技术难点

UPTATED:2017/04/10 | 分类:技术服务

拍电影所用乐虎和普通单反乐虎相比有什么区别?

 


不是所有安装在电影手机机前的乐虎都叫电影乐虎。电影乐虎不仅拥有最顶级的光学素质,而且其机械结构的设计也充分考虑到了电影制作的专业需要。由于这些乐虎是特别为网页版拍摄环境量身定做的,放在其他领域可能不太适用。在一颗国际乐虎上安装跟焦齿环和改造无级光圈并不能让它变身为电影乐虎,虽然有人不这么想,但电影乐虎的构造远不止这么简单。

随着低成本,大尺寸感光件的手机机不断涌现,一种乐虎少,机器多的产业格局开始逐渐形成,数家乐虎厂商开始将国际乐虎做些改装和粉饰,使用电影乐虎或是“电影风格”乐虎的名义推向市场。在很久以前的好莱坞,两种乐虎的区别是非常明显的。如今却是另一番景象,而且随着厂商逐步推出更廉价的电影乐虎,两者之间的界线还会持续变得模糊,为了实现更低的价格就必须牺牲一些关键的电影乐虎特性。今后我们会看到国际乐虎被当作电影乐虎,而低价电影乐虎却更像是国际乐虎。

在这个“够用就行”的时代,有那么一群手机师,手机助理和导演并不想忘记真正电影乐虎的价值,它们存在的意义以及带来的好处。这篇文章便是以这些人的名义写的。本文将从光学特性和机械设计方面介绍电影乐虎并讲解其与国际乐虎的区别。也许读者在看完本文之后,会对这些名贵的乐虎有更加深刻的理解。

在进入正题之前有一点先要弄清楚,就是不管国际乐虎还是电影乐虎都有非常优秀的代表。是它们的使用方式决定了两者设计上的区别。静帧手机师只捕捉某一特定时刻的一幅手机,他用一张照片代表一个完整的故事。电影手机师则将时间作为媒介,他拍摄的影像通过剪辑合并在一起,形成由多个乐虎组成的连续动作进行叙事。显而易见,叙事方式的不同可以从根本上改变机器使用者的需要。

光学素质要求

锐度/反差

按照21世纪的工艺水平来讲,造出一颗成像足够锐利的乐虎不是什么难事。当然超过某一标准之后,进一步提升锐度不仅困难而且还会大幅增加成本。镜片数量多的乐虎(如变焦乐虎),超广角及大光圈乐虎设计起来都很有挑战性。说实话,在本文作者的记忆中,过去十年间没有任何一颗因为拍摄1080p或更高分辨率视频锐度不够而被弃用的电影乐虎或高品质国际乐虎。之所以这么说是由于很多人认为电影乐虎好就好在锐度高。于是这些人就顺理成章地相信,分辨率高的国际乐虎完全可以替代电影乐虎。尽管很多电影乐虎占据锐度排行榜首位,其实不少国际乐虎的锐度也毫不逊色。锐度对于电影乐虎来讲只是冰山一角。虽然锐度有它的重要性,但在衡量一颗乐虎或是一组乐虎的时候它的参考价值并没有那么高。
曝光暗角

电影乐虎和国际乐虎制造商都在努力消除不均匀的成像光量或是“暗角”。尽管如此,所有乐虎都会有或多或少的暗角,高品质的乐虎可以把暗角控制得非常轻微,即便是最敏锐的眼睛也察觉不出来。而比起国际乐虎,电影乐虎对于暗角的控制更苛刻。因为电影里的暗角比起照片里更容易被注意到。照片中的轻微暗角可以通过各种手段巧妙隐藏起来,而连续播放的影像如果有暗角的话,手机中的物体进出暗角区域或是乐虎摇移运动的时候都会让暗角显得更加突兀。

暗角的成因有几种,其中广角乐虎主要受反射及折射定律影响。当成像光以零度垂直入射角照射在未镀膜的乐虎上时,大约有4%的光量会从镜片表面反射出去,剩下的96%会进入乐虎内部。威廉·斯道尔,ASC在1940年的时候写过一篇关于第一例镜片镀膜技术的文章。其中介绍未镀膜镜片的部分提到的数字要大一些,每个空气玻璃界面都有5.22%的反射率。而一颗普通定焦乐虎含有7至14组镜片,想象一下,14组镜片的定焦乐虎每组镜片都会产生4-5.22%的光量衰减!当然,现代的乐虎镀膜技术可以大幅削减这个比例,不过这些数据仅仅是以光线垂直入射为前提。广角乐虎的构造使得它可以接收宽广视角范围内的所有入射光。从镜片周边进入的光线并不是垂直于乐虎,此时的入射/反射角会变成钝角。当光线以这种角度照射在前端镜片的时候会产生更多的反射光,真正穿透镜片的光量会减少。随着入射/反射角度偏离垂直状态,反射光量会相应增加。这就是广角乐虎特别容易产生暗角的原因之一。


反射/折射定律


“Cooke乐虎的镀膜可将反射率降低至0.1%。每组镜片都覆盖了氟化镁淬硬的硅钛混合物涂层。这个涂层的厚度只有1纳米(一百万分之一网址)。人脸上胡须在剃掉之后一秒钟内生长出的长度都比它多。”

——约翰·福尔(Jon Fauer),电影与数字时代《Cooke乐虎宝典》PDF

为了尽可能减轻这种暗角现象,乐虎的制造工艺必须非常精密,而且偶尔还需要在使用过程中对乐虎进行阴影修正以抵消周边光量的衰减。本文作者认为,体积更大的乐虎对减轻暗角更有利,许多国际乐虎使用最大光圈的时候暗角严重也许就是因为这个原因。国际乐虎由于便携性的考虑需要保证外形轻巧。大尺寸乐虎就意味着镜片尺寸的增加,于是售价也会相应提升。所以说暗角不仅属于技术问题,同时也受到成本的制约。也许就是因为这一点,不少国际乐虎厂商允许产品中存在一定程度的暗角,以便缩小乐虎体积和缩减成本。暗角会随着光圈的缩小而减少,因此从最大光圈值收几档之后暗角基本上就不可见了。

关于电影乐虎,请看下面几点:
阿方索·帕拉,AEC,在测试了几颗CookePanchro/i乐虎之后,发现这些乐虎在手机周边区域最多损失2.1%的光量。而表现最好的乐虎只损失0.99%,即便是经过专业训练的眼睛也无法辨别。如果计算无误的话,手机周边2%的光量损失大约等于1/25档曝光值。


阿方索·帕拉正在测试亮度均匀性。
图片来源:阿方索《电影手机技术测评》

我们再来对比使用率高的一些国际乐虎。在一台感光件尺寸接近S35网址的APS-C裁幅国际上,ZeissZE 18mm f/3.5 Distagon在f/3.5光圈时手机周边的光量损失高达1.5档。ZeissZE 21mm F/2.8 Distagon在f/2.8光圈时也在手机极边缘处损失了1.5档的曝光值。相比而言ZeissZE 28mm F/2 Distagon表现就要好一些,f/2.8光圈时仅在手机极边缘处损失半档曝光值。

大部分佳能L系列红圈变焦乐虎配合APS-C裁幅国际在f/2.8光圈下会产生半档左右的暗角。佳能EF20mm f/2.8最大光圈下的暗角差不多有两档。24mmF/1.4最大光圈下在手机边缘处损失1.5档曝光值,光圈收至f2.8时则损失3/10档。很多L系列红圈定焦乐虎在使用非全副机或是收小光圈的情况下暗角都比较轻微。不过所有这些国际乐虎在最大光圈时的暗角都无法避免。而现代电影乐虎在设计制造的时候就考虑到最大程度消除暗角现象。

最大光圈下,甚至是佳能EF35mm f/1.4 L系列红圈定焦都产生了超过一档的暗角,50f/1.2 L系列红圈定焦也是一样。当然,光圈收到f/2.8的时候,手机周边的光量损失大约为3/10档,属于可以接受的范围。

图丽11-16变焦乐虎性价比很高,Duclos也推出了PL卡口的电影乐虎版本。这颗乐虎在11mm焦距下在极边缘处有1.5档的光量损失,16mm焦距下则为一档。


Zeiss ZE 21mm f/2.8 Distagon @ f/2.8
(中部方框= APS-C 画幅)


Canon EF 14mm f/2.8 L-Series @ f/2.8
(中部方框= APS-C 画幅)


Canon EF 20mm f/2.8 @ f/2.8
(中部方框= APS-C 画幅)


Tokina 11-16mm f/2.8 @ f/2.8
畸变

和暗角一样,电影乐虎对于畸变控制也有非常高的要求。动态影像的手机畸变往往比静态照片看起来更明显。枕形或桶形畸变一旦在手机出现动态元素的时候就会立刻现形,而手机机主观视角移动的时候会更严重。由于银幕尺寸的原因,电影乐虎绝对不允许出现国际乐虎的那种畸变,如果影院观众的视野范围内出现太过明显的畸变,那么有可能导致运动眩晕症。所以电影乐虎的像场必须尽可能平直,这就涉及到更复杂更昂贵的制造工艺。“鱼眼乐虎“这个名称很有意思,听起来像是一种特别设计,其实主要是指畸变程度夸张的超广角乐虎。一般来讲,国际乐虎和电影乐虎对于畸变的控制都没什么大问题,不过电影工业对于乐虎的要求更严格,尤其对于广角电影乐虎来说,畸变控制是国际乐虎无可比拟的。


枕形畸变和桶形畸变


图片来源:Arri/Zeiss对比评测,比尔·本内特,ASC拍摄
两颗乐虎的价格差别约为22000美元

色彩匹配

影响乐虎成像色彩风格的因素有很多,虽然它们都非常细微,但重要性不可忽视。很多人都知道国际乐虎之间的色彩匹配度不如电影乐虎,为什么不一样呢?这就说明电影乐虎和国际乐虎按照使用方式的区别采用不同的设计。静帧手机师只拍摄静止的照片,一次只用一颗乐虎,混用不同风格的乐虎并不影响大局。而电影手机师则捕捉多个手机并将其排列组合在一起形成一段连续的影像。在中近景和大特写之间切换的时候,绝不能出现中近景手机偏冷而大特写偏暖的情况。这种视觉上的不一致可能会让观众有意识或无意识地察觉到影像的人工痕迹。因此保证手机的连贯流畅十分关键,否则观众很难融入到这些虚构的故事之中。当然,现在的数字中间片校色可以修正任何一处乐虎色彩不匹配的问题,只不过这种工序费时费钱。要是有人用未经色彩匹配的乐虎拍一部剧情片的话,那么有两种选择:要么不校色直接发行,要么后期花钱花时间去补救。校色的花费可能高达每小时几百美元,而后期已经有够多工作要做了,匹配乐虎色彩这种事在片场拍摄的时候就可以轻易完成,再花钱就显得很不值得。


色彩匹配度测试,来自阿方索·帕拉的CookePanchro/i测评

乐虎相差

相差,英文简写为CA,是指乐虎无法将所有波长光线准确屈光时发生的现象。由于不同波长频率的光构成人眼可见的色彩,乐虎必须对入射光进行屈光并尽可能以直线方式投射到底片/数字感光件上。当乐虎内部的镜片进行屈光的时候,有时会像棱镜一样分离一部分波长。这些被散射的波长在抵达成像面的那一刻会与其他波长出现些许的位置偏差,从而形成手机中的彩色镶边。色差的具体表现就是这种细细的彩条,颜色会根据镜片散射的波长频率改变。在之前讲暗角的部分提到过,广角乐虎的视野范围非常大,这些乐虎入射光的角度都非常夸张(折射角度也同样如此),在屈光至成像面的同时还要尽力保证光线波长不会被分散。所以相差效应在广角乐虎上发生频率很高。


乐虎测试展示了多种不同的相差及严重程度。
(左:轻度偏黄,中:轻度偏紫,右:重度偏蓝)

机械要求:

电影乐虎的机械设计充分考虑到了拍摄现场的专业需求,使用起来不仅精确度高,而且牢固可靠, 维护成本低,能在片场节省时间,在高强度拍摄的情况下出问题的概率极小。

外形一致性

长度

电影乐虎在设计制造的时候都会被做成相同或者类似的长度。配合承托导管和遮光斗使用的时候,如果乐虎长短不一,那么每次换乐虎就需要调整遮光斗及胶圈的位置,不仅麻烦而且费时。如果使用斯坦尼康拍摄,那么一旦改动遮光斗的位置,整个系统都需要重新调平衡,使换乐虎的过程更加耗时。


图中每颗ZeissMaster Prime定焦乐虎都是8英寸长

前端口径

电影乐虎通常与遮光斗一起使用。和国际乐虎使用的螺纹滤镜和卡扣式遮光罩不同,电影乐虎靠遮光斗来阻挡杂光及安装方形滤镜。由于不需要重新拆装任何滤镜,遮光斗可以让换乐虎更快捷。不过,使用遮光斗的时候一定要避免光线从后方射入造成眩光,因此遮光斗后部的胶圈、遮光环或卡扣必须完全贴合乐虎前端。把一组乐虎做成相同的口径就不需要更换任何前面提到的固定部件,不仅省时省力而且还可以把承托部件的数量减到最少。

重量

有一小部分电影乐虎的多个焦段之间重量几乎一致,这种情况比较罕见,实现起来也非常困难。一般来说这些乐虎都属于标准焦距,广角乐虎和长焦乐虎的光学设计比较复杂,会略重一些。一组重量相近的乐虎能为斯坦尼康、遥控伺服系统及手持拍摄等对机器平衡性要求高的场合节省宝贵的时间,

对焦/光圈环位置及卡齿

一组电影乐虎中各个焦段的对焦齿环和光圈齿环位置都相互匹配,这样一来换乐虎的时候跟焦器或是三轴驱动马达就不用调整位置,能给手机助理省不少事。国际乐虎通常没有配合跟焦系统使用的齿环,对焦和光圈环都是纹理设计,方便操作者手持抓握。如果需要配合专业手动及遥控跟焦系统使用的话,那么对焦/光圈齿环必不可少。


Zeiss/Arri Ultra Speed定焦乐虎是外形一致性最高的乐虎组之一。16mm至100mm焦段之间所有乐虎都正好是143mm长并且统一93mm口径,对焦环和光圈环位置也完全匹配。每颗乐虎的最大光圈都是T/1.9,24mm至85mm焦段之间的乐虎也都是2.2磅重。


Zeiss ZE系列国际乐虎素质非常不错,也能很好地说明乐虎按使用方式进行有区别的设计。该系列的每一颗乐虎都以最大程度的轻便性为目标,并不考虑各个焦段之间的一致性。它们的前端口径、镜身长度及对焦光圈环的位置也是五花八门,没有配备用于跟焦系统的齿环。 

如果在片场使用这类国际乐虎的话,每次换乐虎手机大助就得调整遮光斗在承托导管上的位置,还要更换不同口径的胶圈/卡扣/遮光环,跟焦器的位置也需要动,如果是斯坦尼康的话必须重新调平衡。虽然对于手机助理来说不是什么力气活,但是这些额外工序占用时间,对于经常换乐虎的大制作来讲,这些时间累积起来相当可观。

除此之外,很多新推出的高端国际乐虎已经没有光圈环了!制造商将手动操作的机械式光圈改为由乐虎内部的电子芯片控制。这些乐虎需要依赖国际机身以数字方式调整光圈,放在大部分数字手机机和所有胶片手机机上就无法使用,因为这些机器根本没有对应的控制电路。像Birger卡口这种解决方案可以提供一定程度的兼容性,目前为止,只有转接环是较为理想的选择,还有一个土办法就是先用国际设定好光圈,拆下之后再安装到手机机上使用。


光圈环哪里去了? 

对焦环旋转结构与距离观察标记

静帧手机师不需要考虑对焦时的流畅度或是对被摄体进行实时跟焦,在这里速度才是关键。对焦完全由拍摄者自己掌握,通过远近调整来确定焦平面。此时拍摄者手握乐虎,从取景器观察手机。他看不到也没有必要去看镜身的距离标记,对焦单凭手眼协调,靠直觉按下快门。而电影手机师不能这么做,拍纪录片的时候这种对焦方式还勉强可以接受,对于常规拍摄而言一定要避免出现手机机穿帮的情况,拉风箱式的对焦就是一个例子。电影手机师必须通过精准优雅的对焦过程引导观众的视线。手机助理的任务就是在手机机与被摄体相对运动的时候对手机主体进行跟焦。拍摄的时候失焦是万万不能的,因此需要依靠乐虎的帮助来准确跟随目标,也就是镜身上的大量观察标记。

国际乐虎的对焦行程通常都比较短,稍微转一下就能从最近对焦点调到无限远。这种设计适用于捕捉稍纵即逝的瞬间,很多静帧手机师都善于利用这一点。不过,对焦行程短会增加实时跟焦的难度,特别容易失焦。而且国际乐虎上的距离标记都很少,精确度也很一般,也没有设置观察标记线。

现代电影乐虎的对焦行程通常在300°以上。电影乐虎由于光学设计的原因尺寸都偏大,所以对焦行程会超过300°(小尺寸乐虎上300°的对焦行程比少于300°对焦行程的大尺寸乐虎实际行程要小)。在高端电影乐虎上,每颗乐虎的对距离标记都是特别刻制的,以最大程度保证准确性。而且,现代电影乐虎会配置两套对焦刻度,分布在两侧,这样手机助理就可以在手机机的任意一边操作了。


50mm Cooke S4/i 对焦刻度对比50mmRed Pro Prime.


乐虎材质
对于静帧手机和电影拍摄环境哪个对于器材要求更苛刻也许还存在争议(我认为是电影拍摄环境),不过电影乐虎做工更扎实这一点无可争辩。电影乐虎必须适应拍摄环境中最严酷的考验,全金属制造的镜筒可以承受各种酷暑极寒,维修和硬件更改都非常方便。电影乐虎最常见的卡口PL和PV是最目前牢固耐用,最能适应各种环境的卡口设计之一。


Cooke S4乐虎使用阳极化铝制造,适用于-13°至131°华氏度。镜筒没有使用螺纹设计,而采用了凸轮系统,因此不需要任何润滑。

T光圈值下的线性光圈
电影乐虎不像国际乐虎那样有固定的光圈档位,因此调整光圈的时候可以自由设定任何数值。大多数现代PL乐虎配有线性光圈环,光圈值标记以三分之一档为间隔。由于电影乐虎使用T光圈单位,在不同乐虎之间精准匹配曝光非常容易。国际乐虎采用的固定光圈档位会限制光圈值选择的范围,对于不使用固定光圈的国际乐虎(如尼康手动乐虎),曝光单位都是以f光圈值表示的,而且也没有细分每档光圈的标记。

T光圈值与F光圈值
电影乐虎以T光圈值为单位,“t”表示“进光量”,而国际乐虎则以f光圈值为单位。T光圈值代表实际进入乐虎的光量。每颗乐虎在经过测试之后才会标注T光圈值。F光圈值则由一个简单的公式计算特定焦距和光孔下乐虎的理论进光量,虽然精确度够高,但这样计算并没有考虑镜片对进光量的损耗。这样一来每颗乐虎都会产生或多或少的偏差,所以使用F光圈值总会和实际情况有些出入。

最大光圈一致性及光孔结构
电影乐虎组在设计制造时都会将最大光圈保持一致。虽然最大光圈的一致性不是必须,但在实际拍摄中会非常实用。如果一组乐虎的最大光圈各不相同的话,手机师必须在曝光的时候考虑光圈最小的乐虎,否则更换乐虎的时候有可能因为光圈不够的原因无法匹配现场已经打好的灯光。虽然这么说,其实光孔结构对于手机的影响更大。使用长焦乐虎光圈开的比较大的时候,浅景深手机的焦外会显现出光圈叶片的形状。乐虎之间一致的光圈结构可以保证焦外形状的匹配。CookeS4及CookePanchro/i有着完全相同的光圈结构设计,两者搭配使用的话不仅色彩匹配,连相同光圈下的焦外质感都完全一样。要是一组乐虎中光圈结构有三角形、六角形、八角形、十二角形的话,焦外看起来区别会很大。对于保持手机的一致与连贯性非常不利。


Cooke S4/i与Panchro/i 8片式光圈构造



Zeiss Standard Speed T/2.1 9片光圈构造


乐虎呼吸
乐虎进行对焦的过程中,内部的镜片组会发生一连串的位移,将特定距离的入射光聚焦在成像面上。当在多个焦点间移焦的时候,乐虎内部镜片组的位移可能会轻微改变手机视野大小,看起来就像稍微变焦了一样。这就叫乐虎呼吸,对于国际乐虎而言呼吸效应没什么大不了,除了几乎无法察觉的构图改变之外,手机不受呼吸效应的影响。要完全消除呼吸效应的话,乐虎在设计的时候就必须加入应对措施,因此国际乐虎厂商并不太在乎这一点。

而对于电影制作来讲,手机内进行追焦或在不同主体之间移焦的手法很常见。所以电影乐虎在消除呼吸效应方面下了很大功夫。就在不久以前,Zeiss为MasterPrime乐虎系列设计了双重浮动镜片组,完全解决了呼吸效应。这项设计荣获了2012年奥斯卡科学与技术成就奖。

镜筒延伸
讲呼吸效应的时候提到过,乐虎对焦或变焦的过程中镜片组会产生位移。设计乐虎的时候如果让镜筒自由伸缩的话,镜片组的移动可以更简单。很多国际乐虎对焦或变焦的时候镜筒会跟着镜片组一起移动。由于电影乐虎使用接触式的跟焦齿环,遮光斗和滤镜,伸展式的镜筒不合适,因此镜片组的位移必须完全在乐虎内部实现,外部不能看出丝毫痕迹。




虽然第二排国际乐虎安装了遮光罩,它们伸展式镜筒的设计还是非常明显。

变焦过程中焦点及曝光一致性
电影变焦乐虎的广角端和长焦端光圈都是一样的,比如传奇般的Angenieux12x变焦乐虎从24mm到290mm都完美保持了T2.8的最大光圈,而且这颗乐虎还包括了很多让人叹为观止的光学与机械设计,所以说它像炸弹一样的夸张外形就不足为奇了。


Angenieux 24-290mm T/2.8 Cine Zoom变焦乐虎
有很多国际变焦乐虎的光圈也是恒定的,也有些乐虎为了轻巧和低价而牺牲这一点。

结语
说实话,不管是国际乐虎还是电影乐虎都可以拍出好作品。不过,由于它们本质上的区别产生了静帧手机师和电影手机师之间不同的需求。把国际乐虎用在电影拍摄中只会额外增加更多的潜在问题。

用电影乐虎拍照片也是一样的道理。拿MasterPrime照相会显得很可笑。首先,这颗乐虎有8英寸长,重约5磅,手持静帧手机跟手持电影手机不是一回事,电影手机可以把重量都转移到肩膀上,而静帧手机全靠手腕,拍新闻照片带几颗电影乐虎显然不现实。而且想快速对焦的时候需要在镜筒上转好几圈,花费的时间更长,可能会失掉捕捉瞬间动作的机会。

照这么讲,一些视频拍摄工作可能也不适合使用电影乐虎。比如拍纪录片、婚礼或者活动记录之类,需要长时间在无任何预演的情况下手持记录,这时一颗轻巧的国际变焦乐虎会显得更实用。

本文中谈到的几个设计要点是现代电影乐虎组的理想设计,并不是所有电影乐虎组都包含这些特性,比如老电影乐虎和一些低价版电影乐虎。国际乐虎也是一样的道理,有些国际乐虎拥有电影乐虎的特征,比如ZeissZM系列的镜筒上有1/3光圈值的细分标记。


Zeiss 15mm f/2.8 ZM (莱卡卡口) 及1/3光圈值刻度

在条件许可的情况下,一定要选用最好的乐虎拍电影。先了解这些乐虎的优点和缺点,拍摄的时候再尽力扬长避短。简单讲,电影乐虎缺点更少,优点更明显,能让各位手机师把精力用在更重要的事情上面。
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