Почему движутся движущиеся картинки?

Элви Рей Смит

Соучредитель компании Pixar, пионер цифрового изображения

Кинофильмам не свойственна такая уж гладкость и плавность. Время между кадрами ничем не заполнено. Камера фиксирует лишь 24 кадра в секунду и отвергает все, что происходит между ними. Тем не менее мы воспринимаем кинокартину как нечто связное. Точнее, мы видим череду моментальных снимков, но нам кажется, что перед нами движение. Как это объяснить? Тот же самый вопрос можно задать относительно цифровых фильмов, видеофильмов, видеоигр – собственно, всей современной медиапродукции. Объяснение этому относится к числу моих любимых.

Старая добрая «инерция зрения» объяснением служить не может. Это вполне реальное объяснение, но оно лишь дает понять, отчего вы не видите пустоту между кадрами. Если актер или мультипликационный персонаж движется между кадрами (т. е. его положение на соседних кадрах отличается), то (благодаря инерции зрения) вы должны были бы видеть его в двух положениях сразу: два Хамфри Богарта, два Базза Светика. На самом деле ваша сетчатка действительно воспринимает оба изображения: одно из них как бы гаснет, другое как бы делается ярче. Каждый кадр проецируется достаточно долго, чтобы это происходило. То, как ваш мозг обрабатывает информацию, поступающую с сетчатки, и определяет, будете ли вы воспринимать двух Богартов в двух разных положениях или же одного Богарта, зато движущегося.

Сам по себе мозг воспринимает движение контура (края) фигуры, но только если этот контур продвигается между первым и вторым кадром не на слишком большое расстояние и не слишком быстро. Подобно инерции зрения, это вполне реальный эффект, хоть он и именуется иллюзорным движением. Что ж, интересно. Но это еще не само объяснение, которое мне так по душе. Классическая мультипликация стародавней разновидности «чернила на целлулоиде» полагается на феномен иллюзорного движения. Мультипликаторы прошлого интуитивно чувствовали, как поддерживать последовательно сменяющиеся кадры в рамках требований «не слишком далеко, не слишком быстро». Если им нужно было выйти за эти пределы, они применяли специальные трюки, которые помогают зрителю воспринимать данную последовательность кадров как движение: использовали, к примеру, линии, означающие скорость, «пуф!» пыли – чтобы обозначить стремительный спуск мистера Хитрого Койота с горки в погоне за коварным Скороходом.

Если же выйти за эти пределы иллюзорного движения, не применяя таких трюков, то результаты окажутся не очень-то красивыми. Возможно, вы видели старинные мультфильмы, сделанные в технике покадровой съемки: скажем, классическую сцену из «Ясона и аргонавтов» Рэя Харрихаузена, где скелеты бьются на мечах. Она испорчена неприятными дергаными движениями персонажей. У вас двоится перед глазами (в каждый момент времени вы видите больше одного края скелета), и вы лишь с трудом интерпретируете увиденное как движение. Края словно бы спотыкаются, дергаются, трясутся, вибрируют, мигают: такое стаккато вызывает у зрителя лишь мучения.

А почему в игровых фильмах изображение не дергается? (Только представьте, каково пришлось бы режиссеру, вынужденному удерживать Уму Турман в пределах «не слишком далеко, не слишком быстро».) Почему не дергаются компьютерные мультики пиксаровского типа? И почему – увы – видеоигры порой ужасно мигают, словно безумный стробоскоп? Ведь все они являют собой последовательности отдельных кадров. Для всех трех фактов есть общее объяснение. Оно именуется размытием движущегося изображения и поражает простотой и очаровательностью.

Вот как работает камера для обычного кинофильма. Кадр, который она записывает, представляет собой не просто картинку в единичный момент, как в случае со Скороходом или харрихаузеновским кадром. Затвор камеры остается открытым на некоторое небольшое время, именуемое временем экспонирования (выдержкой). Разумеется, движущийся объект во время этого краткого интервала продолжает двигаться, а значит, слегка размывается в кадре за время экспонирования. Похожая штука происходит, когда вы пытаетесь снять с длинной выдержкой, как ваш ребенок бросает мяч: его рука выглядит на снимке как размытое пятно. Однако такие огрехи фотографий оборачиваются достоинством для кинофильмов. Без этого размывания все фильмы выглядели бы дергаными, словно скелеты Харрихаузена.

Научное объяснение может привести к техническому решению. Для цифровых фильмов (скажем, той же «Истории игрушек») решение, позволившее избежать мигания (стробоскопического эффекта), коренится в объяснении, существующем для игровых фильмов: нужно намеренно размывать движущийся объект в кадре вдоль направления перемещения этого объекта. Скажем, если персонаж размахивает рукой, ее изображение должно быть размыто вдоль той дуги, которую при этом проходит рука, вращаясь вокруг плечевого сустава. Другая же рука должна быть независимым образом размыта вдоль своей дуги, часто в направлении, противоположном тому, в котором движется первая рука. Оставалось лишь понять, как проделывать на компьютере то, что делает камера, и – что немаловажно – как делать это эффективно. В обычных игровых фильмах размытие движущегося изображения получается бесплатно, но в цифровых мультфильмах оно стоит дорого. Решение предложила группа, которая ныне называется Pixar. Оно проложило путь к первому цифровому мультфильму. Прорыв позволило совершить именно размытие движущегося изображения.

По сути, такое размытие показывает вашему мозгу, в каком направлении производится движение и каков его размах. Чем длиннее размывание, тем быстрее движение. Вместо того чтобы просто отбрасывать информацию о времени, которое затрачивается на движение, мы как бы сохраняем ее в пространственном виде – как размытие. Последовательность таких кадров слегка перекрывается (из?за инерции зрения), что позволяет показывать движение достаточно четко, так, чтобы мозг сумел создать полную его иллюзию.

Pixar бросает на каждый фильм тысячи компьютеров. На один-единственный кадр иногда уходит больше 30 часов работы. Между тем видеоигра (в сущности, тот же цифровой фильм, ограниченный рамками реального времени) должна демонстрировать новый кадр каждую тридцатую долю секунды. Лишь два десятка лет назад неумолимое увеличение быстродействия компьютеров на единицу их стоимости (описанное законом Мура) сделало возможным создание цифровых фильмов с эффектом размытия в движении. Видеоигры просто еще не достигли этой стадии. Устройства пока не могут считать достаточно быстро, чтобы создать эффект размытия. Некоторые производители делают робкие шаги в этом направлении, но от таких нововведений сильно страдает эффект присутствия, так что игрок просто выключает этот режим, предпочитая страдать от подергивающейся картинки. Однако закон Мура продолжает успешно действовать, и скоро (через 5 лет? через 10?) в наш мир придут настоящие видеоигры с эффектом размытия в движении.

Что интереснее всего, такое размытие – лишь один пример мощного и куда более общего объяснения, именуемого теоремой отсчетов. Теорема применима, в частности, к кадрам, которые снимаются с регулярными интервалами во времени для того, чтобы сделать фильм, или к пикселям, которые фиксируются с регулярными пространственными интервалами, образуя фотоизображение. Применима она и к цифровой звукозаписи. Короче говоря, объяснение плавного движения охватывает далеко не только фильмы с дерганой картинкой, но и весь современный медиа-мир, рассказывая о том, почему он вообще возможен. Но для этого потребуется более долгое объяснение.