамический диапазон, составляющий для большинства аналоговых фотографических фонограмм не более 40 Дб. Цифровые оптические фонограммы обладают динамическим диапазоном, задаваемым при кодировании и не зависят от киноплёнки.

Многоканальные фонограммы

Цифровые и аналоговые фонограммы, используемые в современных фильмокопиях, содержат несколько каналов звуковой информации для создания объёмного звучания и эффекта следования звука за своим источником на экране.

Основная статья: Объёмный звук

Цифровые оптические фонограммы

Цифровые оптические фонограммы: Sony Dynamic Digital Sound (SDDS); Dolby Digital (между отверстий перфорации); аналоговый оптический; метки (DTS). В центре участка цифровой фонограммы Dolby виден логотип, печатаемый вместе с информацией на каждой перемычке

Dolby Digital

В конце 1980-х Dolby Laboratories разработала цифровую технологию оптической записи и воспроизведения многоканального звука для 35-мм киноплёнки Dolby Digital. Независимые левый, центральный, правый каналы, разделенные левый и правый каналы окружающего звука зала, плюс канал низкочастотных эффектов преобразовывались в цифровой поток, который затем подвергался информационному сжатию по алгоритму Dolby AC-3. Цифровая информация была размещена на «нерабочей» части пленки — между отверстиями перфорации.^[8] Дополнительно к многоканальности, оптическая цифровая запись Dolby Digital обеспечивает чрезвычайный динамический диапазон, широкую полосу частот, низкий уровень гармонических искажений и повышенную износоустойчивость фонограммы.^[9] Показ первого фильма с использованием системы Dolby Digital, «Бэтмен возвращается», состоялся в кинотеатрах в 1992 году.

SDDS

Sony Dynamic Digital Sound (SDDS) - цифровая cистема пространственного звучания фирмы Sony. Впервые система была использована для записи звука картины «Последний киногерой» в 1993 году. Звуковое сопровождение к фильму печатается непосредственно на 35-мм киноплёнку оптическим методом в цифровом закодированном виде. Фонограмма может содержать 6 или 8 каналов. В системе SDDS используется кодирование с потерями ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding). В системе SDDS скорость цифрового потока составляет 1168 кбит/c для 8 канальной фонограммы.

DTS

DTS — тип фонограммы для кинотеатров, созданный компанией Digital Theater System, который не является оптической фонограммой, поскольку находится на отдельном компакт-диске, поставляемом вместе с плёночной фильмокопией. На киноплёнке в пространстве между аналоговой фонограммой и изображением печатается только временной код, который считывается специальной головкой звукочитающей системы и с кадровой точностью синхронизирует воспроизведение фонограммы на лазерном диске с изображением^[10]. Формат дебютировал в 1993 году в фильме Стивена Спилберга «Парк Юрского периода».

Преимущества и недостатки

Оптическая фонограмма получила наибольшее распространение в кинопоказе, так как не требует синхронизации изображения и звука, записанных на одном носителе. Кроме того, достигается бо́льшая долговечность, благодаря отсутствию размагничивания и отслоения, присущих магнитным фонограммам, получившим распространение в широкоформатных киносистемах. Недостатками аналоговых оптических фонограмм были невысокий динамический диапазон, узкая полоса воспроизводимых частот и зависимость уровня гармонических искажений от фотографических свойств киноплёнки. Все эти недостатки устранены в современных цифровых фонограммах, пришедших на смену многодорожечным магнитным.

См. также

• Звукозапись
• История звукозаписи
• Sony Dynamic Digital Sound
• DTS
• Dolby Digital

Примечания

1. ↑ Кинопроекционная техника, с. 71
2. ↑ АУДИОИСКУССТВА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ. ЗАПИСЬ ЗВУКА
3. ↑ Тагер, Павел Григорьевич. Статья на сайте НИКФИ
4. ↑ С. М. Провонов «Кинопроекционная техника» Часть 1, стр 70
5. ↑ Кинофотопроцессы и материалы, 1980, с. 138
6. ↑ Сергей Алёхин Звуковое оборудование кинотеатра (рус.) // Техника и технологии кино : журнал. — 2006. — № 3.
7. ↑ Кинопроекционная техника, с. 78
8. ↑ «Домашний кинотеатр» и технологии Dolby Laboratories. Г. Высоцкий САТПРО ноябрь 2000 г.
9. ↑ Эволюция кинозвука. Часть 1. Технология «Киномеханик», № 6, 1999lby]
10. ↑ Эволюция кинозвука. Часть 3: «DTS (Digital theatre system)» «Киномеханик», № 10,1999

Литература

• Е. А. Иофис § 27. Звук в позитиве // Кинофотопроцессы и материалы. — 2-е изд. — М.: «Искусство», 1980. — С. 137—139. — 239 с.

• С. М. Проворнов §14. Фотографический метод звукопередачи // Кинопроекционная техника. — 2-е. — М.,: «Искусство». — Т. 1. — С. 70—81.

• Е. М. Голдовский. Советская кинотехника. Издательство Академии Наук СССР, Москва-Ленинград. 1950, C. 40-68

• Т.Ю.Розинкина Синхронная киносъёмка // Фотокинотехника: Энциклопедия / Главный редактор Е. А. Иофис. — М.: Советская энциклопедия, 1981.

Ссылки

• Леонид Коновалов Звуковая дорожка в цветном фильме  (рус.). Кинофотопроцессы. Leonid Konovalov (17 мая 2012). Архивировано из первоисточника 22 ноября 2012. Проверено 11 ноября 2012.