从数字电影标准角度来看电影数字化技术的发展

Ｃ　｜￡ＭｌＣＡｌ　Ｓ　Ａ　ＤＡ鬏Ｄ　从数字电影标准角度来看电影数字化技术的发展　傅惠玉　，翁山宝　，李保民。　（１．上海第二工业大学，上海２０１２０９；２．上海电影技术厂，上海２０００７１；３．中国乐凯胶片集团公司，保定０７１０５４）　

摘要：数字电影系统是用ＳＭＰＴＥ标准来定义的，由国际标准化组织通过使用特殊的“快速工作程序”，　将这些标准再转化成ＩＳＯ国际标准。标准化数字电影的目标之一是确保获得高质量的图像和声音，这个目标体　现在图像压缩、空间分辨率和色彩保真度标准的技术细节上。ＤＣＰ是一个整体，它包含所有图像、声音和字幕　轨文件、及合成播放列表、打包列表、资产映射和一个可选的容积指数。数字电影的技术标准已认定：２Ｋ／４Ｋ　必须采用ＪＰＥＧ　２０００格式进行图像编码，声音用非压缩存储，ＤＣＰ采用ＭＸＦ和ＸＭＬ文件格式，ＭＸＦ轨文件　的加密使用１２８比特密钥的ＡＥＳ系统，这个系统是一个对称的加密系统，单一密钥用来加密和解密文件，并要　求内容密钥置于密钥传送消息（ＫＤＭ）中以安全方式传送至授权影院并放映。本文较详细的叙述了数字电影的　基本技术、标准和ＩＸ：Ｐ制作等。　关键词：数字电影标准；数字电影打包；合成播放列表；密钥传送消息；打包列表；存档　中图分类号：ＴＢ８５３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—５６２４一（２０１２）０２—００５８—０６　

１　引言　在近几年中，数字技术在电影和电视摄制、　后期制作和展览诸多方面已经取得了相当的成功，　尤其是在２０１０年上海世博会各国场馆中的数字放　映更是表现得淋漓尽致。这种技术上的根本性变　化对电影的制作和存档也有很大的影响。一方面　存档不仅可在数字电影上实现，而且可以把传统　电影扫描成数字格式进行数字修复，并且可以用　移动硬盘实施数字发行，在未来的几年中我国数　字电影拷贝将实现通过卫星传输发行；另一方面，　存档必须改变现有的程序或引进新工艺，因为数　字存储材料与胶片或录像带是不同的载体，数字　

收稿日期：２０１２—０３—０１　作者简介：傅惠￣，（１９５８一），女，副教授，就职于上海第二工业大学，　Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｙｆｕｈｙｆｕ＠１２６．ｃｏｍ　翁山宝（１９５６一），男，高级工程师，就职于上海电影技术　厂，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｎｇｓｈａｎｂａｏ２００９＠１６３．ｃｏｍ。　

墨＿　

电影中图像和声音将以数字计算机文件的形式　存档。　在近几年数字电影的发展中，虽然世界不同　地区使用的是不同的替代系统和解决方案，但在　大多数商业制作中使用的是数字影院倡导者联盟　（ＤＣＩ）的系统，ＤＣＩ是美国六大电影制作公司的　一个合资企业，他们为数字影院系统制定了一个　规范的标准。这个标准的许多部分已经被美国电　影电视工程师学会（ＳＭＰＴＥ）采纳，并由国际标　准化组织通过使用特殊的“快速工作程序”转化　成ＩＳ０国际标准。　

２基本技术和标准　目前大多数国家所使用的数字电影系统是用　ＳＭＰＴＥ标准来定义的，该标准文件对系统的基本　组成部分是十分有效的，而系统的附加功能和扩　展仍在做标准化工作，如最近发布的增补帧速率　信怠记录材糕　２０１２年　第　３卷　繁２麓　行姚标准　（ＡＦＲ）标准文件，介绍了与２４和４８ＦＰＳ不同的　其它帧速率，许多ＳＭＰＴＥ的数字影院标准也已被　ＩＳＯ的ＴＣ３６技术委员会所采纳。　在过去的几年中ＳＭＰＴＥ发布的标准已转化成　ＩＳＯ国际标准的有：数字影院发行母版（ＤＣＤＭ，　ＳＭＰＴＥ　４２８／ＩＳＯ　２６４２８）、数字电影打包（ＤＣＰ，　ＳＭＰＴＥ　４２９／ＩＳＯ　２６４２９）、数字影院运营（包括对　加密包的密钥管理，ＳＭＰＴＥ　４３０／ＩＳＯ　２６４３０）、数　字影院质量（ＳＭＰＴＥ　４３１／ＩＳＯ　２６４３１）、数字源处　理（ＳＭＰＴＥ　４３２／ＩＳＯ　２６４３２）和数字影院一ＸＭＬ　数据类型（　仰ＴＥ　４３３／ＩＳＯ　２６４３３）。　ＤＣＩ／ＳＭＰＴＥ数字电影系统以数字电影打包　（ＤＣＰ）为中心，ＤＣＰ是压缩格式，它以这种格式　传送到授权影院并放映。数字电影基本上是单独　的一个文件，而ＤＣＰ是一套文件，其中包含图像、　声音、字幕和其它控制播放及内容加密的文件。　图像和声音存储在被称为轨文件的单独文件中，　且可分成几卷。一套完整的图像、声音和字幕数　据也可分割成任意持续时间的几个文件，播放顺　序由一个合成播放列表（ＣＰＬ）所控制，这个列表　包括图像、声音和字幕文件的引用。例如，可建　立一个多种语言的ＤＣＰ，它只包含一个图像轨文　件及几个音轨文件。一种语言归在一个音轨文件　中，每一个ＣＰＬ包含共享的图像轨文件和每种语　言音轨文件的引用。　３数字电影打包　ＤＣＰ的主要目的是在一个高质量水平上作为　一个灵活、安全的数字电影交付和放映的格式，　此格式仅需要一个相对简单的方法来实现所需的　功能。ＤＣＰ基本上是一个硬盘上的文件夹，其中　包含了一套素材交换格式（ＭＸＦ）和可扩展标记　语言（ＸＭＬ）文件。　ＭＸＦ是Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｅＸｃｈａｎｇｅ　Ｆｏｒｍａｔ的简称，　是类似ＱｕｉｃｋＴｉｍｅ　ＭＯＶ或Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＡＶＩ文件的　一个所谓包装或容器格式。ＭＸＦ是由ＳＭＰＴＥ和　欧洲广播联盟（ＥＢＵ）为专业电视应用而开发的，　是一个即非常强大又很复杂的格式，它可以用来　存储图像或声音数据（也称为基本）和元数据。　ＭＸＦ本身与编解码器无关，而一个ＭＸＦ文件可　以用单个通用文件格式来包含各种不同系统中压　缩的图像或声音，甚至是未压缩数据。　图ｌ描述了一个简单的内部ＭＸＦ文件结构和　包装过程，右边所产生的ＭＸＦ文件包括一个元数　据文件头和包含基本的文件体。ＤＣＰ只需用很简　单的ＭＸＦ文件，这些所谓的“操作模式原子”文　件在每个文件中存储图像或（多声道）声音数据，　ＤＣＰ的ＭＸＦ文件只支持非常基本的元数据。为了　减少ＤＣＰ的存储空间并加快传输，图像使用　ＪＰＥＧ　２０００编码并以相当高质量进行压缩，声音用　非压缩存储。字幕可以被存储为包含定时文本的　ＸＭＬ文件或子图像，定时文本是指字幕文本与时　间码存储在一起的文本，时间码控制在一个ＸＭＬ　文件中以控制文字何时在银幕上出现，文字复现　存放在放映系统中并和图像相结合，一个子图像　是具透明度的并复现前面的字幕图像，它在播放　时与电影中的图像相结合，在这种情况下，时间　也是由ＸＭＬ文件所控制。　

兽　嚣　巨　区　～　

图１　图像、声音和元数据包装成一个单一文件　Ｆｉｇｌ　Ｗｒａｐｐｉｎｇ　ｏｆ　ｉｍａｇｅｓ，ｓｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｍｅｔａｄａｔａ　ｉｎｔｏ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｆｉｌｅ　

在包含基本文件之外，ＤＣＰ还包含一些其它　的ＸＭＬ文件，最重要的是打包列表（ＰＫＬ），它　包含一个属于Ｉ）ＣＰ的所有文件清单和一个或多个　控制播放ＤＣＰ基本的合成播放列表（ＣＰＬ）。文件　名理论上可以任意选择，因为在播放过程中所有　文件都参考使用内部标识符（即通用唯一标识符　ＵＵＩＤ），而不是文件名。　３．１图像和声音　标准化数字影院的目标之一是确保所放映的　图像和声音具有相当高的质量，这个目标体现在　图像压缩、空间分辨率和色彩保真度标准的技术　细节上。　在标准中，２个基本分辨率容器定义为：２Ｋ　

—１　Ｃ｜｛ＥＭｌＣＡｌＩ　Ｓ１、ＡＮ＿Ｉ）ＡＲＤ　像素为２０４８×１０８０和４Ｋ像素为４０９６×２１６０。当　然，只有少数电影以这些容器的原始宽高比（即　１．８９６：１）放映的，对于其它的宽高比、分辨率　应扩展到水平或垂直分辨率的最高值。实际上，　一个４Ｋ容器中宽高比为２．３９的影片应有４０９６×　１７１６有效像素的图像分辨率才能达到容器的最高　水平分辨率。在标准中，不允许使用变形的放映　镜头，因其会导致宽银幕影片比其它宽高比更低　的总体空间分辨率。　ＤＣＩ／ＳＭＰＴＥ的数字影院系统支持的主要帧速　率是２４和４８ＦＰＳ，然而，该标准已被扩展　（ＳＭＰＴＥ　４２８—１１—２００９／ＩＳＯ　２６４２８一ｌ１数字影院　发行母版一第１１部分：增补帧速率＞以支持２５、　３Ｏ、５０和６０ＦＰＳ，当然也有可能会增加其它的帧　速率，但数字影院设备的基本要求是支持２４和　４８ＦＰＳ。因此，不是所有已安装的播放服务器和数　字放映机都能够使用扩展帧速率。　图像存储在每色彩分量和每像素为１２比特，　伽玛修正值为２．６的ＸＹＺ色彩空间，ＸＹＺ是一个　与设备无关的色彩空间，包含了可见光谱中所有　可能的颜色。这使得今后不必要随着录音和放映　技术的进步而改变格式。由于所有的数字放映机　在ＲＧＢ色彩空间工作，在放映过程中必须进行转　换，该标准还定义了放映机的最低ＲＧＢ色彩空间　和包括了色彩准确度和银幕亮度的规格。　按其原来的最高分辨率和每色彩分量１２比特，　一张压缩的４Ｋ图像需要大约３９．８Ｍｂｙｔｅｓ的存储　空间，这相当于２４ＦＰＳ数据传输速率为　９５５．５Ｍｂｙｔｅ／ｓ或７。６Ｇｂｉｔ／ｓ，但由于这个数据量过　高而难以发行和放映，所以必须进行压缩。然而　自然图像通常包含相当数量的冗余，并且人类视　觉系统只具有有限的图像细节敏感性，数字图像　可进行一定量的压缩而并不导致观众在图像质量　上的视觉损失。ＳＭＰＴＥ数字影院系统的ＪＰＥＧ　２０００压缩算法适用于图像压缩，它是一种帧内压　缩，即每幅图像压缩时不看之前的图像，ＪＰＥＧ　２０００特别适合以相对较高数据传输速率的大分辨　率，它还包含在数字影院使用的可扩展性功能，　此功能可同时将２Ｋ和４Ｋ的图像存储在一个文件　中。简而言之，一个４Ｋ图像包含一个２Ｋ的图像　以及２Ｋ和４Ｋ图像之间的差异，在播放４Ｋ的　ＤＣＰ时，２Ｋ放映系统只读取和解压压缩后图像的　衄～　２Ｋ部分，而忽略了４Ｋ图像的其它信息。也可以　建立仅为２Ｋ的ＤＣＰ，所有播放服务器和放映系　统，不管是２Ｋ或４Ｋ，都必须支持播放２Ｋ和４Ｋ　的ＤＣＰ。　在２Ｋ和４Ｋ的ＤＣＰ中，ＪＰＥＧ　２０００图像所允　许的最大数据速率为２５０Ｍｂｉｔ／ｓ。实践经验表明，　在４Ｋ　Ｄ（　的情况下，就自然图像而言，总数据率　中只有一个相对较小百分比是用来存储２Ｋ和４Ｋ　分辨率的差异，为了实现这一传输速率，ＪＰＥＧ　２０００必须使用有损压缩模式，这意味着，在压缩　过程中丢失的图像信息是无法挽回的，但是这种　差异通常一个观众是感觉不到的，但如果数据传　输速率设置得太低，图像会变得模糊和压缩失真。　在实践中，８０Ｍｂｉｔ／ｓ和１５０Ｍｂｉｔ／ｓ之间的数据传　输速率是可接受的，通常使用低于最大２５０Ｍｂｉｔ／ｓ　的数据传输速率以节省存储空间，如以最大数据　速率２５ＯＭｂｉｔ／ｓ，则一个小时的电影将产生大约　ｌｌ５ＧＢ大小的ＤＣＰ。在ＤＣＰ中，ＪＰＥＧ　２０００通常　使用每帧可变比特率来实施压缩。　ＪＰＥＧ　２０００还支持数学上的无损压缩模式，它　可以重建原始图像而不丢失任何信息，无损压缩　模式不在ＤＣＰ中使用，但可用于存储高品质材料。　由于电影通常由成千上万的单个图像组成，如果　将每个压缩的图像存储在硬盘上的一个单独文件　中，处理中会很复杂，并增加额外文件管理开销。　解决的办法是把所有图像文件装入所谓的容器或　包装格式，在ＤＣＰ中，ＭＸＦ就是用于此目的。　ＭｘＦ文件包括一个标头节，即图像的技术细节和　一个主体部分，它包含的所有图像，而声音和图　像存储在单独的ＭＸＦ文件。　、　在ＤＣＰ中，声音数据是作无压缩存储并包裹　在ＭＸＦ文件中，一个音轨文件可以包含多达１６　个分路的音频通道，通常使用多声道音频格式，　声音以４８ｋＨｚ或９６ｋＨｚ取样，每个取样为２４比　特，要处理多种语言，每种语言一个音轨文件，　每一个都可以包含多声道音频数据，播放哪个音　轨文件和何种语言由合成播放列表（ＣＰＬ）所　控制。　３．２打包　～　数字电影打包是一个整体，包含所有图像、　声音和字幕轨文件、及合成播放列表（ＣＰＬ）、打　包列表（ＰＫＬ）、资产映射和一个可选的容积指数。