數字影院關鍵技術國產化可行性研究

牛小明

（中央宣傳部電影數字節目管理中心，北京100866）

1 背景

目前數字影院技術主要遵循DCI、SMPTE等國外組織制定的一系列標準，其中最廣為人知的DCI 1.2數字影院技術規范體系框架制定于2008年。十幾年之間，雖然國內還未有成體系技術標準框架可以取代，但是國內技術界已經在部分關鍵技術自主研發方面取得一定突破，尤其是圖像編碼、加密算法、LED顯示系統等方面都已取得了實質性進展。國內已經建立了具有自主知識產權的AVS/AVS2/AVS3系列標準體系，主要對標國外H.264/H.265/H.266相關標準體系。 國密算法主要采用橢圓曲線加密、雜湊等核心技術，建立了對標AES/RSA/SHA的SM1/SM2/SM3系列標準體系，并且逐步被ISO組織采納。LED顯示系統自主研發進展迅速，國內已有產品可達到行業標準要求，可以直接對標三星公司的Cine ma LED系統。

2 數字影院關鍵技術國產化可行性分析

本文主要就與圖像編碼、加密算法和顯示系統三方面相關的國產化可行性進行重點討論和分析，因為這三方面技術水平的提高能夠給觀影質量和內容安全帶來更多提升，更能夠體現我國數字影院國產化技術水準，也更具備可操作性。

2.1 圖像編碼國產化

圖像編碼是數字影院相關技術當中影響最終觀影質量的核心關鍵要素之一，其編碼方式直接決定了影片畫面的技術質量。目前DCI標準中數字影院的圖像編碼采用JPEG 2000算法，主要原因在于其支持更高分辨率、幀內編碼、去方塊效應、免收專利費、2K/4K漸進解碼等。但是JPEG 2000算法也有其相應不足，計算復雜度較高，特別是轉化為硬件實現時成本居高不下，目前涉及基于JPEG 2000 IP核的FPGA公板均價格不菲，且主要供應商均為國外廠商。另外，國際上H.26X系列標準也發展迅速，至今已從H.264、H.265演進至H.266。雖然H.26X系列標準主要以IPB編碼模式為主，但是也支持全I幀模式編碼。全I幀編碼模式僅考慮空間冗余，不考慮時間冗余，類似于JPEG 2000的圖像編碼模式。已有研究表明，H.264全I幀編碼在較高分辨率下，與JPEG 2000的編碼質量相差并不大。

而在國內的情況是，AVS標準從2003年開始推出第一代AVS1，截止2020年已陸續推出AVS＋、AVS2、AVS3三代技術體系框架。從第一代技術起，AVS主要對標的目標就是H.26 X系列標準。最新一代的AVS3標準支持很多先進特性，比如:將在增強檔次加入AI智能編碼技術，預計編碼效率將會比H.266提升20%左右。國家對于AVS標準從政策、產業都給予了重點支持，目前AVS標準羽翼漸豐，已經在高清產業、超高清產業、家庭影院等領域實現了廣泛應用。產業生態也越來越豐富，包括國產芯片終端都有豐富支持。

AVS2也支持全I幀編碼，其編碼工具也已開源，具備進行數字影院圖像編碼的可能性。本文就AVS2全I幀編碼模式與JPEG 2000進行了比對，結果如表1和圖1所示。

表1 測試序列幀技術參數

圖1 AVS2全I幀與JPEG 2000編碼比對

綜合分析實驗結果，AVS2全I幀編碼與JPEG 2000編碼就圖像失真率來講差別不大。JPEG 2000編碼的PSNR曲線更為平緩，AVS2全I幀編碼的PSNR曲線與碼率遞增接近線性關系。

鑒于以上結果，我們可以確認的是，AVS2可以達到與JPEG 2000數字影院圖像編碼同等質量。原因主要有三方面，第一:全I幀幀內編碼模式下AVS2編碼后圖像客觀質量和JPEG 2000基本相當；第二:AVS2的編碼器已經開源，開發方為北京大學團隊，為AVS2引入數字影院提供了相當的便利條件；第三:AVS2的解碼芯片已經量產，主要供貨商為華為，芯片型號是海思Hi3796 MV200，為AVS2的生態推廣提供了基礎。

同時我們應當注意到，要真正將AVS2應用于數字影院圖像編碼，仍有兩方面問題需要解決，第一:AVS2編碼如何封裝到MXF文件當中，目前仍沒有太多標準文檔可以參考；第二:AVS2全I幀編碼圖像還應做主觀評測。

2.2 加密算法國產化

加密算法是數字影院安全技術中的核心關鍵，其底層技術的選型直接決定著版權安全和文化安全的落實實效。目前DCI標準體系中采用AES算法進行內容加密，采用RSA算法進行密鑰再加密，采用SHA系列算法進行信息摘要。所選算法均源自美國技術體系，這些算法也都入選了ISO標準。

2019年10月26日頒布的《中華人民共和國密碼法》，為我國積極穩妥推進密碼技術體系國產化提供了法律依據。其中多條內容均指出，應加快推進各行業密碼標準再造。國密算法也應運而生，發展至今已經推出了SM1、SM2、SM3、SM4、SM9，其中和數字影院加密密切相關的是SM1、SM2和SM3。SM1對標AES算法，用于內容分組加密，算法沒有公開，但可以通過加密芯片的接口進行調用。SM2對標RSA算法，用于密鑰再加密，已順利獲批成為ISO標準。SM3對標SHA算法，用于信息摘要，也已順利獲批成為ISO標準。

SM1算法可以完成數據內容的對稱加解密，分組長度為128bit，密鑰長度為128bit，保護強度和加解密性能基本與AES相當，算法不公開，以IP核形式存在于專用芯片中，能夠抵御窮舉搜索、差分、線性等專用于破解分組加密的惡意攻擊。SM2算法主要采用類似橢圓曲線三次方程表達技術，實現非對稱加密。由于基于ECC，簽名速度和秘鑰生成速度都快于RSA 2048，密鑰長度為256bit，短于RSA 2048。由于基本原理為基于橢圓曲線上點群離散對數難題實現加解密，從數學原理上來講解決該問題要遠比大數質因子分解更為復雜，因此其安全強度要遠高于RSA 2048，約等同于RSA 3072的安全強度。SM3主要由中國科學院王云院士設計，采用雜湊算法實現信息摘要，長度為256位，安全強度與SHA－256基本等同，復雜度略高于SHA－256。

采用國密系列算法SM1、SM2、SM3有三點優勢，第一:SM系列算法復雜度、加解密性能整體高于DCI加密體系，尤其是SM2算法安全和性能超過RSA很多；第二:有利于后續迭代升級，不必受國外算法更新周期限制，完全由我國團隊研發，可真正保障可管可控；第三:采用完全自主知識產權的加解密算法，可以真正保障版權安全和文化安全落地實施。同時我們應考慮到國密算法落地實施到數字影院加密體系后，必然帶來配套軟件、硬件芯片的更新換代，要制定好技術實施路線。

2.3 顯示系統國產化

顯示系統關系著數字影院內容的最終呈現結果，是整個數字影院體系質量的最終保障。目前DCI標準主要采用投射式放映系統作為數字影院顯示終端，相關產品專利主要由國外公司提供的DLP技術所主導把控。投射式顯示系統的優點是畫面整體感覺晶瑩剔透，由于是反射光顯影，更接近人眼在真實世界當中的視覺感受。目前有氙燈光源和激光光源兩種，激光光源在色彩還原、亮度、飽和度以及故障率上有較大優勢。但是投射式最大的問題在于光效損失，普通電影播放時投射到銀幕經再次反射后一般只剩光源亮度的50%左右。立體電影普通光源光效損失一般會超過70%，激光光源光效損失一般也會超過60%。亮度不足的問題，影響了觀眾觀影感受，觀影時間稍長眼睛很容易疲勞。

國際上基于LED的可直視顯示系統已經有了快速發展，韓國三星公司陸續推出了寬度為10米、14米的Onyx Cinema LED系列產品，引起了全球注意。Onyx系統目前寬度最大可達14米，亮度遠高于傳統的投射式放映顯示系統，分辨率為4K，支持HDR，配合Onyx Sound還音系統給觀眾可以帶來較好的視聽感受，并且通過了DCI相關認證。國內的LED各大廠家也不甘落后，紛紛開始推出自己的微間距大尺寸可用于數字影院的顯示屏幕系統。例如:深圳市洲明科技有限公司的Unilumin UCA41產品已于今年通過了DCI認證，成為國內首款通過國際認證的LED產品。LED顯示系統最大優勢就是高亮度、高寬容度，由于亮度高其色彩還原度也更好。

三星Onyx系統與洲明Unilu min系統參數對比如表2所示:

表2 三星和洲明LED產品參數對比

圖2 洲明UC－A41產品應用場景

基于LED的可直視顯示系統國產技術與傳統投射式放映系統相比，主要有兩點優勢，第一:可從根本上解決傳統電影放映帶來的亮度不足問題，通過提質升級讓觀眾享受更好的觀影體驗。第二:采用國產LED技術，可以實現“彎道超車”戰略。因為在傳統投射式專利上已經被國外從上游進行了控制，終端也為科視、巴可、NEC等投影機廠商所壟斷。只有通過正在快速發展的“LED彎道”，才能實現超越，使我國電影放映處于世界領先水平。同時我們還要解決LED屏幕大規模生產良品率、具備聲音穿透能力的LED屏幕等關鍵核心問題，才能使國產LED選型產品真正落地于數字影院的大規模應用推廣。

圖3 三星Onyx影廳

3 數字影院國產化技術框架

經過上述章節的論述，AVS標準技術、國密算法和國產LED顯示系統經過技術組合，可以成為一種更適合我國國情和安全要求的數字影院總體技術框架，如圖4所示。

圖4 數字影院國產化替代總體技術方案框架

該技術方案框架主要采用AVS2、SM1、SM2、SM3和LED顯示系統等具備國產化優勢的自主知識產權技術。圖像編碼部分為AVS2全I幀壓縮，內容加密算法為SM1，密鑰再加密和摘要算法為SM2和SM3，鏈路加密算法為SM1，顯示系統為國產品牌LED顯示系統，封裝打包仍然采用MXF。

該技術方案框架具備一定優勢，在絕大部分關鍵底層技術方面具有可管可控的自主知識產權。采用國密算法可以獲得更自主可控的安全保障，采用LED顯示系統可以獲得亮度更高、寬容度更高、分辨率更高、色彩范圍更廣的觀影體驗，采用AVS2全I幀壓縮可以獲得不低于JEPG 2000編碼的圖像質量。

4 結論與展望

綜合以上數據分析和方案設想，數字影院技術進行國產化是可行的，將帶來知識產權更可控、成本更可控、版權安全和文化安全更有保障等優點。筆者希望本文能夠“拋磚引玉”，為業內單位及人員在涉及相關研究和實際工作時，提供一定程度的參考和借鑒。