4K数字电影应用技术研究（下）

4K数字电影应用技术研究（下） 3 4K图像的拍摄 和2K图像一样，4K图像的拍摄可以通过胶片方式也可以通过数字方式。以下简要探讨这两种方式。 3.1胶片拍摄 65mm胶片： 65mm胶片是过去拍摄巨幕电影专用的一种胶片种类，到目前为止，65mm胶片是取得图像质量最好的拍摄方式。但是此种胶片价格昂贵且需要专用摄像 机，该摄像机同样价格高昂，而且器材笨重、使用不便，因此只能用于拍摄特殊展示题材的影片，不适用于拍摄常规电影。65mm的拍摄器材市场上没 有销售，可以通过IMAX公司租赁65mm/15p摄影设备，另外中国电影科研所也可以提供65mm/5p/8p/10p摄影机。普通胶片洗印厂无法洗印此种胶片，只 能拿到国外专门的公司冲洗。美国好莱坞的FotoKem公司和DKP70公司可以提供65mm胶片的冲洗、扫描服务。 35mm胶片： 胶片时代的常规电影通常使用35mm胶片拍摄。35mm胶片能够捕捉到2K分辨率以上的内容，理论上来说用4K系统放映35mm胶片内容能减少混淆失真，对 图像质量有一定程度的提高。但是由于胶片颗粒、调和稳定性等问题，35mm胶片用常规方式拍摄的图像效果不能充分发挥4K系统的性能。 针对巨幕电影，35mm胶片另有一种8片孔方式( VistaVision)（见图4），这种胶片上的画格不以垂直方向排列，而以水平方向排列，其底片冲洗工艺 与普通35mm胶片一样。珠影厂曾经用过这种方式制作胶片巨幕电影。2011年电影科研所访问DKP70公司(IMAX子公司)时看到IMAX公司也在使用这种方 法制作巨幕影片。国内曾经生产过适用此种胶片的特种摄影机，中国电影科研所和中影集团的Spirit4K扫描仪能够扫描这种格式的胶片。有兴趣的制 片单位可以尝试在一些大场面镜头中应用。 图4 VistaVision 3.2 数字拍摄 相较于胶片时代设备笨重、价格高昂、冲洗不易等缺点，数字设备充分发挥了其数码产品的优势——即拍即得、快捷易携，并且价格相对便宜，但其 在色彩方面的表现力还是稍逊胶片一筹。目前市面上已有的数字4K摄影机主要为以下几款： ① RedOne 2006年Re乐恩吧 http://www.leen88.comdOne摄像机的横空出世彻底打破了电影拍摄设备由胶片摄像机垄断的局面，相对低廉的价格使电影拍摄不再 那么遥不可及。自RedOne推出以来，业界对其性能有诸多争议，从我们对其进行的标板测试表明，仅从分辨率来说，如果配合高品质镜头，RedOne确 实能够获取2K以上的图像。但由于单芯片摄影机需要经过Debeyer运算将Raw data转换成RGB图像，而Debeyer运算需要用相邻像素进行插值，具有低 通滤波性质，所以RedOne摄影机4K解码图像锐度降低，不能完美体现4K的性能。 ② PHANTOM 65 PHANTOM 65（见图5）是全球第一款兼容65mm胶片图像格式的4K数字电影摄影机，分辨率可以达到4096×2440。现已应用于IMAX纪录片的拍摄中（见 图6）。 图5 PHANTOM 65 图6 IMAX纪录片《天生狂野》拍摄现场 ③ SONY F65 2011年索尼发布了新型4K数字摄像机F65（见图7），据称该摄像机达到了65mm胶片的拍摄效果。该设备的CMOS感光器件具有8738×2324（约2000万） 总像素，有效采样像素8192×2160（约1800万），其中一半为绿色像素，红色和蓝色各占四分之一（见图8），而绿色像素是人眼最敏感并在色度图 上占据面积最大的部分，由此相较于普通4K传感器在绿色通道上只有2K级别的分辨率，F65在实际色彩分辨率方面理论上显然更接近4K级别。 图7 SONY F65 同时由于RedOne对业界市场产生的低价冲击，索尼的F65没有标出F35那样数十万美元的高价，其裸机只售价约6万美元。 ④ GY- HMQ10 4K JVC公司2012年初推出世界首款手持式4K数字摄像机-GY- HMQ10（见图9），该设备可录制分辨率为3840×2160，官方公布市场售价不到5万美元，仅 重1. 7kg，可谓是价廉便携，但其实际表现情况尚不明确。 图8 F65与普通摄像机传感器比较 3.3 噪声问题 在4K数字电影的整个制作体系中，拍摄环节对最终生成的节目画面质量有莫大的影响。处于中后期的制作、放映环节都是在拍摄环节所生成的素材的 基础上加以编辑、调整，因此保证原始素材的质量至关重要。 图9 GY- HMQ10 对于特定的信号源，传输系统的输出噪声是系统带宽的函数，带宽越高，输出噪声也就越高。4K图像增加了像素数量，也就是增大了带宽，那么相较 于2K图像，4K系统在提高图像细节传输能力的同时也提高了噪声的传输能力，因此如何降低拍摄阶段所产生的噪声非常重要。 35mm胶片确实能够记录4K以上的图像细节，但是提取这些细节的同时也提取了伴生的颗粒噪声。某些情况下采用4K扫描技术增加的图像细节会被随之 增加的颗粒噪声湮没。数字拍摄虽然不存在颗粒噪声问题，但同样受限于噪声。此时噪声主要来源于图像传感器件。在器件总尺寸一定的前提下，像 素数越多每个像素的尺寸越小，其受光面积也越小，有效输出电平越低，受电路本底噪声影响越大，对提高信噪比不利。因此在器件本底噪声一定的 条件下，就需要通过增加曝光量来加大像素受光面积，提高工作电平，以此来提高信噪比，但这样一来图像中的高光部分很容易导致前级放大器过 载。数字摄像机所使用的CCD和CMOS传感器都是线性器件，其动态特性曲线没有胶片那样的肩部和趾部特性（见图10），一旦光比过大，就会产生失 真。 图10 胶片的动态特性曲线 如果是用胶片前期拍摄然后数字扫描出来的图像，虽然扫描仪的传感器件也是CCD或者CMOS，但是胶片动态特性曲线的肩部和趾部压缩了图像高光和 阴影部分的动态范围，加上胶片扫描时都要仔细调整光源强度，使传感器工作在最佳状态，因此产生失真就会小很多。 综上所述，如果打算用4K模式扫描35mm胶片，并打算在巨幕影院放映，建议尽量选用颗粒细腻的低感光度胶片，减少500。以上高感片的使用。或者 也可以采用复杂的智能滤波器，在保留有用信号的同时降低图像噪声，例如IMAX公司的DMR技术。电影科研所也在致力于开展图像清晰化算法的研究 工作。但是毕竟电影图像内容千变万化，很难有统一的评判标准，因此这项工作自动化难度很大，目前只能通过大量的人工进行处理。 在数字拍摄方面，要降低噪声就需要仔细平衡曝光量与信噪比。数字摄像机有很多可调参数，但只有镜头光圈和曝光时间能影响曝光量。与胶片不 同，数字拍摄一旦曝光不准确，丢失的信息在后期是很难补救的，因此数字拍摄的光比要适中。拍摄过程中还需注意高光点，尤其是物体表面凸起又 容易反光的部分，如演员的前额、面颊部位，这部分最好能使用亚光的油彩。总之，在现有条件下，要想制作高质量的4K数字节目，需要尽可能地增 加曝光量来抑制噪声，但又不能曝光过度造成失真。 4 4K 图像节目的后期制作 4.1 4K节目的数据量 4K节目在编辑合成、特效制作等方面与2K节目没什么区别，目前绝大多数后期制作系统都能够支持4K节目的后期制作。但是数字电影在后期制作环节 需要使用无压缩格式，那么4K素材庞大的数据量对设备容量以及处理带宽等需求也将成倍增加，这对后期制作系统的处理能力是个很大的考验。表1 列举了两种常用文件格式l0bit dpx和16bit tif在2K以及4K模式下的数据量，l0bit dpx格式每个像素按4字节，16bit tif格式每个像素按6字节计 算，以下数据量不包括文件标头。 表1 图像结构对应数据量 1KB= 210 =1024Bytes 1MB=220=1024KB=1, 048, 576Bytes 1GB= 230= 1024MB=1, 073, 741, 824Bytes 1TB= 240 =1024GB=l,099. 511, 627, 776Bytes 从表1不难想象一部普通4K影片加上各种素材将是多么庞大的数据量，如果要制作3D版4K影片那么数据量又将倍增，而且在制作过程中需要预览制作 效果，这对系统的实时传输及处理能力又是一大考验。要支持4K级别画面的稳定实时播放，制作系统与存储系统之间需要8路2GB，或者4路4GB，或者 2路8GB的光纤通道相连接，因此采用低分辨率代理文件制作4K节目应该能提高工作效率。 4K节目的大数据量会给制作系统带来沉重的负担，在2K级别流畅的处理程序会慢得令人难以忍受，严重影响制作效率。因此，虽然绝大多数的后期制 作系统都能够处理4K数字节目，但从保证效率的角度出发，对制作系统进行合理升级还是很有必要的。 4.2 XYZ色彩空间的调色 4K模式的数字电影属于高端放映级别，应当采用DCI组织规定的与设备无关的DCI- XYZ色彩空间，不应再使用ITU709色彩空间。根据调色和编码的方 式，主要有两种办法实现XYZ调色： (1)当调色和编码在一起时，最好是在调色用的监视放映机上专门配置一个DCI- RGB模式，这种模式仍采用RGB颜色编码，但是使用DCI- XYZ色彩空 间，也就是说当调色系统输出的像素颜色编码为纯红时，放映机的颜色输出也为DCI- XYZ色彩空间的纯红（x=0. 6800，y=0.3200），纯绿、纯蓝和 白点依此类推，同时gamma值也改成2.6。这种模式的输出文件仍为RGB编码，然后再由数字电影编码器通过颜色管理系统将RGB编码转换成XYZ编码(见 图11)。 图11 (2)当调色和编码不在一起时，最好由调色设备的颜色管理系统实现RGB- XYZ编码转换，监视放映机则使用标准的DCI- XYZ色彩空间来放映。调色设 备输出时连同LUT -并输出，编码器不做颜色转换。在调色和编码不在一起时，最好采用这种方法。 要获取RGB- XYZ颜色管理LUT有以下两种方法： ① 模拟胶片法 以胶片为数据源的工作流程大多采用dpx格式的文件，其RGB编码表示的是印片密度(Print Density)，每个LSB代表0.002D。由于胶片的非线性，没有 办法用数学公式计算出LUT，只能用实验的方法进行测量。以17×17×17节点LUT为例： a、用电脑生成一个17X 17X 17—4913格测试标板文件。 b、用胶片记录仪记录到5242中间片上。 c、将5242中间片复制到2383拷贝片上，印片时应将LAD密度尽量接近R=1.09，G=1.06，B=1. 03。 d、用频谱密度计（如xRite DTP41）逐格测量其XYZ值。也可以测量密度频谱，找一台标准胶片放映机，在银幕上打白光，测量一下白光光谱。将两 个光谱逐点相乘，再用CIE1931计权曲线对光谱计权积分得到XYZ值。这些XYZ值经过归一化处理和Gamma校正后就是dpx- XYZ LUT。 ② 公式导出法 对于数字拍摄素材，尤其是Raw Data，其RGB编码没有严格的定义。假定它就是DCI XYZ色彩空间对应的RGB值。 表2 色彩空间编码值对应表 由表2数据可以计算出一个系数矩阵，再经过Gamma校正，就可以得到RGB-XYZ LUT。 5 4K图像节目的发行 随着数字处理技术的发展，数字图像压缩编码服务器已能够实时处理4K模式的节目，现在各服务器厂商都纷纷推出了适用于4K节目的编码器。目前国 内仅有极少数影视制作单位拥有4K实时编码打包服务器。 我们曾尝试使用两种适用于2K模式的编码打包服务器来处理4K节目，其中一种服务器不能进行多点并行处理，另一种可以。试验结果表明单独服务器 处理一帧图像至少需要3秒，即便使用儿台服务器并行处理，也仅达到每秒3帧左右的速度。这种速度用来处理几分钟的试验片段尚可，用来处理完整 的影片则较为影响工作效率。因此制片发行单位最好使用4K实时编码打包服务器来处理4K节目，如无法找到合适的设备，则需要提前预留足够富裕的 时间以免耽误工作。 最后生成的DCP的数据量的大小根据编码方式的不同会有较大差异。如果是采用恒定质量(PSNR)编码方式，所生成DCP包的数据量取决于节目内容和选 定的信噪比，在节目内容一般的情况下，4K模式的数据量可能和2K的相差不多，但在节目内容细节非常复杂的情况下，4K模式的可能会比2K的大许 多。另外信噪比对DCP包数据量的影响也比较明显，我们用1.3分钟的4K素材做实验，当PSNR设为42的时候，所生成DCP为2. 2GB，当PSNR设为30的时 候，所生成DCP为500MB（PSNR值越高画面质量越高）。而如果采用恒定码率( CBR)方式，又用的是250Mbps最高码率编码，那么DCP包的数据量将和2K 模式一致，实验中100分钟4K节目的DCP包约160GB。 4K数字节目在传输方面没有特殊之处，如果是采用硬盘传输的方式，那么与2K节目相同，如果是采用卫星或者地面网络传输，那么根据发行包数据量 的大小可能会产生一定的影响。 6 4K图像的放映 目前用于影院放映的数字放映机主要基于LCOS（硅基液晶）和DLP（数字光学处理）两种技术。这两种技术基本原理相近，都是反射式成像，通过成 像器件选择性地把光源发出的光线反射到用于聚光的透镜和棱镜上（如图12），不同的地方在于成像器件的原理不同。DLP是通过调节微反射镜的偏 转角度来控制光线，而LCOS则是通过调节液晶状态来控制反射光线。 图12 数字放映机成像原理 图12中的成像芯片，在DLP技术中是TI公司生产的DMD（电子微镜）芯片（见图13），该芯片上像马赛克一样集成了几百万个小镜子，每个小镜子对应 一个像素，小镜子的偏转角度决定了此像素某种颜色的状态；在LCOS技术中是索尼公司的SXRD（硅晶体反射）芯片（见图14），该芯片的成像原理较 为复杂，简单来说就是利用液晶的电敏特性，调节每个像素对应液晶的电压改变其光阻性，从而控制该像素某种颜色的状态。 图13 DMD芯片 图14 SXRD（硅晶体反射）芯片 现在这两种技术都有4K级别的数字放映机面市，其设备性能各有千秋，在此不再深入探讨其优缺点。之前已经谈到，4K系统和2K系统在放映端是双向 兼容的，包括3D版的节目，2K模式的3D节目可以用一台2K服务器把信号直接传送到4K放映机的HD- SDI接口即可。但是如果想用两台4K数字放映机以 双机模式放映3D节目会有问题，因为这样一来服务器需要能够支持两块IMB板，两块IMB板需要Genlock同步，而目前还没有有关4K 3D的标准出台。 7 关于4K系统的检测 目前对于数字4K放映系统在分辨率方面的检测还没有公认的技术指标，电影科研所自制了4K测试图，并在IMAX影厅对科视4K数字放映机进行了测试。 通过测试图可以进行主观目测检验，合格的4K放映应该能够分辨出1×1像素点和线对，且三种颜色能够重合。 在亮度方面可以沿用DCI标准白色，用亮度计测量。但由于巨幕的银幕面积很大，如果亮度太高的话干扰光也随之增大，这样会降低图像对比度，使 得画面看上去发灰，因此是否还继续采用48cd/m²的测量标准有待进一步确定。 8 未来发展 从电影由胶片转向数字的那一刻起，电影技术就与数字IT技术紧密相连，电影技术不再像过去一般发展缓慢，而是搭上了数字技术的火箭，以一种日 新月异的新姿态冲击着业界人士的思维观念。过去电影一直以视听媒体高端产业自居，电影界与电视界之间泾渭分明，但在数字时代这两者在技术上 的壁垒渐渐被打破，电影逐渐走下神坛，不用有大资金的支持也能制作电影。而且随着民用数字视听设备的不断更新换代，4K分辨率的显示器进入百 姓家庭指日可待，届时各种视频媒体市场对4K节目的需求也将会越来越大。 但仅就目前而言，国内电影界才刚从胶片时代转型，许多2K数字模式下的摄影技巧尚在摸索阶段，更遑论4K拍摄，因此4K片源短期内不会很多。而在 放映端，4K节目适用的巨幕电影对观众还是有比较大的吸引力。对于这种超大运动画面，有特定的场景能够充分展现其独有的视觉冲击力，一旦出现 一部能够充分展现4K技术优势的超级大片，将会迅速引爆票房人气为影院带来可观的收益，就比如2010年上映的《阿凡达》，又比如时隔15年依旧火 爆的《泰坦尼克》。况且2K和4K系统在放映端双向兼容，因此影院不必过分担忧4K片源的问题，可根据自身情况，选择较大的放映厅尝试应用4K数字 放映。