科技場館巨幕(膠片)影院的數字化轉換及相關影像制作技術研究

宋 強

(中國電影科學技術研究所,北京100086)

全國乃至全球的科技場館巨幕影院到今天為止,仍然以70mm 膠片 (IMAX)放映為主。隨著電影數字化演進,主流商業影院已經全面轉換為數字化放映。主流商業影院的全面數字化致使全球的內容生產商大多轉向電影的數字化拍攝。由此,為科技場館膠片巨幕影院生產的影片內容越來越少。

全國的科技場館巨幕影院承載著科普等公益職能,豐富和拓展科技場館膠片巨幕影院是當下電影人的重要責任。可是,科技場館膠片巨幕影院的銀幕尺寸巨大,不能簡單套用一般商業數字影院的播放系統和設備。直接轉型為數字IMAX 影院,則又會面臨投入成本高、片源母版制作成本高等現實問題。因此,必須首先解決科技場館膠片巨幕影院向數字化放映轉型的設備選型。其次,在確定終端放映格式的基礎上,研究數字化轉型后的母版DCP技術格式問題。最后,在實現前述兩項工作的基礎上,研究梳理用于科技場館巨幕影院的數字巨幕影像制作技術及工藝流程,進而撬動科技場館巨幕影院的內容生產及發行放映的全產業鏈,實現科技場館數字巨幕影院的內容生態建設。

本文主要從三個部分闡述科技場館巨幕影院內容產業建設的主要技術難點,特別是數字巨幕影像制作技術及工藝流程研究,希望引起同行的關注和思考,共同推進科技場館數字巨幕影院的繁榮與發展。

1 科技場館巨幕 (膠片) 影院向數字化放映轉型的設備選擇

本文說的(科技場館)數字巨幕影院并非主流商業數字影院的數字巨幕影院,比如數字IMAX、中國巨幕等,而是指國內科技場館的已有膠片巨幕影院,進行數字化改造放映后的數字巨幕影廳。與主流商業數字巨幕影院相比,科技場館改造后的數字巨幕影廳應該具有更大的銀幕尺寸。例如中國科學技術館巨幕影廳的銀幕寬度為29.58m。

那么,這么超級巨大的銀幕尺寸,用單臺高流明激光數字放映機來完全打滿,確實是個非常大的挑戰。為什么首選單機高流明的解決方案,是為了降低成本,同時減少雙機方案的影像重合所帶來的額外的技術及商業專利等問題。

前期《面向科技場館巨幕影院的數字巨幕影像制作技術及工藝流程研究》項目組 (以下簡稱項目組)調研時發現,全球數字影院放映機三大廠商中的兩家,巴可和科視,曾經在其官方網站上推出過非常高流明的激光數字放映機。從理論上計算,如果是70000lm 的光通量,除去衰減等損耗外,完全可以滿足寬29.58m 的銀幕的亮度需求。

本著70000lm 是理想解決方案的思路,項目組在嘗試聯系國內外相關廠商后,最終選擇了國內的激光光源公司,即山西漢威激光科技股份有限公司(以下簡稱山西漢威公司),后者可以對市場已有的數字放映機進行激光光源改造,替換成國產的高流明激光光源。實際上,項目組只是需要驗證一下單機高流明激光數字放映機到底能適用多大的銀幕畫面尺寸,所需要的最核心技術指標為銀幕中心亮度。

山西漢威公司為本次合作投入較多,優先將其購置的一臺科視CP2230放映機拿出來用于高流明激光光源改造。科視CP2230是一臺2K 放映機,所以芯片尺寸有限(不如4K 放映機芯片尺寸大),會影響光輸出效率。

2019年夏天,改造好的高流明激光光源放映機(科視CP2230)運抵北京,項目組又面臨沒有適合的場地進行檢測安裝的難題。中國科技館因為業務繁忙,若借用他們場地,每日測完還得將設備拉出,另外也不適合臨時更換測試銀幕,所以未在中國科技館進行檢測安裝。后來,項目組尋求北京電影學院的幫助,在其第一放映室進行檢測安裝,將設備安裝在機房放映室。雖然不是最佳的放映窗口,但這樣的條件下,如果測量參數仍然有參考價值,那會更加說明該思路有效果。

2D 參數測試基本上是在第一放映室完成的。期間,為了匹配不同的銀幕增益系數,項目組聯系了安徽影星銀幕公司,當時的考慮是,既然激光光源已經是國產,索性就采用更多國產產品。按照項目研究的需要,向對方定制了5塊不同增益的數字銀幕(1.0、1.4、1.6、1.8、2.2)。同樣因為條件有限、經費有限,不可能定制一整張巨幕影院尺寸的銀幕用來測試,只能根據指標測量時是點測光的契機,定制1m×1m 的尺寸。這使后面的測量耗費更多時間,并且對某些參數的準確性產生比較大的影響,好在本項目重點在于研究亮度。安徽影星銀幕公司對項目組的工作也十分支持。準備好了銀幕,安裝好了放映機,下一步就是實際檢測測試。

圖1 單機高流明數字激光放映機相關參數現場測試

根據中宣部電影技術質量檢測所的測試報告,實際檢測測試基本情況如下：

(1)測試設備描述

①數字電影放映用投影機系統 (激光光源)為三色激光光源搭載于科視CP2230數字電影放映用投影機組成的投影機系統,輸出光通量標稱為70000lm;

②投影機系統鏡頭為1.25-1.83：1 (1.13-1.66：1 4K)ZOOM HB pgBFL 116.5mm DLP Cinema 2.5/35.2-51.6mm KONICA MINOLTA;

③銀幕大小為1m×1m,亮度系數標稱分別為：1.0、1.4、1.6、1.8、2.2。

(2)2D 光學系統

①測試地點為北京電影學院第一放映室,放映窗口為安裝有玻璃的觀察口;

②2D 光學系統測試時,激光光源輸出功率為65%;

③投影機系統放映距離為33m,放映畫面寬度為26m;

④銀幕中心亮度和色度測試時,銀幕張掛在畫面中心位置;

⑤亮度均勻度測量時,銀幕張掛的位置為左、右邊緣距離銀幕中心均為8.1m,上邊緣距離銀幕中心3.8m,下邊緣距離銀幕中心3m;

⑥測量儀器架設位置為觀眾席座位區12 排1號,距離地面1.15m;)

表1 單機高流明數字激光放映機相關參數現場測試數據

⑦銀幕張掛在放映室銀幕前的升降桿上,根據測試項目移動銀幕位置,如圖2所示。

圖2 單機高流明數字激光放映機相關參數現場測試-銀幕位置

測量結果不是很理想,這里面有多方原因,比如場地條件的限制、測試銀幕不能定制那么大等原因。即便如此,標稱70000lm 的激光數字放映機,在26m 寬的銀幕上,匹配白幕1.6,銀幕中心亮度可達51.07cd/m,已超過DCI規范的48cd/m的標準,可以為國內科技場館巨幕影院向數字化放映轉型提供重要的參考。

因此,國內科技場館巨幕影院向數字化放映轉型,本文提出以下幾點建議。

(1)將已有的較舊的4K 數字放映機進行改造。比如中國科技館的巴可32b等,在本項目執行過程中,一直得到他們的關注。從目前的實測數據來看,如果將中國科技館已有的2臺巴可32b改造為高流明的激光光源,應該有能力達到打滿29.58m 的巨幕尺寸要求。

表2 國際主流數字激光放映機型號及相關參數

(2)購買市場最新的4K 激光數字放映機。相對激光光源,氙燈光源的消耗成本較高,調研的資料一并整理見表2。

(3)盡量舍棄雙機方案。雙機方案涉及到雙機影像重合,目前在此領域有著專利技術的公司,其雙機系統報價不菲。而其他品牌的雙機方案可能或多或少還會存在影像重合方面的問題。因此,不管是設備購置成本,還是未來母版格式進一步落入不可控,都不要輕易選擇雙機方案。隨著數字技術的發展,有理由相信,單機高流明激光放映機是可以滿足科技場館巨幕影院的超大銀幕尺寸數字化放映要求的。

綜上所述,項目組最終實現了單機高流明激光數字放映機的實際測試,驗證了現有單臺高端激光數字放映機在滿足 (科技場館)數字巨幕影院放映要求方面的巨大潛力和可行性。

3D 放映不是項目組的研究重點,所以檢測報告里面的數據是附加測試,用于有需要時的參考。3D部分的測試主要在八一電影制片廠的攝影棚里完成。

圖3 單機高流明數字激光放映機3D模式下相關參數現場測試

2 科技場館數字巨幕影院的母版DCP 格式

科技場館巨幕影院的銀幕尺寸一般會大于主流商業數字影院數字巨幕影院的銀幕尺寸,因此除了沿用DCP這一通用母版發行放映格式外,盡量不要把主流商業數字影院的DCP簡單、不加區別地直接用于科技場館的數字巨幕影院。否則會出現清晰度不足的現象,因為主流商業數字影院的大多數影片發行還是2K 版本的DCP,偶有少數影片宣稱以4K格式DCP發行,但還沒有引起足夠的重視。

因此,根據項目組以往制作主流商業數字影院DCP的經驗,針對科技場館巨幕影院的超大銀幕尺寸,其母版放映格式DCP需要進行如下幾方面優化考慮。

其一,必須全面提升為4K 圖像容器 (4096×2160)和4K 圖像分辨率 (水平方向4096像素,垂直方向以具體畫幅比計算)。

其二,幀速率建議提升至60fps。畢竟銀幕尺寸巨大,一些運動畫面的連續性在60fps下會有相對好一些的視覺呈現。

其三,編碼碼率可以突破DCI規范多年以前建議的250Mbps。

其四,嚴格控制DCP 制作時的源母版輸入質量。因為,源母版質量不好,即使有碼率、幀速率也是無效的。

其五,嘗試應用大色域技術,例如Rec.2020。

項目組沿著上述幾個思路,做了以下基礎測試。

表3 制作DCP測試前的輸入源準備工作

表3是制作DCP測試前的輸入源準備工作。從圖像輸入源的文件格式和文件大小來看,16bit的dpx和tiff文件應該是首要選擇。國內常用DVS打包系統有時候對不同后期制作軟件生成的12bit dpx文件不識別,所以這里便也不推薦 (表格中√表示文件可識別、可打包,×表示文件不被識別,當然,也可以選擇其他DCP 制作系統,或許會識別)。32bit又顯得文件過大,沒有必要的空置信息,畢竟現在數字拍攝后的高端質量轉碼轉成無壓縮文件時,也是選擇的16bit,所以32bit文件也被舍棄。

之后,基于tiff文件在任何操作系統下,不借助專業軟件均可讀出圖像的優勢,項目組優先選擇16bit tiff文件做測試。

表4 用于數字巨幕影院母版DCP制作的相關測試參數

圖4 不同格式母版DCP在影院放映測試的播放界面截圖

受到實驗放映的放映機型號限制 (型號為巴可4K-30L,且沒有購買高幀率模塊),4k24fps2020_16bit.tiff格式的250、500、1000Mbps DCP文件均可正常播放,而4k60fps2020_16bit.tiff 格式的250、500、1000Mbps DCP 文件則數字放映機提示為降維 (2K)播放。若是標配版的巴可4K-60L,如前述表格中的相關參數記載,應該播放4K 60fps沒有任何問題。

事實上,從2019年夏天,華夏電影發行有限責任公司推出CINITY 影院系統,主打4K 3D 120fps(左右眼各120fps)以來,加上李安導演的《雙子殺手》在全國以20幾個版本發行上映來看(其中包含4K 60fps版本),4K 60fps的DCP應該已經不存在制作及發行放映方面的難題。

這個測試還說明,DVS打包系統可以將大色域Rec.2020色彩空間嵌入DCP,并且影院里面也能選擇Rec.2020色彩空間。

綜上所述,面向科技場館數字巨幕影院的母版格式及優化,可概括為母版放映格式優選4K 60fps(穩妥起見,由2K 全面提升為4K,幀速率由24fps提升為60fps已經對圖像質量有較大改善,所以為了兼容性考慮,編碼碼率的提升暫不考慮),且色彩空間為大色域Rec.2020 等。同時嚴格控制制作母版DCP階段的源母版圖像質量 (16 比特*.tif文件)。

至于市場現有的影院播放服務器是否全面兼容,這個可以在有了需求之后,自然會有產品廠商跟進。項目組提供的是系統化的未來解決方案。

3 面向科技場館巨幕 (數字) 影院的數字巨幕影像制作技術及工藝流程研究

項目組先期拍攝了一組常規幀速率的4K 短片,后來又在此基礎上拍攝了4K 60fps格式短片。在此,為了說明制作工藝和質量控制方法,選擇一組數據即可。因為60fps處理起來比常規幀速率要難一些,并且,此前的母版DCP格式,也建議60fps,所以這部分內容以4K 60fps技術演示片的實際拍攝制作過程為例。

圖5 4K 60fps大色域 (Rec.2020)格式制作工藝

4K 60fps 大色域 (Rec.2020)格式制作工藝(流程圖)。

下面按照工藝流程講述過程中的影像質量控制方法。

(1)攝影機的選擇

不同的攝影機拍攝的圖像質量差別很大,因此作為電影專業攝影,主要推薦3個品牌的攝影機廠商的產品用于4K 60fps格式拍攝：SONY、ARRI、RED。

SONY 旗下的Venice數字攝影機是新近備受國內市場歡迎的產品,可以支持淺壓縮的59.94fps(相當于60fps)拍攝,且圖像感光器件較好,對低照度等場景的還原能力強,雙生感光度可以適應更多拍攝場景需要,可以拍攝6K 分辨率圖像。

ARRI旗下的ALEXA LF 可以拍攝原生4.5K圖像,且為大畫幅成像器,最高可支持150fps拍攝。

RED 旗下的DSMC2產品可以拍攝8K 分辨率的圖像,且可以達到60fps,4K 拍攝可以達到120fps-150fps(取決于畫幅比)。

以上三種攝影機產品都可以滿足4K 60fps格式拍攝,但是考慮到圖像壓縮和大色域的應用,項目組決定采用SONY venice為主 (2臺自有RED EPIC 5K 數字攝影機為輔)來拍攝4K 60fps技術演示片。

(2)拍攝參數設定

圖6 Venice攝影機現場拍攝參數設置

有些拍攝的通用參數是不區分電影攝影機型號的,比如4K 圖像分辨率等。但是一些涉及到攝影機自身拾取影像能力的參數則各有不同。其實,在Venice攝影機內部,其對60fps的定義則是相當于60fps的59.94fps。好在現在的后期系統比較強大,所以暫且當做60fps來使用,畢竟更加欣賞Venice的寬容度、大色域能力以及暗場景噪波表現。當然,Venice的畫質也是十分優秀,SONY 自定義的編碼格式給后期制作留足了空間。

Venice的拍攝參數基本設定為：4K (17∶9,通過調取2.39∶1 畫框的方式確認構圖)、原生ISO500、基準幀速率59.94 fps (顯示器顯示為60fps,機器內部則是59.94fps)、電子快門180度、鏡頭主光圈5.6、錄制RAW 文件。

另外兩臺EPIC 5K數字攝影機設置為：4K (3∶1壓縮,這是不用其當做主機的理由之一)、原生ISO800、基準幀速率60fps、電子快門180 度、鏡頭光圈5.6、錄制*.r3d文件格式。

現場通過燈光控制,使得三臺攝影機的光圈不變,且曝光正常。

圖7 RED EPIC RED EPIC SONY Venice

任何時候,項目組都強烈建議,在確認拍攝圖像分辨率和幀數率后,都要以該攝影機的最高圖像質量實現錄制。比如,venice攝影機里,拍攝時的錄制質量可以有不同選擇。EPIC攝影機拍攝時可以選擇錄制圖像的壓縮比。這對于巨幕影院來說,太重要了。

(3)DIT 轉碼備份

DIT 環節有兩個最重要的功能。第一,可以查驗當天拍攝的素材是否準確無誤。雖然,這個在現場拍攝時,會經過攝影機及相關數據工作人員的確認,但是當天工作結束之后,坐在后期機房里再次查驗的感覺仍然會有所不同。第二,備份和轉碼。

備份環節,我們要特別注意確認備份后的圖像質量,別因為拷貝過程中數據出現問題而不知道,給將來留下麻煩和遺憾。轉碼相對輕松一些,因為不涉及最終成片的圖像質量。但是轉碼后的文件,其碼率的選擇和分辨率的選擇也是相對重要的。分辨率選低了,剪輯的時候看不清畫面;選高了,剪輯系統可能帶不動,影響工作效率。

項目組在這次4K 60fps格式技術演示片的轉碼環節,選擇了prores422 HQ 質量的1080p視頻文件(*.mov)。

圖8 DIT 轉碼

使用的DIT 軟件為Davinci resolve16。之所以選擇這款軟件這個版本,是因為攝影機更新文件格式的速度較快,低版本的resolve已經不支持Venice攝影機最新拍攝錄制的文件格式。

素材較大,轉碼時間一般較長,需要耐心等待。除非所使用的DIT 主機硬件特別強大。本次DIT 轉碼基本上是以時間換取經濟效益,使用的硬件設備性能一般。正常的劇組拍攝不推薦這樣。

(4)剪輯

剪輯一般不存在影響影片最終畫面質量的情況,因為剪輯階段使用的是代理文件,最終會在套底校色環節替換成原始圖像素材RAW 文件。但是剪輯階段也不宜使用太粗糙的文件,會影響對演員表演的觀察以及整個場景畫面的光影層次判斷。

60fps的剪輯,一般剪輯軟件還能支持。本項目選擇的剪輯軟件為final cut pro。

本項目拍攝的60fps畫面,總共拍了9 遍,因此同步9個鏡頭畫面就是一個問題。項目組條件有限,現場沒有拾取同期音,所以也就沒辦法通過聲音合板的方式實現同步。現場3機位同時拍攝的時候,項目組想了一個辦法,就是用手機的手電筒功能作為同步的信號,也就是3臺攝影機同時對準手機,手機打開手電筒功能,拍攝下手電筒一開一暗的瞬間,后期通過關鍵幀查找的方法,實現3臺機位拍攝畫面的同步。當然,這主要是用于研究方面的節省,不是常規劇組拍攝方式。

9個機位的畫面做完同步之后,通過縮放的方式,同時呈現在一個屏幕里。剪輯的時候,根據音樂的節奏和敘事需要,從中選取最需要的瞬間。

圖9 剪輯界面

本項目制作的技術演示片時長約1 分鐘左右,實際上項目組拍攝的畫面時長將近6分鐘,只是作為技術演示和制作工藝流程探索,沒必要使用那么長的素材。

剪輯之后,輸出xml文件。xml文件里會攜帶原始素材的所有剪輯信息,后續用于原始素材的套底和校色十分方便。

圖10 xml文件主要內容

(5)套底校色

套底校色是整部影片制作過程中非常重要的一個環節。很多影片,校色之前,你會覺得畫面不夠清晰、反差低、色彩毫無美感,近乎 “慘不忍睹”。但是校色之后,會有種眼前一亮的感覺,“哇,原來影片也不是那么差嘛”。這就是校色的重要功能。

校色環節因為要對原始圖像的反差、亮度、色彩等信息進行較大范圍的調整,所以會影響到最終的圖像質量。因此,校色環節要特別注意,藝術創作的同時要“保護”好圖像質量。

校色之前,首先借助剪輯階段輸出的xml文件,對即將用來校色的原始文件進行套底。這個過程并不復雜,但是前提是DIT 階段轉碼一定要正確,也就是準確保留了原始文件到代理文件的元數據傳遞信息。

導入xml文件后,會指定一個原始文件的鏈接地址。我們依照此前編好的文件目錄,指定文件尋址地址即可。導入原始圖像文件后的校色時間線,會和剪輯階段的最終輸出時間線一致。

套底過程大多是校色系統的自動化過程,不需要過多解釋什么。

在套底完成之后,正式校色之前,我們需要注意校色階段的色彩空間指定。考慮到本項目研究的最終放映環境為科技場館的數字巨幕影院,因此,色彩方面,項目組選擇Rec.2020 色彩空間作為校色空間和最終輸出的源母版色彩空間。其實,一般情況下,可以選擇DCI P3色域作為校色空間和最終輸出的源母版色彩空間,這樣做的好處是,我們在監視器或放映機校色階段,校色師看到和調校的色彩便是最終最為接近數字影院放映的色彩。

只是,Rec.2020色彩空間相比DCI P3色彩空間而言,其色域范圍更大一些,所能展示和還原的色彩更加豐富。

套底和色彩空間設定完成,我們再檢查一遍校色時間線,確認不缺少什么,便可以開始校色了。校色之前,還有一項重要工作,就是把監視器同樣指定為Rec.2020色彩空間。

校色過程主要是校色師的藝術創作,這里不做過多討論。

項目組拍攝的技術演示片經過剪輯后,時長約1分鐘,采用了xml導入的方式,進行了套底和后續的校色。項目組所使用的校色系統為Baselight。主要是考慮到Baselight系統對不同攝影機拍攝的原始RAW 文件的支持。項目組已有的諸多校色系統經過數年的不再持續更新,已經略顯功能不足。

圖11 Baselight 4K 60fps校色

校色工作完成之后,距離我們的影片完成也就越來越近。

(6)4K 60fps源母版輸出

校色完成之后,下一步就是圖像部分的源母版輸出。

此前DCP 測試實驗時,我們已經得出制作DCP的源母版圖像質量要盡可能高的結論。因此,項目組制作的4K 60fps技術演示片,選擇此前DCP測試階段推薦的4K 分辨率、16bit的*.tiff序列幀文件輸出。

4K 16bit的*.tiff文件,圖像質量較高,單張圖像約在40MB以上,對后續源母版圖像數據的拷貝和傳輸都提出更高要求,但這一切都是值得的,為了最終科技場館數字巨幕影片的放映效果。

(7)4K 60fps發行母版DCP制作

項目組將4K 60fps的源母版*.tiff圖像序列幀,導入母版DCP 制作系統DVS CLIPSTER,進行后續的DCP母版制作。

項目組制作的技術演示片母版DCP主要技術參數為：4K (4096×1716),JPEG2000編碼,mxf封裝,60fps,編碼碼率為250、500、1000Mbps三種可選。

遺憾的是,項目組現有的實驗條件,暫時無法播放4K 60fps,只能從中提取2K 的圖像部分,用于播放。行業內的更加高端的數字放映機產品可以播放4K 60fps格式母版DCP,只是價格相對昂貴。

但是,不管怎樣,技術演示片的拍攝及制作基本上達到了項目組的預期。

4 結束語

在相當長的一段時間內,即便LED 等新型顯示技術發展迅速,但是科技場館巨幕 (膠片)影院的數字化放映轉型及升級,仍然可以性價比較高的單機高流明激光數字放映機為主要解決方案。

全國的科技場館巨幕影院,具備了形成科技場館數字巨幕影院放映聯盟的優勢,基于本項目研究的數字巨幕影像制作技術和制作工藝,輔以優化后的DCP科技場館數字巨幕影院的母版發行放映格式,可以打造一套完整的科技場館數字巨幕影院的產業生態鏈條,希望業內相關領域的公司可以加速產品的開發和內容生產。