宋 强

(中国电影科学技术研究所,北京100086)

全国乃至全球的科技场馆巨幕影院到今天为止,仍然以70mm 胶片 (IMAX)放映为主。随着电影数字化演进,主流商业影院已经全面转换为数字化放映。主流商业影院的全面数字化致使全球的内容生产商大多转向电影的数字化拍摄。由此,为科技场馆胶片巨幕影院生产的影片内容越来越少。

全国的科技场馆巨幕影院承载着科普等公益职能,丰富和拓展科技场馆胶片巨幕影院是当下电影人的重要责任。可是,科技场馆胶片巨幕影院的银幕尺寸巨大,不能简单套用一般商业数字影院的播放系统和设备。直接转型为数字IMAX 影院,则又会面临投入成本高、片源母版制作成本高等现实问题。因此,必须首先解决科技场馆胶片巨幕影院向数字化放映转型的设备选型。其次,在确定终端放映格式的基础上,研究数字化转型后的母版DCP技术格式问题。最后,在实现前述两项工作的基础上,研究梳理用于科技场馆巨幕影院的数字巨幕影像制作技术及工艺流程,进而撬动科技场馆巨幕影院的内容生产及发行放映的全产业链,实现科技场馆数字巨幕影院的内容生态建设。

本文主要从三个部分阐述科技场馆巨幕影院内容产业建设的主要技术难点,特别是数字巨幕影像制作技术及工艺流程研究,希望引起同行的关注和思考,共同推进科技场馆数字巨幕影院的繁荣与发展。

1 科技场馆巨幕 (胶片) 影院向数字化放映转型的设备选择

本文说的(科技场馆)数字巨幕影院并非主流商业数字影院的数字巨幕影院,比如数字IMAX、中国巨幕等,而是指国内科技场馆的已有胶片巨幕影院,进行数字化改造放映后的数字巨幕影厅。与主流商业数字巨幕影院相比,科技场馆改造后的数字巨幕影厅应该具有更大的银幕尺寸。例如中国科学技术馆巨幕影厅的银幕宽度为29.58m。

那么,这么超级巨大的银幕尺寸,用单台高流明激光数字放映机来完全打满,确实是个非常大的挑战。为什么首选单机高流明的解决方案,是为了降低成本,同时减少双机方案的影像重合所带来的额外的技术及商业专利等问题。

前期《面向科技场馆巨幕影院的数字巨幕影像制作技术及工艺流程研究》项目组 (以下简称项目组)调研时发现,全球数字影院放映机三大厂商中的两家,巴可和科视,曾经在其官方网站上推出过非常高流明的激光数字放映机。从理论上计算,如果是70000lm 的光通量,除去衰减等损耗外,完全可以满足宽29.58m 的银幕的亮度需求。

本着70000lm 是理想解决方案的思路,项目组在尝试联系国内外相关厂商后,最终选择了国内的激光光源公司,即山西汉威激光科技股份有限公司(以下简称山西汉威公司),后者可以对市场已有的数字放映机进行激光光源改造,替换成国产的高流明激光光源。实际上,项目组只是需要验证一下单机高流明激光数字放映机到底能适用多大的银幕画面尺寸,所需要的最核心技术指标为银幕中心亮度。

山西汉威公司为本次合作投入较多,优先将其购置的一台科视CP2230放映机拿出来用于高流明激光光源改造。科视CP2230是一台2K 放映机,所以芯片尺寸有限(不如4K 放映机芯片尺寸大),会影响光输出效率。

2019年夏天,改造好的高流明激光光源放映机(科视CP2230)运抵北京,项目组又面临没有适合的场地进行检测安装的难题。中国科技馆因为业务繁忙,若借用他们场地,每日测完还得将设备拉出,另外也不适合临时更换测试银幕,所以未在中国科技馆进行检测安装。后来,项目组寻求北京电影学院的帮助,在其第一放映室进行检测安装,将设备安装在机房放映室。虽然不是最佳的放映窗口,但这样的条件下,如果测量参数仍然有参考价值,那会更加说明该思路有效果。

2D 参数测试基本上是在第一放映室完成的。期间,为了匹配不同的银幕增益系数,项目组联系了安徽影星银幕公司,当时的考虑是,既然激光光源已经是国产,索性就采用更多国产产品。按照项目研究的需要,向对方定制了5块不同增益的数字银幕(1.0、1.4、1.6、1.8、2.2)。同样因为条件有限、经费有限,不可能定制一整张巨幕影院尺寸的银幕用来测试,只能根据指标测量时是点测光的契机,定制1m×1m 的尺寸。这使后面的测量耗费更多时间,并且对某些参数的准确性产生比较大的影响,好在本项目重点在于研究亮度。安徽影星银幕公司对项目组的工作也十分支持。准备好了银幕,安装好了放映机,下一步就是实际检测测试。

图1 单机高流明数字激光放映机相关参数现场测试

根据中宣部电影技术质量检测所的测试报告,实际检测测试基本情况如下：

(1)测试设备描述

①数字电影放映用投影机系统 (激光光源)为三色激光光源搭载于科视CP2230数字电影放映用投影机组成的投影机系统,输出光通量标称为70000lm;

②投影机系统镜头为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银幕大小为1m×1m,亮度系数标称分别为：1.0、1.4、1.6、1.8、2.2。

(2)2D 光学系统

①测试地点为北京电影学院第一放映室,放映窗口为安装有玻璃的观察口;

②2D 光学系统测试时,激光光源输出功率为65%;

③投影机系统放映距离为33m,放映画面宽度为26m;

④银幕中心亮度和色度测试时,银幕张挂在画面中心位置;

⑤亮度均匀度测量时,银幕张挂的位置为左、右边缘距离银幕中心均为8.1m,上边缘距离银幕中心3.8m,下边缘距离银幕中心3m;

⑥测量仪器架设位置为观众席座位区12 排1号,距离地面1.15m;)

表1 单机高流明数字激光放映机相关参数现场测试数据

⑦银幕张挂在放映室银幕前的升降杆上,根据测试项目移动银幕位置,如图2所示。

图2 单机高流明数字激光放映机相关参数现场测试-银幕位置

测量结果不是很理想,这里面有多方原因,比如场地条件的限制、测试银幕不能定制那么大等原因。即便如此,标称70000lm 的激光数字放映机,在26m 宽的银幕上,匹配白幕1.6,银幕中心亮度可达51.07cd/m,已超过DCI规范的48cd/m的标准,可以为国内科技场馆巨幕影院向数字化放映转型提供重要的参考。

因此,国内科技场馆巨幕影院向数字化放映转型,本文提出以下几点建议。

(1)将已有的较旧的4K 数字放映机进行改造。比如中国科技馆的巴可32b等,在本项目执行过程中,一直得到他们的关注。从目前的实测数据来看,如果将中国科技馆已有的2台巴可32b改造为高流明的激光光源,应该有能力达到打满29.58m 的巨幕尺寸要求。

表2 国际主流数字激光放映机型号及相关参数

(2)购买市场最新的4K 激光数字放映机。相对激光光源,氙灯光源的消耗成本较高,调研的资料一并整理见表2。

(3)尽量舍弃双机方案。双机方案涉及到双机影像重合,目前在此领域有着专利技术的公司,其双机系统报价不菲。而其他品牌的双机方案可能或多或少还会存在影像重合方面的问题。因此,不管是设备购置成本,还是未来母版格式进一步落入不可控,都不要轻易选择双机方案。随着数字技术的发展,有理由相信,单机高流明激光放映机是可以满足科技场馆巨幕影院的超大银幕尺寸数字化放映要求的。

综上所述,项目组最终实现了单机高流明激光数字放映机的实际测试,验证了现有单台高端激光数字放映机在满足 (科技场馆)数字巨幕影院放映要求方面的巨大潜力和可行性。

3D 放映不是项目组的研究重点,所以检测报告里面的数据是附加测试,用于有需要时的参考。3D部分的测试主要在八一电影制片厂的摄影棚里完成。

图3 单机高流明数字激光放映机3D模式下相关参数现场测试

2 科技场馆数字巨幕影院的母版DCP 格式

科技场馆巨幕影院的银幕尺寸一般会大于主流商业数字影院数字巨幕影院的银幕尺寸,因此除了沿用DCP这一通用母版发行放映格式外,尽量不要把主流商业数字影院的DCP简单、不加区别地直接用于科技场馆的数字巨幕影院。否则会出现清晰度不足的现象,因为主流商业数字影院的大多数影片发行还是2K 版本的DCP,偶有少数影片宣称以4K格式DCP发行,但还没有引起足够的重视。

因此,根据项目组以往制作主流商业数字影院DCP的经验,针对科技场馆巨幕影院的超大银幕尺寸,其母版放映格式DCP需要进行如下几方面优化考虑。

其一,必须全面提升为4K 图像容器 (4096×2160)和4K 图像分辨率 (水平方向4096像素,垂直方向以具体画幅比计算)。

其二,帧速率建议提升至60fps。毕竟银幕尺寸巨大,一些运动画面的连续性在60fps下会有相对好一些的视觉呈现。

其三,编码码率可以突破DCI规范多年以前建议的250Mbps。

其四,严格控制DCP 制作时的源母版输入质量。因为,源母版质量不好,即使有码率、帧速率也是无效的。

其五,尝试应用大色域技术,例如Rec.2020。

项目组沿着上述几个思路,做了以下基础测试。

表3 制作DCP测试前的输入源准备工作

表3是制作DCP测试前的输入源准备工作。从图像输入源的文件格式和文件大小来看,16bit的dpx和tiff文件应该是首要选择。国内常用DVS打包系统有时候对不同后期制作软件生成的12bit dpx文件不识别,所以这里便也不推荐 (表格中√表示文件可识别、可打包,×表示文件不被识别,当然,也可以选择其他DCP 制作系统,或许会识别)。32bit又显得文件过大,没有必要的空置信息,毕竟现在数字拍摄后的高端质量转码转成无压缩文件时,也是选择的16bit,所以32bit文件也被舍弃。

之后,基于tiff文件在任何操作系统下,不借助专业软件均可读出图像的优势,项目组优先选择16bit tiff文件做测试。

表4 用于数字巨幕影院母版DCP制作的相关测试参数

图4 不同格式母版DCP在影院放映测试的播放界面截图

受到实验放映的放映机型号限制 (型号为巴可4K-30L,且没有购买高帧率模块),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 文件则数字放映机提示为降维 (2K)播放。若是标配版的巴可4K-60L,如前述表格中的相关参数记载,应该播放4K 60fps没有任何问题。

事实上,从2019年夏天,华夏电影发行有限责任公司推出CINITY 影院系统,主打4K 3D 120fps(左右眼各120fps)以来,加上李安导演的《双子杀手》在全国以20几个版本发行上映来看(其中包含4K 60fps版本),4K 60fps的DCP应该已经不存在制作及发行放映方面的难题。

这个测试还说明,DVS打包系统可以将大色域Rec.2020色彩空间嵌入DCP,并且影院里面也能选择Rec.2020色彩空间。

综上所述,面向科技场馆数字巨幕影院的母版格式及优化,可概括为母版放映格式优选4K 60fps(稳妥起见,由2K 全面提升为4K,帧速率由24fps提升为60fps已经对图像质量有较大改善,所以为了兼容性考虑,编码码率的提升暂不考虑),且色彩空间为大色域Rec.2020 等。同时严格控制制作母版DCP阶段的源母版图像质量 (16 比特*.tif文件)。

至于市场现有的影院播放服务器是否全面兼容,这个可以在有了需求之后,自然会有产品厂商跟进。项目组提供的是系统化的未来解决方案。

3 面向科技场馆巨幕 (数字) 影院的数字巨幕影像制作技术及工艺流程研究

项目组先期拍摄了一组常规帧速率的4K 短片,后来又在此基础上拍摄了4K 60fps格式短片。在此,为了说明制作工艺和质量控制方法,选择一组数据即可。因为60fps处理起来比常规帧速率要难一些,并且,此前的母版DCP格式,也建议60fps,所以这部分内容以4K 60fps技术演示片的实际拍摄制作过程为例。

图5 4K 60fps大色域 (Rec.2020)格式制作工艺

4K 60fps 大色域 (Rec.2020)格式制作工艺(流程图)。

下面按照工艺流程讲述过程中的影像质量控制方法。

(1)摄影机的选择

不同的摄影机拍摄的图像质量差别很大,因此作为电影专业摄影,主要推荐3个品牌的摄影机厂商的产品用于4K 60fps格式拍摄：SONY、ARRI、RED。

SONY 旗下的Venice数字摄影机是新近备受国内市场欢迎的产品,可以支持浅压缩的59.94fps(相当于60fps)拍摄,且图像感光器件较好,对低照度等场景的还原能力强,双生感光度可以适应更多拍摄场景需要,可以拍摄6K 分辨率图像。

ARRI旗下的ALEXA LF 可以拍摄原生4.5K图像,且为大画幅成像器,最高可支持150fps拍摄。

RED 旗下的DSMC2产品可以拍摄8K 分辨率的图像,且可以达到60fps,4K 拍摄可以达到120fps-150fps(取决于画幅比)。

以上三种摄影机产品都可以满足4K 60fps格式拍摄,但是考虑到图像压缩和大色域的应用,项目组决定采用SONY venice为主 (2台自有RED EPIC 5K 数字摄影机为辅)来拍摄4K 60fps技术演示片。

(2)拍摄参数设定

图6 Venice摄影机现场拍摄参数设置

有些拍摄的通用参数是不区分电影摄影机型号的,比如4K 图像分辨率等。但是一些涉及到摄影机自身拾取影像能力的参数则各有不同。其实,在Venice摄影机内部,其对60fps的定义则是相当于60fps的59.94fps。好在现在的后期系统比较强大,所以暂且当做60fps来使用,毕竟更加欣赏Venice的宽容度、大色域能力以及暗场景噪波表现。当然,Venice的画质也是十分优秀,SONY 自定义的编码格式给后期制作留足了空间。

Venice的拍摄参数基本设定为：4K (17∶9,通过调取2.39∶1 画框的方式确认构图)、原生ISO500、基准帧速率59.94 fps (显示器显示为60fps,机器内部则是59.94fps)、电子快门180度、镜头主光圈5.6、录制RAW 文件。

另外两台EPIC 5K数字摄影机设置为：4K (3∶1压缩,这是不用其当做主机的理由之一)、原生ISO800、基准帧速率60fps、电子快门180 度、镜头光圈5.6、录制*.r3d文件格式。

现场通过灯光控制,使得三台摄影机的光圈不变,且曝光正常。

图7 RED EPIC RED EPIC SONY Venice

任何时候,项目组都强烈建议,在确认拍摄图像分辨率和帧数率后,都要以该摄影机的最高图像质量实现录制。比如,venice摄影机里,拍摄时的录制质量可以有不同选择。EPIC摄影机拍摄时可以选择录制图像的压缩比。这对于巨幕影院来说,太重要了。

(3)DIT 转码备份

DIT 环节有两个最重要的功能。第一,可以查验当天拍摄的素材是否准确无误。虽然,这个在现场拍摄时,会经过摄影机及相关数据工作人员的确认,但是当天工作结束之后,坐在后期机房里再次查验的感觉仍然会有所不同。第二,备份和转码。

备份环节,我们要特别注意确认备份后的图像质量,别因为拷贝过程中数据出现问题而不知道,给将来留下麻烦和遗憾。转码相对轻松一些,因为不涉及最终成片的图像质量。但是转码后的文件,其码率的选择和分辨率的选择也是相对重要的。分辨率选低了,剪辑的时候看不清画面;选高了,剪辑系统可能带不动,影响工作效率。

项目组在这次4K 60fps格式技术演示片的转码环节,选择了prores422 HQ 质量的1080p视频文件(*.mov)。

图8 DIT 转码

使用的DIT 软件为Davinci resolve16。之所以选择这款软件这个版本,是因为摄影机更新文件格式的速度较快,低版本的resolve已经不支持Venice摄影机最新拍摄录制的文件格式。

素材较大,转码时间一般较长,需要耐心等待。除非所使用的DIT 主机硬件特别强大。本次DIT 转码基本上是以时间换取经济效益,使用的硬件设备性能一般。正常的剧组拍摄不推荐这样。

(4)剪辑

剪辑一般不存在影响影片最终画面质量的情况,因为剪辑阶段使用的是代理文件,最终会在套底校色环节替换成原始图像素材RAW 文件。但是剪辑阶段也不宜使用太粗糙的文件,会影响对演员表演的观察以及整个场景画面的光影层次判断。

60fps的剪辑,一般剪辑软件还能支持。本项目选择的剪辑软件为final cut pro。

本项目拍摄的60fps画面,总共拍了9 遍,因此同步9个镜头画面就是一个问题。项目组条件有限,现场没有拾取同期音,所以也就没办法通过声音合板的方式实现同步。现场3机位同时拍摄的时候,项目组想了一个办法,就是用手机的手电筒功能作为同步的信号,也就是3台摄影机同时对准手机,手机打开手电筒功能,拍摄下手电筒一开一暗的瞬间,后期通过关键帧查找的方法,实现3台机位拍摄画面的同步。当然,这主要是用于研究方面的节省,不是常规剧组拍摄方式。

9个机位的画面做完同步之后,通过缩放的方式,同时呈现在一个屏幕里。剪辑的时候,根据音乐的节奏和叙事需要,从中选取最需要的瞬间。

图9 剪辑界面

本项目制作的技术演示片时长约1 分钟左右,实际上项目组拍摄的画面时长将近6分钟,只是作为技术演示和制作工艺流程探索,没必要使用那么长的素材。

剪辑之后,输出xml文件。xml文件里会携带原始素材的所有剪辑信息,后续用于原始素材的套底和校色十分方便。

图10 xml文件主要内容

(5)套底校色

套底校色是整部影片制作过程中非常重要的一个环节。很多影片,校色之前,你会觉得画面不够清晰、反差低、色彩毫无美感,近乎 “惨不忍睹”。但是校色之后,会有种眼前一亮的感觉,“哇,原来影片也不是那么差嘛”。这就是校色的重要功能。

校色环节因为要对原始图像的反差、亮度、色彩等信息进行较大范围的调整,所以会影响到最终的图像质量。因此,校色环节要特别注意,艺术创作的同时要“保护”好图像质量。

校色之前,首先借助剪辑阶段输出的xml文件,对即将用来校色的原始文件进行套底。这个过程并不复杂,但是前提是DIT 阶段转码一定要正确,也就是准确保留了原始文件到代理文件的元数据传递信息。

导入xml文件后,会指定一个原始文件的链接地址。我们依照此前编好的文件目录,指定文件寻址地址即可。导入原始图像文件后的校色时间线,会和剪辑阶段的最终输出时间线一致。

套底过程大多是校色系统的自动化过程,不需要过多解释什么。

在套底完成之后,正式校色之前,我们需要注意校色阶段的色彩空间指定。考虑到本项目研究的最终放映环境为科技场馆的数字巨幕影院,因此,色彩方面,项目组选择Rec.2020 色彩空间作为校色空间和最终输出的源母版色彩空间。其实,一般情况下,可以选择DCI P3色域作为校色空间和最终输出的源母版色彩空间,这样做的好处是,我们在监视器或放映机校色阶段,校色师看到和调校的色彩便是最终最为接近数字影院放映的色彩。

只是,Rec.2020色彩空间相比DCI P3色彩空间而言,其色域范围更大一些,所能展示和还原的色彩更加丰富。

套底和色彩空间设定完成,我们再检查一遍校色时间线,确认不缺少什么,便可以开始校色了。校色之前,还有一项重要工作,就是把监视器同样指定为Rec.2020色彩空间。

校色过程主要是校色师的艺术创作,这里不做过多讨论。

项目组拍摄的技术演示片经过剪辑后,时长约1分钟,采用了xml导入的方式,进行了套底和后续的校色。项目组所使用的校色系统为Baselight。主要是考虑到Baselight系统对不同摄影机拍摄的原始RAW 文件的支持。项目组已有的诸多校色系统经过数年的不再持续更新,已经略显功能不足。

图11 Baselight 4K 60fps校色

校色工作完成之后,距离我们的影片完成也就越来越近。

(6)4K 60fps源母版输出

校色完成之后,下一步就是图像部分的源母版输出。

此前DCP 测试实验时,我们已经得出制作DCP的源母版图像质量要尽可能高的结论。因此,项目组制作的4K 60fps技术演示片,选择此前DCP测试阶段推荐的4K 分辨率、16bit的*.tiff序列帧文件输出。

4K 16bit的*.tiff文件,图像质量较高,单张图像约在40MB以上,对后续源母版图像数据的拷贝和传输都提出更高要求,但这一切都是值得的,为了最终科技场馆数字巨幕影片的放映效果。

(7)4K 60fps发行母版DCP制作

项目组将4K 60fps的源母版*.tiff图像序列帧,导入母版DCP 制作系统DVS CLIPSTER,进行后续的DCP母版制作。

项目组制作的技术演示片母版DCP主要技术参数为：4K (4096×1716),JPEG2000编码,mxf封装,60fps,编码码率为250、500、1000Mbps三种可选。

遗憾的是,项目组现有的实验条件,暂时无法播放4K 60fps,只能从中提取2K 的图像部分,用于播放。行业内的更加高端的数字放映机产品可以播放4K 60fps格式母版DCP,只是价格相对昂贵。

但是,不管怎样,技术演示片的拍摄及制作基本上达到了项目组的预期。

4 结束语

在相当长的一段时间内,即便LED 等新型显示技术发展迅速,但是科技场馆巨幕 (胶片)影院的数字化放映转型及升级,仍然可以性价比较高的单机高流明激光数字放映机为主要解决方案。

全国的科技场馆巨幕影院,具备了形成科技场馆数字巨幕影院放映联盟的优势,基于本项目研究的数字巨幕影像制作技术和制作工艺,辅以优化后的DCP科技场馆数字巨幕影院的母版发行放映格式,可以打造一套完整的科技场馆数字巨幕影院的产业生态链条,希望业内相关领域的公司可以加速产品的开发和内容生产。