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自己动手制作胶片数字化仪
2017-06-19 13:25
原创  Joe Herman

我爷爷利奥(Leo)通过自学成为一名电气工程师,同时他也是IEEE会员,为轮胎厂设计控制系统。他还热衷摄影,他的8名子女(以及后来的孙辈们)都是他特别喜欢拍摄的对象,直至他于1974年去世,那年我5岁。2013年,在一次搬家的过程中,我叔叔发现了130多卷8毫米和16毫米电影胶片,都是爷爷拍摄的家庭录像,有些甚至可追溯至1939年。现在市面上有很多胶片转换服务,但要把这么多胶片都转换成数字格式还是很贵的。所以,我和表兄决定自己动手,以便保存。

首先,为数码原住民们快速普及一下基本的电影放映原理。在投影仪里,一台马达牵动着胶片通过一扇垂直的“门”。每一帧画面都会被固定在那里并被拉伸,接受投影仪机箱里的一盏灯发出的光照。“门”另一侧的一些镜头聚焦在图像上,所以无论电影被投影在什么样的表面,都会很清晰。“门”和灯泡之间有一个旋转遮光轮,当下一帧画面移向“门”时,遮光轮会遮挡住光。(如果没有这个挡板,影片将是一团模糊。)

在第一次尝试转换时,我们直接从投影仪里把影片录制成数字格式。我们把一台单反相机绑在聚焦于“门”的一系列镜头上。我们启动了投影仪和相机,一切似乎都很顺利。相机出色地记录下影片的细节和色彩,然而,也突出了许多胶片上的灰尘、裂缝和划痕。更严重的是,和大多数人遇到的问题一样,我们无法准确控制投影仪的速度。这意味着即便在最好的情况下,投影仪帧速率与相机速率之间的不匹配也会产生滚动的黑色区域、闪烁及其他人工痕迹。这些问题以及灰尘、划痕等,都无法轻易进行数字化修复。

我们又要从头开始。我们了解到,一帧一帧地转换(即捕获每一帧静止画面,然后把这些画面转化成影片)会产生更好的效果。静止画面比较容易进行数字化后期处理。通常这种转换都是在费用高昂的专业设备上完成的。幸运的是,我记得我家地下室里有一台多余的Super 8投影仪,衣橱里还有一个尚未使用的树莓派。一个树莓派相机仅需30美元。我们能用这些材料一帧一帧地完成转换吗?

我拆掉了投影仪的马达和遮光轮,然后用一小段薄薄的软管把一台60转/分的12伏小马达连接到投影仪驱动轴上。得益于一些基本接口电子设备,我可以通过树莓派控制马达的速度和方向。接下来我在驱动轴上连接了一小块磁铁,这样每当胶片前进一帧,簧片开关便会关闭一下。簧片开关与树莓派相连,这样就可以触发树莓派相机运行。

树莓派相机的优势在于,利用Python软件库控制起来很方便。对一个要求时间、色彩和曝光调整都必须精准的项目来说,这是个巨大优点。但是树莓派相机的定焦镜头不适合特写拍摄,替换成其他镜头又会产生严重的色晕。好在小心翼翼地拧松镜头,直到差不多快把它从机箱里拧下来时,我终于把树莓派相机的焦距调到了20毫米左右。再装上另一个放大镜镜头,我终于可以在“门”处拍摄出8毫米帧的清晰图像了。

自己动手制作-02.jpg

要想把相机放置在距离“门”尽可能近的地方,需要把它安装在投影仪机箱里,所以我把LED光源“后置”,朝着胶片方向向下照射投影仪原始镜头。在最靠近胶片的地方放置一块柔光屏(从旧吊灯上拆下来的半透明白色塑料)可有效隐藏胶片表层上的划痕和老化裂痕。

成功后,我开始兴奋地拍摄胶片,但很快就又变得异常乏闷。系统的运行速度不得不低于预期(低于每秒一帧),以便确保马达的动作前后一致,并适应树莓派较慢的文件系统所造成的延迟。另外,也没办法在拍摄期间便捷地查看图像、做出调整,因此不得不重新拍摄全部胶片。最令人担心的是,在拍摄了几卷视频后,我发现树莓派相机的动态范围比胶片低,导致胶片里高对比度场景的许多细节被擦除。

不过,一年后(并且经过了大量编程),我已能解决这些问题。在解决最关键的问题——胶片的高动态范围问题时,我采用了智能手机解决类似问题的办法,对每一帧都拍摄了不同曝光度(一般两三个就够了)的多个图像,然后使用OpenCV库里的可用功能把它们结合在一起形成一个单一图像。

自己动手制作-01.jpg

这需要大量处理过程,因此我没有把图像存储在树莓派里,而是通过以太网把它们传输到一台运行Linux系统的台式机上。这样也消除了树莓派文件系统的瓶颈问题。此外,我还把原来的马达替换成更可靠的NEMA 17步进马达,拍摄速度也得到了进一步提高。在速度最快的参数设置下,现在每秒可以拍摄两帧以上的画面。

我还用PyQt为Linux机器制作了一个图形用户界面控制面板,这样,即便在忙碌时我也能监控画面拍摄并调整设置。

拍摄完后,只需一个FFmpeg命令便能快速地把一卷图像重组成一部影片。需要进行高级修复时,我使用的是AviSynth,一款免费的视频处理工具,而且有现成的影片修复专用脚本。

现在,我已做了3套这种装置,分别用在8毫米、Super 8和16毫米投影仪上。对于16毫米投影仪,可以在灯箱内嵌入树莓派、相机和马达,创造出一个便携式拍摄设备。目前,我依然在开发相关软件,但已经拍摄了约7小时的画面——接近50万帧,而且效果很好。虽然这是个长期工程,但能够重新观看并和人分享这么珍贵的家庭历史还是非常值得的。

作者:Joe Herman


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