Utilisation de l’éclairage HMI dans les applications de tournage à grande vitesse

Par le Dr Phil Eliams, de Power Gems Ltd.

Tourner à grande vitesse nécessite des niveaux d’éclairage importants, ce qui fait des sources HMI le choix idéal. Toutefois, le processus peut révéler des artefacts dans la lumière qui n’apparaîtraient pas à des vitesses normales de prise de vues. Dr Phil Eliams, de Power Gems Ltd, remonte à la source d’une potentielle problématique et délivre des conseils pour résoudre les désagréments qu’il pourrait advenir lors de tournage à grande vitesse avec des lampes HMI.

Difficultés de tournage à grande vitesse avec des lampes HMI

Les lampes HMI doivent être alimentées par un courant alternatif (AC) pour prévenir la migration des constituants chimiques de ces lampes. Ceci est mis en oeuvre en utilisant un courant d’onde carré qui assure que la lumière de la lampe est essentiellement constante. Toutefois, le courant de la lampe prend une quantité de temps finie pour changer de direction, ce qui signifie qu’il y a une baisse d’intensité dans la lumière du projecteur à chaque transition d’onde carrée.

Un second problème est le chemin pris par l’arc électrique qui peut être substantiellement différent sur chaque côté de l’onde carrée. Cela peut entraîner une variation rythmique de la lumière en sortie de projecteur – particulièrement avec les projecteurs PAR qui ont des systèmes optiques à couplage serré.
Une autre préoccupation est l’instabilité irrégulière qui peut se produire dans l’arc électrique en raison d’effets tels que la turbulence des gaz dans la chambre d’arc. Les effets de l’instabilité de l’arc peuvent être un défi à la fois pour les tournages à grande vitesse ou à vitesse normale.

Principales difficultés rencontrées

1. Temps de transition de l’onde carrée.
2. Variation rythmique à la fréquence de l’onde carrée
3. Instabilité irrégulière de l’arc électrique.

Jetons un coup d’oeil à chacun de ces problèmes l’un après l’autre et voyons ce qui peut être fait pour éliminer leurs effets :

1. Temps de transition de l’onde carrée.

Parfois, chez Power Gems Ltd., on nous demande « à quelle vitesse maximale puis-je tourner avec votre ballast ? » La limite supérieure est déterminée par le temps pris par le courant de l’onde carrée pour changer de direction jusqu’au moment où la caméra commencera à « voir » la transition.
Mais au lieu de demander quelle est la vitesse maximale possible, une question plus précise serait « Quel est le temps de pause minimum ou l’angle d’obturation minimal ? ». L’avantage de considérer le temps de pause minimum est que c’est un nombre absolu, alors que l’angle d’obturation minimal requiert aussi la cadence d’images de prise de vue pour être pris en compte.

Le risque de rencontrer des problèmes avec la transition d’onde carrée augmente à mesure que le temps de capture de la caméra approche du temps de transition. Mais combien de temps dure le temps de transition ? De façon quelque peu surprenante, ceci n’est pas déterminé par le ballast, mais par l’inductance du circuit électrique de la lampe (principalement l’inductance du câble d’alimentation de la tête et des bobines Tesla dans l’amorceur).

En raison de cette inductance, plus le courant de la lampe est élevé, plus le temps nécessaire pour inverser sa direction est grand. Cependant, les chiffres habituels sont de 20 à 30 microsecondes. Cela ne signifie pas 20-30 microsecondes d’obscurité complète, car le courant qui passe dans la lampe sera présent tout au long de cette période, mais la lumière plongera.

Si la période de transition prend une part importante du temps de capture de la caméra, elle peut alors commencer à être détectée dans l’image enregistrée. Elle peut apparaître sous forme de cadres sombres ou de bandes foncées, selon le système d’obturation de la caméra.

Quelle est la limite acceptable pour le temps de capture ? Eh bien, le flickering est une question subjective et ne peut être déterminée de manière satisfaisante que par l’oeil, et comme mentionné, le temps de transition est une quantité variable dépendante d’un certain nombre de facteurs. Cependant, les tests montrent que le moment où le temps de transition deviendra un problème est de l’ordre de 100 micro-secondes (100 000 nano-secondes) de temps de capture. Donc, si vous approchez de ce temps de capture, ou si vous avez un câble d’extension particulièrement long, alors vous devriez soigneusement vérifier les images générées par ces effets de transition de temps.

Qu’est-ce que cela signifie pour la fréquence d’images ? Avec un obturateur à 360 °, cela équivaut à une cadence maximale de 10 000 images/seconde. Ou avec un obturateur à 90 °, une cadence maximale de 2 500 images/seconde. Comme mentionné, un long câble d’extension ou une puissance de lampe élevée telle qu’avec avec des projecteurs de 18 kW ou 24 kW, peut nécessiter un angle d’obturation plus large.

2.Variation rythmique

Une différence substantielle dans la trajectoire prise par l’arc dans les deux moitiés de l’onde carrée peut conduire à une variation rythmique notable de la lumière du projecteur, car la lumière collectée par le réflecteur varie. L’augmentation de la fréquence du courant d’onde carrée peut réduire la variation du trajet entre les deux demi-cycles.

La réduction de la variation rythmique est particulièrement prononcée lorsque l’on change la fréquence de sortie du ballast de 100 Hz à 300 Hz. Dans certains cas, il peut y avoir d’autres améliorations en passant de 300Hz à 1000Hz. Mais il peut y avoir une raison supplémentaire de changer jusqu’à 1000Hz, c’est-à-dire de déplacer la variation rythmique vers une fréquence où il y a de multiples oscillations de la lumière/image qui dilue ou annule l’effet. (Pour les mordus, ceci est une conséquence du théorème de Nyquist)

Un inconvénient de fonctionner à 1000 Hz est qu’il peut advenir de fortes résonances acoustiques dans la lampe, produisant des variations de lumière à des fréquences imprévisibles. Cela signifie qu’il est essentiel de « syntoniser » la fréquence du ballast pour éviter les pics de résonance dans le fonctionnement de la lampe. Chez Power Gems Ltd., nous avons développé un système d’auto scan pour faciliter ce processus. Avec l’auto-scan, le ballast sera automatiquement scanné pour vous, et passera à la fréquence qui convient le mieux. Cette caractéristique novatrice est disponible en standard sur les modèles 9kW, 18kW et 24kW, pour gagner du temps et améliorer la stabilité.

3.Instabilité irrégulière de l’arc électrique

Les gaz à l’intérieur de la chambre à arc de la lampe peuvent être assez turbulents et, dans certains cas, perturber l’arc, provoquant un mouvement dans la lumière du projecteur. Parfois, la perturbation se produira à une fréquence qui n’est pas visible à l’œil nu, mais peut apparaître comme un souffle de lumière lors de la lecture d’images à grande vitesse.

Une lampe placée en position verticale aura une plus mauvaise stabilité qu’une lampe en position horizontale, ce qui peut être une indication pour le type de projecteur ou le positionnement du projecteur. En outre, certaines fréquences d’ondes carrées peuvent stimuler les « résonances acoustiques » dans la lampe (le même effet de son qu’en soufflant sur le goulot d’une bouteille). Cela peut être un défi lorsque l’on travaille en mode 1 000 Hz, et il est nécessaire de syntoniser le ballast loin des pics de résonance.

Des lampes toutes neuves peuvent afficher une certaine instabilité après quelques heures d’utilisation. De même que des lampes en fin de vie peuvent commencer à fonctionner de manière instable et doivent être remplacées.

Conseils pour tournage à grande vitesse avec des HMI

  • Utilisez un angle d’obturation maximum. Restez aussi loin que possible du temps de capture minimum de 100 micro-secondes (100 000 nano-secondes).
  • Réglez le ballast sur le mode 300Hz pour réduire les variations d’arc rythmique.
  • Si l’on peut encore voir un « souffle de lumière » pendant la lecture des images, sélectionnez le mode 1000Hz pour passer à une fréquence non problématique. N’oubliez pas d’exécuter le scan automatique sur le ballast, ou scannez manuellement afin d’éviter les résonances acoustiques.

Conclusions

Les sources lumineuses HMI sont disponibles avec un énorme rendement lumineux, ce qui en fait de merveilleux outils pour capturer des images à grande vitesse. Avec des vitesses typiquement utilisées en tournage cinéma (1000 i/s, 2500 i/s, 5,000 i/s), des résultats parfaits peuvent être obtenus en suivant les simples étapes décrites ci-dessus. Dans la plupart des cas, le réglage du ballast à 300 Hz donne des résultats sans faille et évite d’avoir à régler la fréquence du ballast. Le réglage à 1 000 Hz est une autre « boîte à outils » pour les situations difficiles.

Pour des cas particuliers tels que les tournages scientifiques approchant ou dépassant 10 000 i/s, il peut être nécessaire d’utiliser de multiples projecteurs pour diluer les effets de la transition d’onde carrée.

Filmer à grande vitesse - Résoudre les problèmes avec Power Gems

Seuls les ballasts Power Gems ont cette gamme de fréquences disponibles et le scan automatique intégré pour vous permettre de fabriquer les meilleurs plans à grande vitesse.

Des tests détaillés ont été réalisés en collaboration avec Digital Cinema Society (www.digitalcinemasociety.org ) pour démontrer comment mettre en place efficacement un shooting à grande vitesse. Vous pouvez voir des images sur Vimeo avec une série d’extraits démontrant la façon dont les problèmes arrivent, et les moyens efficaces pour les éliminer.

Tests filmés avec un projecteur 9Kw PAR

Exemple de « bandes descendantes » à 300Hz, la vidéo montre le flicker causé par le temps de transition.
Un exemple des problèmes d’un tournage à grande vitesse, ici nous voyons des bandes descendre sur l’écran. Tourné à 2400 i/s, avec un temps de capture très court de 5 micro-secondes. Ballast Power Gems 9Kw calé à 300Hz.

Changer la fréquence de 300Hz à 1000Hz change simplement la fréquence des bandes vues à l’écran
Ici nous changeons la fréquence à 1000Hz pour essayer de nous débarrasser des bandes descendantes visibles à 300Hz (voir ci-dessus), mais cela ne résout pas le problème - il suffit de changer la fréquence des bandes. Tourné à 2400 i/s, avec un temps de capture très court de 5 micro-secondes.

Solution : L’obturateur à 90 ° se débarrasse des bandes descendantes visibles à 300Hz et à 1000Hz
Changer la fréquence ne résout pas le problème, mais l’augmentation de l’angle d’obturation, oui. Cette vidéo montre la solution, toujours en se calant à 300Hz sur le ballast Power Gems 9Kw, en élargissant l’angle d’obturation à 90 °, et en prenant un temps de capture supérieur à 100 micro-secondes.

Tests filmés avec un projecteur 18Kw PAR

Exemple de « flicker rythmique » à 300Hz
Voici un problème de flicker, mais ce n’est pas le temps de transition - nous le savons car nous avons un temps de capture énorme. Cette fois, c’est un problème de mouvement d’arc électrique.
Filmé à 1.000 i/s avec un temps de capture substantiel de 500 micro-secondes. Ballast Power Gems 18Kw calé à 300Hz. Il n’y a pas de bandes descendantes à l’écran, mais il y a un flicker global subtil dû au mouvement de l’arc rythmique.

Solution : Changer la fréquence à 1.000 Hz efface le problème en déplaçant la variation à une fréquence différente
Cela montre que le problème du flicker est supprimé en utilisant le ballast Power Gems 18Kw sur un réglage de 1 000 Hz. Filmé à 1.000 i/s avec un temps de capture substantiel de 500 micro-secondes.

Les bandes descendantes à l’écran reviennent à 2.400Hz
Juste pour prouver une chose - si nous augmentons la fréquence d’images (en diminuant le temps de capture), nous réintroduisons un problème de temps de transition. En conservant les réglages du ballast Power Gems de 18Kw, la cadence est augmentée à 2 400 i/s, ce qui réduit le temps de capture proche de la limite de 100 micro-secondes. Maintenant, nous voyons les « bandes descendantes » qui redeviennent un problème.

Source : https://powergems.com/using-hmi-lighting-high-speed-filming-applications/