云計算時代電影工業化體系構建策略與工程設計思考

劉 達

（中國電影科學技術研究所,北京100086）

1 引言

電影是科技進步的產物,是科技和藝術的融合體,是一種兼具工業屬性和文化屬性的特殊產品。進入新時代,我國經濟發展已由高速增長階段轉向高質量發展階段,內外部環境發生深刻變化,科技創新能力與技術應用水平成為決定綜合國力和國際競爭力的關鍵因素。

隨著膠片電影向數字電影整體轉換的全面完成、電影產業信息化建設和智能化升級的持續推進以及高新技術格式電影攝制播映的迅猛發展及廣泛應用,電影作為科技與文化的深度融合體,正呈現積極、迅猛、持續發展態勢,在此背景下,科技創新能力、高新技術研發與應用水平在電影產業發展中的支撐和引領作用愈加顯現和日益突出。

2 云計算支撐電影工業化體系構建和產業提質升級增效

近年來,云計算 (Cloud Computing)技術從概念階段迅速發展到落地應用,并不斷擴展到諸多行業和領域。云計算并不是一項全新的技術,其起源并有效融合并行計算 (Parallel Computing)、分布式計算 (Distributed Computing)、網格計算(Grid Computing)、虛擬化 (Virtualization)、面向服務架構(SOA)等技術和思想而形成。云計算技術由于在商業模式上實現重大創新,因而獲得巨大成功。一般來說,巨型機/大型機時代向微型計算機/個人計算機(PC)時代的發展演進被譽為信息通信技術(ICT)產業的第一次重大變革,微型計算機/個人計算機 (PC)時代向互聯網 (Internet)時代的發展演進被譽為信息通信技術 (ICT)產業的第二次重大變革,互聯網時代向云計算時代的發展演進被譽為信息通信技術 (ICT)產業的第三次重大變革(圖1),而且第三次變革相對于前兩次變革更為深刻、更具影響力,因而云計算技術在ICT 產業發展中占據不可低估的重要地位。

圖1 信息通信技術 (ICT)產業的三次重大變革

簡言之,云計算是一種基于互聯網的新型商業計算模型和信息服務模式,其通過將計算任務分布在資源池上,使用戶按需獲取計算能力、存儲空間和信息服務。云計算具有彈性服務、資源池化、按需服務、服務計費、泛在接入等技術特點,其服務類型涵蓋軟件 (Software)、平臺 (Platform)、基礎設施 (Infrastructure)三種基本模式,簡稱SPI模型,分別代表軟件即服務 (SaaS,Software as a Service)、平臺即服務 (PaaS,Platform as a Service)、基礎設施即服務 (IaaS,Infrastructure as a Service),即通過對底層軟硬件資源進行不同級別的封裝,進而將資源轉化為服務。一切皆服務(Everything as a Service)是云計算的發展要求和主旨思想。

云計算作為新一代信息通信技術 (ICT)領域的核心技術,是信息文化傳媒產業提質升級增效、業務與服務模式創新變革的重要力量,將對電影產業的發展升級產生重大而深遠的影響。迄今,電影產業已步入云計算時代,計算密集型應用 (Computing-Intensive Applications)持續增長,計算能力(算力)的顯著提升為計算密集型應用的實現提供了技術支撐和可行性方案。近年來,計算能力的有效提升主要源于以下諸多因素的綜合影響:(1)CPU/GPU/TPU/NPU/FPGA/SOC/SOPC等芯片的時鐘頻率和處理能力顯著提升；(2)單核體系結構加速向CPU 多核體系結構/GPU 眾核體系結構演進；(3)縱向擴展(Scale-Up)加速向橫向擴展 (Scale-Out)演進；(4)并行計算、分布式計算和云計算發展迅猛,應用日益廣泛和不斷深入；(5)高性能計算(High Performance Computing,HPC)/超級計算(Super Computing)發展迅猛,E 級 (Exascale)超算被公認為全球超算界的戰略發展制高點。

美國能源部橡樹嶺國家實驗室已于2018年6月宣布研制完成頂峰(Summit)超級計算機,其浮點運算速度峰值可達每秒20億億次,逼近我國神威·太湖之光超級計算機的2倍,中國超算連續5年世界第一的地位被美國所取代。近年來,全球超算強國都在加快布局下一代超算和籌劃研制E 級超算,預計到2021 年E 級超級計算機將會問世。迄今,由國防科技大學牽頭研制,運算速度預計可達 “天河二號”10倍以上的新一代百億億次級 (Exascale)超級計算機“天河三號E 級原型機系統”已在國家超算天津中心完成研制部署。超級計算 (高性能計算)不同于云計算,其主要面向國家公共服務重大工程項目和企事業單位用戶,而非個人用戶,且必須有效解決行業定制問題,提升行業契合度,以滿足行業發展需求。超算中心可作為電影后期模型渲染、特效制作等計算密集型業務的實施載體,通過在影視制作基地、影視產業園和超算中心之間部署高速光纖專線,以支撐大容量、高碼率影視素材與節目文件的高速和安全傳輸。

科技發展永無止境,隨著人類社會由信息時代向智慧時代發展演進,云計算技術也在與軟件定義網絡(SDN)、網絡功能虛擬化 (NFV)、人工智能(AI)、機器學習(ML)、大數據(Big Data)、物聯網(IOT)、無線傳感網 (WSN)、第五代移動通信(5G)等技術實現共融發展。此外,云數據中心(Cloud Data Center,CDC)、移動云計算 (Mobile Cloud Computing,MCC)、云端融合、車載云計算(Vehicle Cloud Computing)、綠色云計算 (Green Cloud Computing)等云核心基礎設施和相關新興衍生技術也在持續發展與應用。可以預見,云計算技術將在支撐電影工業化體系構建、促進電影產業提質升級增效和實現高質量發展中發揮不可低估的重要作用。

3 云計算時代電影工業化體系構建的基本原則與策略

電影工業化體系構建是一項龐大、復雜的系統工程,不僅需要電影行業加強完善頂層設計,以重大工程設計為抓手積極推進科技創新和高新技術應用,而且需要新一代信息通信技術 (ICT)的有力支撐。“構建工業化體系,鑄就新時代精品”是新時代對我國電影產業提出的發展需求,其中精品的內涵極其豐富,覆蓋精品電影、精品工藝、精品技術、精品系統、精品設施等內容。為適應上述發展需求,云計算時代電影工業化體系構建必須遵循以下基本原則:統籌科技創新和工匠精神；統籌頂層設計和工程實踐；社會效益和經濟效益并重。在以上基本原則的基礎之上,應當采取以下實施策略:

(1)適應技術演進趨勢和產業發展需求,科學規劃和有效規范電影拍攝制作整體技術流程與基本技術流程,加快推進家庭作坊、機器大工業制作模式向現代化工業與智能化生產制作模式的轉變。

(2)運用大數據挖掘分析、視覺預演 (Pre-Viz)、信息可視化 (Information Visualization)等技術,有效規避和降低電影制片風險,科學指導電影創作、制作和生產,提升電影產業的科學決策水平。

(3)支持基于高速互聯網和云計算平臺的電影網絡化分布式遠程跨域協同制作,加快創建 “強強聯合、優勢互補、協同創新”的電影制作新機制,構建云計算體系下的現代電影生產制作工藝流程和新型產業服務模式,為國產精品電影持續推出提供技術支撐和平臺保障。

(4)綜合運用計算機視覺 (Computer Vision)、大數據分析(Big Data Analysis)、人工智能 (Artificial Intelligence)、機器學習(Machine Learning)、深度學習 (Deep Learning)、生成式對抗網絡(GAN)等技術,創建基于自然界真實數據的大數據驅動的電影制作新模式。

(5)綜合運用計算機圖形圖像 (CG/CGI)、新興視聽技術 (4K/8K/3D/4D/HFR/HDR/WCG/Giant Screen/Immersive Audio)、虛擬攝制、虛擬資產、三維激光掃描、虛擬現實/增強現實/混合現實/全息 (VR/AR/MR/Holography)等技術,豐富、完善電影攝制手段,創新電影視覺表達方式,不斷增強拓展電影視覺表達的感知性與認知性。

(6)研究制定電影拍攝制作領域相關技術標準(覆蓋視覺預演、前期拍攝、后期制作、VFX 視效制作、母版制作等環節),并實施影片質量控制(QC)和流程優化,推進電影拍攝制作環節的規范化。

(7)高度重視安全 (Security)和版權 (Copyright),綜合運用數據加解密 (Encryption/Decryption)、密鑰管理 (Key Management)、數字水印(Digital Watermarking)、數字簽名 (Digital Signature)、可信計算 (Trusted Computing)、區塊鏈(Blockchain)等技術,保證電影內容安全和實施數字版權管理(DRM)。

(8)影視制作基地和影視產業園的規劃、布局和建設,要適應計算、應用和服務向云端遷移趨勢,積極推進云化、信息化和智能化建設,全面提升科技含量和綜合服務能力,避免低水平重復建設。

(9)高度重視電影工藝鏈中重大技術服務平臺建設和工程設計。平臺化是電影產業向專業化、集約化和更高層級發展演進的必由之路,重大技術服務平臺建設和工程設計是關鍵技術實現落地應用的必然要求。基于云計算平臺支撐重大技術服務平臺建設和工程設計,進而承載大規模、大數據、高碼率、多元化和多媒體業務,與新時代電影產業高質量發展的目標與需求高度契合。

4 云計算時代電影產業重大工程設計

4.1 電影云制作技術服務平臺建設工程

近年來電影制作領域呈現以下新特點、新趨勢、新需求: (1)全球化、網絡化、分布式、協作化、專業化、融合化成為基本趨勢；(2)制作功能加速整合,制作流程持續優化,促進制作功能和效率不斷提升； (3)制作規模和技術品質要求持續提升,制作分工愈加精細化、專業化；(4)前期拍攝和后期制作界限趨于模糊,銜接更加緊密,融合化趨勢明顯,電影大制作成為行業共識；(5)互聯網帶寬、運算和存儲成本趨于低廉化,基于個人計算機、移動工作站和筆記本電腦的通用計算與并行計算技術逐漸占據電影后期制作領域；(6)基于新興視聽技術的高新技術格式影片比重持續加大,顯著提升電影的視聽質量和觀影體驗；(7)云計算、超級計算、計算機視覺、智能科學在影視渲染、后期制作、動畫制作等領域的應用持續深化； (8)渲染農場(Render Farm)加速向云渲染 (Cloud Rendering)演進,以支撐高概念影片/視效影片制作和計算密集型應用；(9)電影后期制作/特效制作工具加速向云端遷移,軟件即服務 (SaaS)模式加快推廣應用；(10)面向便攜式移動智能終端,融合移動計算、云計算、移動互聯網等技術的移動云計算 (Mobile Cloud Computing,MCC)應用不斷提速。

適應電影制作發展的新特點、新趨勢、新需求,加快構建電影云制作技術服務平臺成為行業共識,以實現基于高速互聯網和云計算平臺的電影網絡化分布式遠程跨域協同制作。實施電影云制作對于電影產業未來發展將產生重大而深遠的影響:(1)通過創建強強聯合、優勢互補、協同創新的電影制作新機制,克服現有制作機構 “小而散”發展瓶頸,形成電影制作合力,促進精品電影持續推出,推動國產電影加快由高原邁向高峰；(2)創建云計算體系下的現代電影制作生產工藝流程和新型產業服務模式,促進電影制作工業化體系構建和自主技術標準制定,使我國電影制作水平、能力、效率和科技含量整體提升；(3)推動中國電影制作與國際接軌,使中國電影制作機構能夠承接更多國際制作項目,進而提升國際競爭力,有力推進電影強國建設。

電影云制作技術服務平臺是將云計算技術應用于電影分布式遠程跨域協同制作業務而實施的軟硬件系統實現,通常基于瀏覽器/服務器 (B/S)架構,其體系架構圖如圖2所示。從工程設計層面考慮,電影云制作技術服務平臺基于云計算技術和云數據中心(Cloud Data Center)網絡平臺,以支撐物理資源的分布式部署、虛擬資源的集中化管理和資源智能調配機制,進而實現電影的網絡化分布式遠程跨域協同制作,并以統一界面提供電影云制作技術服務。根據性能不同,可分為高性能計算環境、中高性能計算環境和低性能計算環境,以滿足不同服務等級協議(Service-Level Agreement,SLA)的制作需求。在資源虛擬化技術的支持下,服務平臺允許不同性能級別的物理資源進行優化組合,以滿足用戶的多元化計算和存儲需求。電影云制作平臺通常使用云服務質量 (QoS)參數 (可用性、可靠性、質量保證、用戶請求延時、響應時間、吞吐量等)來定義服務等級協議(SLA)。另外,云數據中心建設應綜合考慮選址、場地面積、電源設施與周邊環境、建設規模、計算能力、存儲能力、網絡帶寬、彈性能力、電能利用效率 (PUE)、系統吞吐量、安全機制。可基于不同備選節點的給定參數,采用整數線性優化 (Integer Linear Optimization)方法來確定最佳選址及資源配置方案。

圖2 電影云制作技術服務平臺體系架構圖

組成云數據中心的基礎組件涵蓋計算、存儲、通信、網絡、管理等模塊。關于計算資源部署,服務器可采用刀片服務器或機架服務器,前者節省空間,單位空間電力消耗大,后者空間占用大,電力消耗相對可控。在兩種類型服務器(刀片服務器/機架服務器)混合使用的情況下,擬采用網絡規劃方法來確定不同類型服務器的優化部署方案。關于存儲資源部署,采用網絡化存儲方案,選用基于存儲區域網(SAN)架構的磁盤陣列集群,并具備光纖通道(FC)和互聯網協議 (IP)融合組網能力,即支持FC-SAN 和IP-SAN 兩種組網模式,采用多控制器架構。關于通信和網絡資源部署,擬采用高性能數據總線和高速互聯網實現整個系統中各個組件之間的高速信息交換,并保證可靠性、實時性和一致性。在私有云數據中心開展示范應用的基礎上,未來電影云制作技術服務平臺將實現云制作業務由私有云模式向行業公有云/混合云模式的整體遷移,進而支撐全國范圍的遠程跨域協同制作。

內容安全和版權保護在電影云制作技術服務平臺建設中占據重要地位。云端數據安全與隱私保護是云計算健康可持續發展的核心要素,用戶與云服務提供商之間的信任問題一直是云計算推廣應用的關鍵阻礙,將可信計算(Trusted Computing)與云計算相結合是解決這一信任問題的重要方向。盡管基礎設施即服務 (IaaS)模式的可信云計算平臺(Trusted Cloud Computing Platform)理論模型已于2009年提出,但距離實用尚存較大差距。鑒于數字電影長期采用的公鑰基礎設施/認證中心 (PKI/CA)安全體系在云計算環境下面臨新情況和新問題,研究探索區塊鏈 (Blockchain)技術在云計算環境下數字電影系統中的應用模式和解決方案是電影行業在新時代面臨的重要課題。

4.2 電影大數據深度挖掘與智能分析平臺建設工程

近年來,大數據浪潮席卷全球,電影產業加速步入大數據時代。大數據 (Big Data)的主旨即通過對海量原始數據實施采集 (Capture)、清洗、預處理 (Extraction-Transformation-Loading,ETL)、存儲、集成、挖掘、分析、可視化 (Visualization)等處理,產生蘊含應用價值的深度數據,進而發現規律和把握趨勢,以服務產業發展和促進科學決策。大數據挖掘分析遵循數據 (Data)→信息 (Information)→知識 (Knowledge)→理解 (Understanding)→智慧(Wisdom)的演變流程。大數據與云計算密不可分,相輔相成,正是在云計算技術的有力支撐下,計算能力加快向數據端遷移。海量原始數據經離線批處理或在線實時處理,并使用自然語言處理(NLP)、數據挖掘、機器學習、數據分析、信息可視化等技術手段,使數據最終上升為人類智慧和科學決策行為,進而驅動人類社會向智慧社會發展升級。

迄今,繼實驗發現、理論預測和計算機仿真三大科研范式之后,數據密集型研究 (Data-Intensive Research)成為科學研究的第四范式。在大數據時代,數據(Data)成為重要戰略資源,其蘊含巨大應用價值。電影大數據涵蓋行業統計數據、政府監管數據、拍攝制作數據、富媒體數據、自媒體數據、播映設備日志數據、影院票務數據、影院傳感器數據等多種類型,并具有海量 (Volume)、多源(Multi-Source)、異構 (Heterogeneity)三個重要特征。大數據挖掘分析能夠幫助人類在紛繁復雜的信息中發現內在關聯性和演變趨勢,幫助人類定量分析影響決策的相關因素,從而保障決策的科學性和精準性。迄今,實施大數據挖掘、分析與可視化,已成為電影產業促進科學決策和實現高質量發展的重要技術手段。

適應大數據時代特征和電影產業發展需求,構建電影大數據深度挖掘與智能分析平臺成為發展共識。云計算是實現海量數據分布式計算與智能化分析的基礎平臺和關鍵支撐技術,可在超大規模用戶集聚情形下提供高可用性(High Availability,HA)服務,且服務成本具備競爭優勢；物聯網 (Internet of Things,IOT)是海量多源異構數據采集、感知和識別的關鍵技術。可基于云計算和物聯網基礎架構構建電影大數據深度挖掘與智能分析平臺 (圖3所示)。其中,云計算和物聯網提供基礎架構平臺,大數據挖掘與分析運行在基礎架構平臺之上。物聯網涵蓋感知層、傳送層和應用層,海量采集數據通過無線傳感網 (WSN)、高速互聯網和移動通信網向云計算平臺匯聚。云計算平臺對海量多源異構數據進行集聚、存儲和管理,并開展挖掘、分析、預測和決策,以滿足實時性應用需求。在面向大數據分析的云計算體系架構中,通常將計算單元和存儲單元整合構成計算/存儲節點,以實現計算與數據緊密結合,從而提升運算效率,這與傳統高性能計算環境中將具有高速運算能力的計算節點和具有大數據存儲能力的存儲節點通過網絡連接以獲得高速數據處理能力明顯不同。由此可見,大數據時代應當實施計算向數據遷移策略,創建計算/數據協作機制,進而實現計算和數據的有效融合。總之,電影大數據深度挖掘與智能分析平臺,將為中國電影高質量發展發揮積極有效的決策支撐作用。

圖3 電影大數據深度挖掘與智能分析平臺體系架構圖

4.3 基于智能科學技術的智慧電影和智慧影院建設工程

近年來,由云計算、大數據、物聯網、人工智能、機器學習、深度學習等驅動的新一輪科技革命正推動信息時代向智慧時代演進。智慧時代具有以下基本特征:計算能力更加強大；信息處理能力更加高效；人機交互能力更加自然；體系架構設計以數據為中心；自主學習能力類似人腦。信息時代向智慧時代演進的基本路徑涵蓋感知 (Perception)、學習 (Learning)、認知 (Cognition)和決策 (Decision)四大環節,算力 (Computing Power)、算法(Algorithm)和大數據 (Big Data)是支撐人類社會智能化演進升級的三大關鍵要素(圖4所示)。

圖4 智能化演進升級的基本路徑和關鍵支撐要素

智能科學技術涵蓋人工智能 (Artificial Intelligence)、機器學習 (Machine Learning)、深度學習(Deep Learning)、認知計算 (Cognitive Computing)、腦科學 (Brain Science)等范疇。機器學習是人工智能(AI)的核心領域,是計算機實現高精度認知的關鍵技術,其研究計算機如何模擬或實現人類學習行為獲取新知識新技能,以及重新組織已有知識結構使之增強完善以提升性能。具體來說,機器學習通過算法使機器從大量歷史數據中學習規律,建立并驗證模型,進而對新樣本做智能識別或對未來做分析預測,其最終目標是使學習或訓練建立的模型能夠很好地適用于新樣本,即模型具有強大的泛化能力 (Strong Generalization Power),避免過擬合 (Overfitting)和欠擬合 (Underfitting)現象發生,其中過擬合是機器學習面臨的主要障礙,其不能被根本消除,但要盡力緩解和降低。深度學習源于人工神經網絡 (Artificial Neural Network,ANN)相關研究。深度學習通過學習一種深層非線性網絡結構,對輸入數據逐級提取從底層到高層的特征,以科學建立從底層信號到高層語義的映射關系,進而實現復雜函數逼近。在云計算和大數據時代,得益于更加強大的算力、更大規模的數據集、能夠訓練更深層次網絡的技術,深度學習的發展和應用取得了長足進步。近年來在深度學習領域誕生了一種極具應用前景的模型即生成式對抗網絡(Generative Adversarial Networks,GAN),該模型通過生成模型 (Generative Model)和判別模型(Discriminative Model)的相互博弈學習來產生優質輸出,它提供了一種無需大量標注訓練數據就能學習深度表征的方式,非常值得電影行業關注和研究。

總之,發展智慧電影,建設智慧影院,積極推進電影產業的智能化制作、生產、運營、服務和管理,是新時代對電影產業提出的宏大目標和戰略訴求。當前,適應制作云端化、服務平臺化、影院智能化發展趨勢,設計規劃基于智能科學的智慧電影和智慧影院建設工程成為引領電影產業向更高層級發展的重大工程實踐。智慧電影和智慧影院示意圖如圖5所示,涉及拍攝、制作、發行、放映等基本環節,涵蓋強大計算處理能力、高效機器學習算法、優質深度學習模型、大數據體系架構、完備有效大數據集等重要支撐要素。

圖5 基于智能科學技術的智慧電影和智慧影院示意圖

5 結束語

伴隨中國特色社會主義進入新時代,中國電影已經步入提質升級增效的歷史新時期,高質量發展成為新時代中國電影發展的核心要義和重中之重。適應新時代發展需求,一方面要綜合運用基于計算機視覺、計算機圖形學、虛擬拍攝、機器學習和新興視聽技術的多元化電影攝制手段,基于云計算平臺和高速互聯網的電影網絡化分布式遠程跨域協同制作新機制,基于視覺預演 (PreViz)和大數據分析的電影制作服務新模式,來統籌推進精品電影制作生產；另一方面,要加快構建與云計算時代高度契合的電影信息化運營服務管理體系,全面提升電影產業的運營服務管理水平。總之,我國電影產業要以豐富產品、提升品質、深化改革和創新發展為主題,以大力發展與應用新一代信息通信技術和智能科學技術為抓手,積極實施創新驅動戰略和弘揚工匠精神,加快構建適應云計算時代發展需求的現代電影工業化體系并推進重大工程設計,進而實現電影大國向電影強國的歷史性跨越。