Så fungerar 3D-bio

Hajen hoppar fram och tänker knipsa av dig näsan. Motorsågsmördaren viftar med sågklingan strax intill ditt ansikte. Publiken hukar i bänkarna. Men hur går visningen till och hur distribueras de många hundra gigabyte som en 3D-film kräver? Det är inte som i en hemmabio.

De flesta biografer i världen där man visar 3D-film är utrustade med ett visningssystem kallat RealD Cinema. RealD-bio baseras på att en digital projektor projicerar omväxlande höger- och vänsterbilder i sekvens, hela 144 stycken per sekund för att det ska bli flimmerfritt. 144 bilder per sekund hade inte kunnat åstadkommas med en mekanisk projektor med filmframmatning med malteserhjul, utan normalt använder man DLP-projektorer. Men inte med färghjul som i amatörprojektorer, som åstadkommer färgerna som en serie röd-grön-blå bilder, utan med tre DLP-kretsar monterade på ett färgdelarprisma som bryter ned ljuset i rött, grönt och blått och sedan bryter ihop det igen och skapar en sann färgbild.

144 bilder per sekund blir 72 bilder per sekund för varje öga. Eftersom filmen ändå är inspelad med 24 höger- och 24 vänsterbilder per sekund får man alltså se om samma bild 3 gånger. Metoden kallas ”Triple Flash”.

Ett av projektorrummen på Filmstaden Sergel. Den digitala projektorn är den stora svarta klumpen. Närmast väggen ut mot salongen har den en roterande polarisator av typen MasterImage monterad. Mer om detta nedan.

Men hur går det till i praktiken? Vi träffar Sören Sandin, en långtida klassisk biografmaskinist på Filmstaden Sergel i Stockholm och ber honom berätta om 3D-bio och hur man hanterar och distribuerar biograffilm idag.

– Jag började visa film 1963. Då var det nitratfilm och kolbågslampor. Ljuset i de moderna projektorerna kommer från en 4 kW xenonlampa. Den får 36 volt och drar då 140 ampere. Det är en speciell typ av lampa som bara förekommer i filmvärlden eftersom den har lämplig färgtemperatur. Men den är ändå inte lika bra som de gamla kolbågslamporna.

Vi började visa 3D här omkring år 2009. De digitala projektorerna åldras fort. De äldsta projektorerna blev tre år gamla. Till dem finns det inte reservdelar längre. De är utrangerade. En modern projektor har alltså en livslängd på 3-5 år, medan de gamla filmprojektorerna vi hade i salong Ett hade gått sedan 1955 och fortfarande levererade perfekt bild, även om objektiven hade mörknat något.

Det här vad biografmaskinistens arbete går ut på numera, att köra föreställningarna genom att trycka Play vid en bildskärm.

All drift sköts idag automatiskt. De som var biografmaskinister tidigare, har idag andra arbetsuppgifter. Hela dagens körschema skrivs i förväg av en person på Filmstaden Sergels kontor. Körschemat innefattar all reklam och alla trailers som ska visas före huvudfilmen. Detta görs enligt färdiga mallar. Således finns en mall med reklam särskilt avsedd för till exempel familjefilm, ”unga män”, ”unga kvinnor” osv. Man kan ange om ridån ska gå igen mellan reklam och huvudfilm och att exempelvis scenljuset ska tändas. Under denna tid väljer projektorn rätt objektiv.

Hela dagen är förprogrammerad. Just denna skärmbild visar hur en projektorserver kommer att framföra en föreställning (show) som kommer att leda fram till en visning av spelfilmen John Carter i 3D. Innan dess inträffar ”transition”, nedtoningar av ljuset, ”ad”, reklamfilmer, ”trailer” förhandsvisningar och mera reklam.

– Vi har aldrig fått titta in i de digitala projektorerna utan har bara fått reda på vilka knappar man ska trycka på. Resten ordnas av servicetekniker som kommer hit vid behov. Det lyser en grön lampa baktill på projektorn och när den skiftar färg till rött eller blått, kommer en tekniker.

Felsökning och underhåll styrs inte ens från Sverige längre. När ett svårt problem uppstår, ringer teknikerna på Filmstaden Sergel till ett företag i Norge som fjärrundersöker projektorerna. Kan de inte åtgärda det, skickar de hit en servicetekniker inom fyra timmar.

Undertecknad och Sören Sandin tittar in i en av de stora projektorerna. Bild: Audrone Städje.

Hemligheten är cirkulärpolariserad

Bilderna projiceras med cirkulärpolariserat ljus. Bilden för höger öga projiceras medurs polariserad och den för vänster öga moturs polariserad. När ljuset studsar på projektionsduken vänds polarisationen varför glasögonen måste vara polariserade tvärt om.

Verifiera detta själv genom att sätta på dig ett par bioglasögon och se dig själv i en spegel med ena ögat. Det öga du tittar med blir svart i spegelbilden. Ljuset i rummet studsar på ditt ansikte, går genom ett glasöga och cirkulärpolariseras, studsar på spegeln varvid dess polarisation kastas om, och kan därför inte passera genom samma glasöga igen, men väl genom det andra ögat.

Detta förfaringssätt medför både ett antal begränsningar och en mycket stor fördel. Polarisatorn framför projektorn tar bort hälften av ljuset, eller egentligen ännu mer eftersom den inte är perfekt, och hälften av det som är kvar försvinner igen eftersom det bara når ena ögat (och hjärnan registrerar den bild vi ser som summan av ljuset i båda ögonen). Projektorns DLP-kretsar behöver också en del blanking (svarttid) under tiden då polarisatorn växlar riktning. Den brukar ligga under 600 mikrosekunder.

Projektionsduken är inte helt perfekt utan kommer att förstöra polarisationen till viss del. Detta resulterar i överspill (crosstalk) från den ena kanalen till den andra eftersom opolariserat ljus passerar genom båda glasögonen. Dessutom absorberas en del ljus oundvikligen i duken. Dessa förluster kan man kompensera genom att använda ännu starkare projektorlampor.

Den stora fördelen är att glasögonen är helt passiva och bara består av två enkla, billiga cirkulärpolariserande plastbitar. De kräver inget batteri och kan inte gå sönder. Om biobesökarna tar med dem hem spelar inte så stor roll för i massproduktion kostar de inte mer än femtio öre. Bilden behöver inte betraktas med ögonen absolut vågrätt, så som hade varit fallet om linjärt polariserade filter använts. Medurs polarisation är alltid medurs oavsett hur man vrider filtret (huvudet), men vrider man huvudet för mycket kommer bilderna ändå att bli för olika på grund av skillnaderna i parallax mellan kameran och åskådaren. För det mänskliga ögat kan polarisationen vara detsamma. Vi klarar inte av att se den, så som vissa fåglar gör.

En annan fördel är kompatibiliteten mellan olika projektionssystem. I den mån det spelar någon roll. Det fanns ett konkurrerande system kallat MasterImage, som nyttjade en roterande filterskiva framför projektorn, med samma cirkulärpolariserade resultat, varför samma glasögon kunde användas. Det blev ingen skillnad för biobesökarna. Men MasterImage förlorade en patenttvist mot RealD i mitten av 2016 och är borta ur leken sedan februari 2017.

Projektorn

Supercalifragilisticexpialidocious är det enda man kan säga om denna Barco 2K DLP-projektor. Längre in i maskineriet än så här kan biomaskinisten inte komma. 4 kW-lampan ger ungefär 24.000 lumen. Projektorn har diverse olika videoingångar som SMPTE och DVI, samt gigabitnätverk för fjärrövervakning. Bildformatkontrollerna används för att ställa om objektivet för olika filmformat. Bordet som projektorn står på är i själva verket toppen på serverskåpet, där filmen och ljudet lagras, styrningen av polarisatorn sköts etc. Servern styr också ridåfallet och belysningen i salongen.

Det lyser ordentligt om den xenonlampa som Sören Sandin visar upp. Lampan drar 2 kilowatt vid 2D-visning, men ökas till 4 kW vid 3D-visning för att motverka ljusförlusterna.

Projektorn står på ett rackskåp innehållande den server (överst) som lagrar kvällens filmer, reklamsnuttar, trailers och kryptonycklar avsedda för denna projektor. Under denna hittar vi mediaservern, ”grafikkortet” om man så vill, som skapar videoströmmen. Därunder drivmodulen för RealD-polarisatorn. Nederst i botten sitter en UPS från APC by Schneider Electric som håller servern vid liv i händelse av strömavbrott. Dock ej projektorn. Så mycket batterikraft har man inte.

En titt på det optiska systemet – light engine

Ljusgången i projektorn är helt baserad på prismor. Speglar används inte, så som i de första DLP-projektorerna för tio år sedan.

Här är principen för hela projektorn, där light engine bara är den vänstra delen med färgdelande prismor.

Ljuset från xenonlampan bryts om till en parallell ljusstråle som går in i ett stråldelarprisma (beam splitter) och reflekteras 90 grader (en del ljus går tvärs igenom stråldelaren också, och förloras) in i light engine. Det är projektortillverkarnas namn på prismapaketet med färgdelande prismor som delar upp ljuset i de tre primärfärgerna rött, grönt och blått, och därefter bryter ihop det till vitt ljus igen. Samma princip används i TV-kameror med tre CCD-arrayer, en bättre, men dyrare princip än den vanliga digitalkameran med färgfilter.

Så här kan en light engine med tre DLP-kretsar och färgdelande prismor se ut i praktiken, när alltihop sitter monterat på ett chassi. Den yttre stråldelaren där ljuset från lampan speglas in, visas inte på bilden. Bild: Texas Instruments.

Det första prismat i light engine bryter bort den röda färgen och skickar ut ljuset mot den röda mikrospegelkretsen. Kretsens speglar ställer in sig efter bilden som ska visas och det ljus som inte ska reflekteras ut mot bioduken åker åt sidan och slukas av en svart yta (visas inte i systemskissen). Ljuset går tillbaka samma väg som det kom och går ut genom stråldelaren, där ytterligare en del av det förloras. Det resterande ljuset fortsätter ut i objektivet.

Grönt och blått ljus går vidare och nästa prisma skiljer ut det blå ljuset. Kvar blir bara det gröna ljuset som fortsätter tvärs igenom hela prismapaketet och träffar den gröna mikrospegelkretsen.

Mikrospegelkretsarna

Mikrospeglarna etsas i en kiselskiva, ungefär som en halvledarkrets. En halvledarkrets är dock plan på ytan, med förångande ledare, men i fallet mikrospegelkrets etsar man i tre dimensioner, för att få lösa, vridbara speglar. Speglarna vrids, eller vickas med hjälp av elektrostatiska krafter mellan elektroder under spegeln och spegelytan självt. Texas Instruments hittade på namnet Digital Light Processing, eller DLP för detta.

Digital Light Processing utförs med en mikrospegelkrets som denna, med flera miljoner speglar. Bild: Texas Instruments.

I elektronmikroskop ser speglarna ut som små bord som lutar. Varje spegel är bara 16 my bred och kan vinklas cirka 12 grader. Metoden med små rörliga element kallas MEMS (mikroelektromekaniska system). Rörstumparna med flänsar på som sticker upp under speglarna är de elektrostatiska elektroderna. Bild: Texas Instruments.

Du får en bättre uppfattning om mikrospeglarnas dimensioner när en myra satt sin jättelika, håriga fot ovanpå en DLP-krets. Bild: Texas Instruments.

Eftersom en hel del ljus går förlorat, dels i stråldelarna och dels när bilden är mörk och mikrospegelkretsarna skickar det åt sidan och inte in i objektivet, finns det mörka absorbenter här och där som får sluka det ljus som inte ska fram till duken. Dessa ytor kan bli ganska varma och måste ofta vattenkylas. Det ljus som missar speglarna i mikrospegelkretsen, värmer istället själva kretsen, varför denna ofta också är vattenkyld.

DLP-kretsarna får ta emot väldigt mycket ljus och värme. Vid större lampeffekter vattenkyler man kretsarna. Bilden visar en vattenkyld DLP-krets monterad på light engine på ett kretskort som hyser formateraren. Bild: Christie.

Polarisatorn

Polarisatorn är ett löst påhäng frampå projektorn. Bild: RealD.

ZScreen-cellen som används som polarisator i RealD-tekniken är lite mera komplicerad än bara ett enkelt polarisationsfilter. Den består egentligen av tre lager flytande kristaller (i systemskissen ovan). Det första lagret är linjärpolariserande och filtrerar fram allt ljus med exempelvis vertikal polarisation (det är här det mesta ljuset försvinner i polarisatorn). Ljuset får sedan passera genom två andra polarisationsfilter, varav ett alltid är inaktivt. När det linjärpolariserade ljuset går igenom ett aktiverat lager kommer dess elektriska fältvektor att vridas 90 grader från den magnetiska vektorn, vilket är detsamma som cirkulärpolarisering. Det sista lagret kan helt enkelt vrida ljusets elektriska vektor åt andra hållet och åstadkomma en motriktad cirkulärpolarisering. De båda lagren aktiveras omväxlande med en ganska komplicerad växelspänning med en frekvens på cirka 2 kHz och en toppamplitud på cirka 80 volt.

I den enklare MasterImage sköttes polariseringen istället med ett filterhjul med polfilter som roterade framför projektorns objektiv, men hjulet gick inte att enkelt programmera om ifall man ville ändra bildfrekvens eller antalet ”flash”. Man kan därför tycka att ZScreen-metoden är elegantare, rent tekniskt.

Filmdistribution och media

Filmrullar är passé. Numera distribueras biofilm på hårddiskkassetter. Just här är det Star Wars episod 1 i 3D. Disken innehåller två krypterade filmfiler på cirka 180 gigabyte styck, en med svenskt och en med engelskt tal och undertexter. Bildens upplösning är 2048 x 848 (Cinemascope) eller 2048 x 1080 pixel (vidfilm) i 24 bilder per sekund och filmen är JPG2000-komprimerad.

Filmerna kommer till biografen på hårddiskar, medan reklam och trailers levereras via Internet. Hårddisken sätts in i den centrala servern och efter att man byggt upp körscheman, tankas de krypterade filmfilerna ut till respektive projektorserver med FTP. Licensen och kryptonyckeln skickas separat som ett e-brev från England, tas ut på en USB-sticka, som sedan också sätts i den centrala servern, och distribueras till respektive projektorserver. Licensen kan gälla för vissa dagar och vissa klockslag, även långt in i framtiden och även för enskilda projektorer.

Varje Cinemascope-bild är 2048 x 848 pixel, alltså cirka 1,7 megapixel x 3 (färger) x 2 (ögon) x 24 (fps) = 250 megabyte per sekund. På 2 timmar blir det 1,8 terabyte. Filmerna är komprimerade med JPG2000 för att man ska få ned filstorleken för en film till mera hanterbara 180 gigabyte.

Alla filmer och licenser (kryptonycklar) lagras på biografens centrala server. Där lagras också körscheman för dagens föreställning. Vid behov tankas en fil härifrån ut till avsedd projektorserver. Bildskärmen som står ovanpå visar hur filmlagret ser ut för tillfället.

Ljudsystemet

Ljudsystemet fungerar ungefär som på en Blu-ray-anläggning. Man använder 5.1-ljud, men har som bilderna visar 14 ljudkanaler i en av salongerna. Då används exempelvis två kanaler till vardera sidohögtalares mellan- och diskantregister.

En ljudrack av stora mått. I högra racken sitter 7 stycken slutsteg från Labgruppen på 2×1 kW, alltså totalt 14 kanaler. I vänstra racken hittar vi ljudbearbetningsutrustning från THX, Dolby, en surroundprocessor från DTS etc.

Här visar Sören Sandin en centerbaslåda i en mindre salong.

The Silver Screen

En närbild av filmduken Silver Screen. Den är metallbelagd för att fungera som en spegel och inte förstöra polarisationsinformationen i ljuset. Duken är försedd med hål eftersom ljudet från högtalarna bakom ska kunna komma igenom.

Filmduken måste vara speciell. Typen kallas Silver Screen för den ser lite silvrig ut. Det hade inte fungerat med en vanlig, diffuserande projektorduk, eftersom diffusionen förstör polarisationen, eller inför eventuellt en egen komponent i polarisationen. Det är vad man kallar dielektrisk reflektion. Så är inte fallet med exempelvis en metallisk spegel. Den bara reflekterar ljuset utan att förstöra polarisationen, så kallad elektrisk reflektion. Ja, eller den vänder polarisationen, så att medurs polarisation blir moturs – det är vanlig spegling.

Sören fortsätter:

– En metallduk sprider inte ljuset lika bra som en diffuserande duk, så bilden blir bäst på vissa platser i salongen. Det blir helt enkelt mörkare utåt salongens kanter och 3D-djupet blir sämre. Tidigare hade vi en duk uppbyggd med mycket små glasflisor, men den gav sämre skärpa.

Uttrycket Silver Screen betydde förr bara ”bioduk” eftersom man i filmens bardom, då projektorerna hade ganska svaga lampor, använde dukar med invävda metalltrådar. När lamporna blev starkare införde man diffuserande material för att få större betraktningsvinkel, då en matt metallyta i princip fungerar som en spegel och bara kastar tillbaka ljuset i en ganska smal kon. Uttrycket ”The Silver Screen” lever dock kvar för som synonym för filmindustrins glamour.

3D-glasögon storindustri

Filmstaden Sergel förbrukar 3D-glasögon i stora mängder. En bra dag kan det gå åt 5000 par. De man får tillbaka, transporteras till ett tvätteri i Tyskland, där de rengörs, förpackas och skickas tillbaka. Notera den tyska texten på förpackningarna.

– Förväntar ni er att folk ska lämna tillbaka 3D-glasögonen?

– Nej, det gör vi inte, men vi tycker att det är bra om de återlämnas. Vi har sett hur barnen har glasögonen på sig ute på stan och använder dem som solglasögon och det är direkt olämpligt eftersom de inte tar bort UV-strålningen. Det kan bli åtskilliga säckar med återlämnade glasögon under en dag och de skickas till Tyskland för tvättning och ompaketering. Vi får leveranser en gång i veckan från ett företag som lagerför glasögon för hela SF. Glasögonen har plötsligt växt ut och blivit en masstillverkad förbrukningsprodukt.

Vi avslutar genom att se oss omkring i lokalerna. Biostolarna är numera specialgjutna med hållare för stora Coca Cola-muggar och överallt står stora plåttunnor där man ska kasta sina popcornbehållare. Golven är beströdda med sagda popcorn så man tror att det har snöat inomhus. Vi frågar:

– Har det inte gått lite väl långt med popcorn?

– Jo, svarar Sören. Men nu hörde jag nyligen att popcorn skulle vara hälsosamt…

Läs mer

RealD: http://reald.com/

Om äkta och oäkta 3D: http://techworld.idg.se/2.2524/1.146446

Kilowattförstärkare från Labgruppen: http://labgruppen.com/

Texas Instruments DLP: http://www.dlp.com/technology/fetc2011/default.aspx

Projektordata

Data för DP2K-23B, en typisk DLP-bioprojektor

Mikrospeglar: 3 st 3 cm DC2K dark metal
Upplösning: 2048 x 1080 pixel
Lampa: 1,2 – 4 kW xenonlampa
Ljusstyrka: 24.500 lumen
Dukstorlek: Upp till 23 m bred
Kontrast: 2000:1
Videoingångar: 2 x SMPTE 292M och SMPTE 424M, 2 x DVI
Elkraft: 230 V
Vikt: 133 kg

SMPTE 292M eller HD-SDI är ett videogränssnitt för 1,5 Gbps video med 24-60 bps okomprimerad HD-video. SMPTE 424M eller 3G-SDI medger 3 Gbps överföring. Signalen överförs på koax med 75 ohms impedans. Projektorn har två sådana ingångar, för redundans.

Till detta kommer tillbehör som 3D-påhäng och filmserver.