Фотофиниш

В предыдущем номере мы посмотрели на изображение фотофиниша с велогонки и задались вопросом, как оно получено и почему фон на нём состоит из тонких горизонтальных светлых линий, изображения разных велосипедистов чуть сжаты или растянуты, а спицы колёс образуют странные узоры.

Tissot, A.S.O.

Дело в том, что система фотофиниша не фотографирует ничего, кроме самой финишной черты! Зато делает это очень часто (раньше, когда одна камера не могла обеспечить нужную частоту кадров, финишную черту фотографировали несколько близко расположенных камер по очереди, через равные доли секунды). В наше время камера запечатлевает полоску шириной всего в один пиксель; из множества таких вертикальных кадров-полосок и склеивается итоговое изображение. То есть перед нами не одна доля секунды, а как бы распечатанный видеоряд, показывающий, как выглядела финишная черта в разные моменты времени.

Любой неподвижный объект при такой съёмке превратится в горизонтальные линии: в вертикальную полоску — кадр, который ловит камера, — будет всё время попадать одно и то же. Поэтому фон состоит из тонких горизонтальных линий, и поэтому он такой светлый: это цвет не дороги, а финишной черты, проведённой светлой краской.

Что же происходит с движущимися объектами? Всё зависит от того, что больше: скорость съёмки или скорость самого объекта. Иными словами, от того, сдвинется ли объект за время между соседними кадрами ровно на ширину полосы, попадающей в кадр, на большее или на меньшее расстояние. Если ровно на ширину полосы, то на изображении фотофиниша форма объекта останется неискажённой, как на обычной фотографии. Если на большее расстояние, то какие-то части объекта не попадут ни на один кадр, и его итоговое изображение будет у же. Если, наоборот, объект за время между кадрами проехал меньше ширины полосы, попадающей в поле зрения камеры, то начало следующего кадра будет повторять конец предыдущего, и итоговое изображение будет шире.

Рис. 1

Рис. 2

Например, нарисуем велосипед на полосатом фоне (рис. 1) так, чтобы в кадр попадала ровно одна полоска, и будем двигать эту картинку мимо камеры с постоянной скоростью.

Если велосипед будет двигаться в два раза быстрее скорости съёмки, то его изображение станет в два раза короче: каждая вторая полоска просто ни разу не попадёт в кадр (рис. 2)! Если, наоборот, велосипед будет двигаться в два раза медленнее, чем снимает камера, то каждая полоска будет сфотографирована два или три раза и на изображении суммарно займёт ширину двух кадров (рис. 3).

Рис. 3

В реальности в кадр попадает настолько узкое пространство, что неровность линий на итоговом изображении практически незаметна. Кроме того, скорость съёмки подбирают в соответствии со средней скоростью спортсменов — у бегунов и у велосипедистов камеры фотофиниша будут работать с разной частотой кадров. Тем не менее, у более быстрого велосипеда колёса, как и сам велосипед, будут казаться сжатыми (по горизонтали), а у более медленного — вытянутыми. Можно даже определить соотношение скоростей объектов, поделив отношение их длин в реальности на отношение их длин на изображении фотофиниша.

С колёсами всё чуть-чуть сложнее: они не только двигаются мимо камеры, но ещё и вращаются вокруг своей оси. Чтобы понять, что происходит с колесом, посмотрим на пример попроще. Разделим круг «спицами» на секторы (рис. 4, слева), и пусть это разноцветное колесо едет мимо камеры справа налево с такой скоростью, чтобы форма колеса на изображении фотофиниша (рис. 4, справа) оставалась прежней. Рисунок на колесе получился совершенно другой!

Рис. 4

Каждая спица как граница между секторами оставит на изображении фотофиниша похожий изогнутый след.

На более быстром или более медленном колесе мы увидим тот же рисунок, только более сжатый или растянутый в соответствии со скоростью движения колеса мимо камеры (рис. 5).

Рис. 5

На соревнованиях, впрочем, скорости спортсменов на финише различаются не сильно, поэтому и колёса велосипедов на изображении фотофиниша выглядят примерно одинаково.