電影膠片數(shù)字掃描圖像分辨力的選擇*

吳瑞敏，翁志清，張文俊

（上海大學(xué) 影視藝術(shù)技術(shù)學(xué)院，上海 200072）

1 引言

在過(guò)去的幾年當(dāng)中，數(shù)字中間片（Digital Intermediate，DI）后期制作系統(tǒng)和數(shù)字放映機(jī)兩者都已經(jīng)達(dá)到了4k的分辨力，同時(shí)，隨著技術(shù)發(fā)展，其分辨力均有可能進(jìn)一步提高，這使得電影數(shù)字化制作可以更大限度地獲取影像（主要指?jìng)鹘y(tǒng)膠片）信息。因此，數(shù)字掃描的唯一限制應(yīng)該是膠片自身的信息存儲(chǔ)容量，這個(gè)論斷是有一定道理的[1]。鑒于目前的數(shù)字中間片技術(shù)，筆者通過(guò)分析膠片的特性和圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)，對(duì)膠片數(shù)字掃描的分辨力的優(yōu)化選擇進(jìn)行了探討，并闡述了選擇4k掃描分辨力的優(yōu)勢(shì)。

2 基于膠片載體的數(shù)字中間片工作流程

在傳統(tǒng)的電影制作流程中，原始底片的影片素材被剪接成片段，然后按照剪接師決定的剪接順序再重新組合，接著這個(gè)剪接在一起的底片又通過(guò)多種印片工序進(jìn)行復(fù)制[2]，如圖 1 所示，從原始底片（Negative，Neg）復(fù)制出中間正片（Inter Positive，IP）和中間負(fù)片（Inter Negative，IN），直到做成最終的發(fā)行拷貝（Release Print，RP）。于是，膠片每一次拷貝都會(huì)帶來(lái)諸如噪聲等誤差，導(dǎo)致下一代拷貝質(zhì)量降低，造成迭代損失。

數(shù)字中間片并不是特指某種類型或型號(hào)的電影膠片，而是指一種影片的數(shù)字化處理方法或處理過(guò)程[2]，如圖2所示，即將整部影片通過(guò)膠片掃描儀（Scanner）進(jìn)行高分辨力數(shù)字化掃描形成數(shù)字文件的數(shù)字圖像交換（Digital Picture Exchange，DPX）格式，用數(shù)字形式來(lái)對(duì)數(shù)字文件進(jìn)行影調(diào)、色彩調(diào)整、合成、特效等后期處理的過(guò)程，最終將完成的影片輸出到電影膠片或其他類型的介質(zhì)上[3]。

3 膠片數(shù)字化掃描的最佳掃描分辨力選擇

膠片掃描的大致過(guò)程是將膠片裝入掃描儀，通過(guò)照射膠片表面進(jìn)行影片掃描，光源通常很強(qiáng)。為了質(zhì)量最大化，應(yīng)該盡可能用原始材料工作。在DI的膠片掃描階段就是直接對(duì)原始攝影底片進(jìn)行掃描，降低了電影圖像質(zhì)量的前期損耗，并且更好地避免了傳統(tǒng)電影后期光化學(xué)工藝流程中的迭代損失。

在當(dāng)前的DI制作中，將膠片數(shù)字化時(shí)可以選擇幾種不同的格式，主要包括高清視頻格式（HD）、2k或4k的文件格式等[4]。選擇不同的格式，制作的品質(zhì)、周期和費(fèi)用會(huì)有很大的不同。

3.1 電影膠片的特性

攝影膠片最常用的規(guī)格有16 mm，35 mm和65 mm等。膠片上的圖像形狀由它的寬高比確定，不同的影片格式有不同的寬高比。一定的膠片規(guī)格與一定的影片格式結(jié)合起來(lái)就決定了圖像的真實(shí)尺寸[1，5]。膠片面積越大記錄的圖像就越大，這決定了在一幅圖像內(nèi)可記錄的最高細(xì)節(jié)水平，即圖像的極限分辨力。也表明能記錄的圖像質(zhì)量更高，大規(guī)格影片上的圖像看起來(lái)更清晰。因此，膠片規(guī)格決定了在其表面可存儲(chǔ)多少微小細(xì)節(jié)，即信息存儲(chǔ)容量。表1綜合給出了不同規(guī)格膠片的存儲(chǔ)容量，列出了沿影像寬度及高度的像素?cái)?shù)[6]。

表1 不同膠片規(guī)格的相關(guān)參考數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)字圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法

膠片的解像力是指膠片記錄景物細(xì)微部分的能力，解像力是測(cè)量圖像質(zhì)量的客觀方法之一。它說(shuō)明了一個(gè)給定區(qū)域內(nèi)包含多少細(xì)節(jié)，反映了圖像的精細(xì)程度，所以解像力愈高，則圖像愈精細(xì)，像質(zhì)愈高[7]。對(duì)于膠片，解像力與顆粒平均尺寸有關(guān)，其他還有影響解像力的因素，例如光學(xué)系統(tǒng)（物鏡）[5]。

一種更有用的評(píng)價(jià)因素是調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）。MTF的測(cè)量和曲線圖可以用來(lái)確切說(shuō)明任何系統(tǒng)對(duì)不同空間頻率 （它等同于細(xì)節(jié)的多少）的響應(yīng)。廣義上講，空間頻率是指單位視角內(nèi)明暗條紋重復(fù)出現(xiàn)的周期數(shù)或正弦狀濃淡變化的重復(fù)次數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)選擇幾個(gè)特征頻率的MTF值，來(lái)評(píng)定系統(tǒng)的像質(zhì)，特征頻率的MTF值愈高，則系統(tǒng)的傳遞性愈好，并且能以MTF的第一個(gè)極小值點(diǎn)的特征頻率較準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的解像力[7]。由于MTF直接從圖像中直接獲取，可以不受任何主觀因素的影響，所以它是一種合理的、有效的、客觀的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[7]。

3.3 掃描分辨力的選擇

3.3.1 膠片的MTF特性

35 mm電影膠片可容納的信息密度非常高，在目前的電影制作中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為了估算膠片在數(shù)字方面的信息量是多少，本文以35 mm膠片為例來(lái)探討膠片的MTF特性。

首先，MTF曲線圖顯示了膠片影像清晰度的度量值。X軸表示空間頻率（Spatial Frequency），指的是每毫米能夠分辨的光柵數(shù)，即正弦波的數(shù)量，單位是線對(duì)/毫米，即lp/mm。Y軸表示空間頻率響應(yīng)（Response），相當(dāng)于膠片的清晰度。曲線越長(zhǎng)越平坦，每毫米能夠分辨的正弦波越多，影像越清晰[8]。

如圖3所示的數(shù)據(jù)由柯達(dá)制造商提供，實(shí)驗(yàn)?zāi)z片型號(hào)為柯達(dá)Vision3伊士曼250D 彩色相機(jī)底片5207。圖3標(biāo)繪出3種顏色層的調(diào)制度均對(duì)應(yīng)于80 lp/mm的空間頻率，其中綠色記錄層的調(diào)制度略低于水平50%，藍(lán)色記錄層稍微高于50%，紅色記錄層則稍低于此數(shù)值[1]。

盡管如此，這個(gè)水平的調(diào)制度在實(shí)際情況當(dāng)中沒(méi)有必要得到。通常，只有通過(guò)相機(jī)和鏡頭才能把一幅圖像記錄在膠片上。然而，鏡頭也有MTF響應(yīng)。因此，在膠片上生成的圖像是鏡頭特性和膠片自身響應(yīng)的卷積。

在2001年到2002年間，ITU指導(dǎo)了一個(gè)包含此結(jié)論的實(shí)驗(yàn)。盡管該實(shí)驗(yàn)的總體目標(biāo)是為了檢測(cè)膠片的校正拷貝并發(fā)布印片的分辨力，但是收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中也包含了關(guān)于原始攝影底片的MTF的測(cè)量結(jié)果[9]，如圖4中的實(shí)線所示。

首先，這幅圖顯示了電影膠片各代拷貝的影像清晰度的度量值。實(shí)驗(yàn)?zāi)z片的型號(hào)為35 mm柯達(dá)伊士曼5274。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，ITU測(cè)量出了一個(gè)逼近極限的調(diào)制深度為6%，相對(duì)應(yīng)的空間頻率為106 lp/mm。ITU的結(jié)果報(bào)告中也包括了所使用的攝像機(jī)物鏡的相關(guān)信息。盡管這些都是普通鏡頭，但是為了達(dá)到最佳的MTF數(shù)值，鏡頭被設(shè)置為固定光圈，從而把由色差和衍射現(xiàn)象所引起的分辨力損失降到最低[1]。

3.3.2 膠片掃描儀的MTF特性

在膠片掃描系統(tǒng)中，還需要深入了解掃描儀的相關(guān)函數(shù)。這是因?yàn)椋粋€(gè)數(shù)字掃描儀具有模擬特性，它的傳感器有它自己的MTF。在膠片和傳感器之間是掃描儀的鏡頭，這個(gè)鏡頭也有它自身的MTF。傳感器的MTF由它的填充因子決定，產(chǎn)生幾何MTF。填充因子指的是傳感器像素中感光有效面積與像素總面積的比值。傳感器每個(gè)像素除了能夠感光的區(qū)域以外，還有一部分面積用來(lái)安排放大器、連線等，這部分不能用于感光。一個(gè)完全100%的填充因子是不存在的，但是接近100%的填充因子傳感器是可以實(shí)現(xiàn)的。最終，將膠片掃描系統(tǒng)中各個(gè)部分的MTF連乘起來(lái)，從而得到整個(gè)膠片掃描系統(tǒng)的MTF，如圖5所示。

3.3.3 最終的MTF數(shù)值分析

圖5描述了膠片結(jié)合攝像機(jī)鏡頭的MTF，掃描儀放映鏡頭的MTF和由掃描儀傳感器中的像素分布產(chǎn)生的MTF，這幾個(gè)MTF全部相乘來(lái)確定有效的MTF，這個(gè)MTF介于鏡頭細(xì)節(jié)和膠片掃描儀獲取的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之間[1]。掃描儀中的奈奎斯特頻率大約相當(dāng)于膠片80 lp/mm的空間頻率。

如圖4，ITU針對(duì)原始攝影底片實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果為MTF為6%，位于空間頻率106 lp/mm處，這一結(jié)果接近于電影膠片理論上的極限分辨力；在20～50 lp/mm空間頻率比較低的地方，空間頻率響應(yīng)與感知清晰度有更好的相關(guān)性[9]。但是通過(guò)傳感器進(jìn)行掃描時(shí)，在這個(gè)空間頻率上的任何調(diào)制度都有引起可見(jiàn)的混疊失真的可能?；殳B失真指的是采樣頻率小于信號(hào)最高頻率的2倍時(shí)引起的頻譜交叉。避免這種混疊失真是確定掃描儀必要的數(shù)字分辨力時(shí)最重要的因素。

盡管如此，在106 lp/mm的地方獲取膠片信息不具有最高的意義，這是因?yàn)樗恼{(diào)制度水平太低，以至于不僅在視覺(jué)上不顯著，而且也會(huì)引起可見(jiàn)的混疊失真。反而在80 lp/mm的地方看起來(lái)更有意義，因?yàn)樗恼{(diào)制度水平較高，為17%。

因此，把目標(biāo)分辨力限制到80 lp/mm而不是106 lp/mm是有道理的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)攝影機(jī)鏡頭后減少的MTF已經(jīng)導(dǎo)致了更低水平的調(diào)制度，以至于任何超越這個(gè)空間頻率產(chǎn)生的混疊失真實(shí)際上將不可見(jiàn)。

3.3.4 最佳掃描分辨力的選擇

“4k”指的是水平分辨力為4096個(gè)像素值，“2k”指的是2048個(gè)水平像素值，依此類推。而垂直像素值數(shù)量可忽略不計(jì)，它可以從顯示屏的寬高比中得到，因?yàn)樵谀z片掃描時(shí)像素是正方形的。

因此，分辨力的大小描述需要先找出在膠片上讀取80 lp/mm空間頻率時(shí)掃描儀傳感器所需的像素?cái)?shù)量，然后結(jié)合通用符號(hào)“k”來(lái)描述該像素信息，也就是說(shuō)只需引用水平軸[10]。

因此，必須考慮到水平方向需要掃描總共多少毫米的距離。對(duì)于超級(jí)35 mm格式的膠片，整個(gè)曝光的幀的寬度是24.92 mm，也就是說(shuō)需要足夠的水平像素值來(lái)讀取總共80 lp/mm×24.92 mm=1994 lp[9]。根據(jù)取樣定理，由于一個(gè)線對(duì)是正弦波一個(gè)完整的周期，傳感器的奈圭斯特頻率將使每1個(gè)掃描線的線對(duì)數(shù)量都相等，因此像素頻率將至少是之前頻率的2倍，或者說(shuō)是每個(gè)掃描線包含2×1994=3988個(gè)像素值。所以，膠片掃描至少需要“4k”的掃描分辨力。

如果一個(gè)膠片掃描儀是為了捕獲所有分辨力直到達(dá)到106 lp/mm的極限分辨力，且又無(wú)混疊失真的話，在最極端的情況下，經(jīng)過(guò)計(jì)算，這種掃描儀需要一個(gè)遠(yuǎn)高于4k的數(shù)字分辨力，可能高達(dá)8k。一個(gè)分辨力高達(dá)8k的掃描儀將會(huì)非常的昂貴，運(yùn)行起來(lái)卻很慢，而且可能其他參數(shù)會(huì)欠佳，比如信噪比。大多數(shù)情況下，與一個(gè)擁有較低分辨力的設(shè)備相比較，附加的掃描儀像素將不能捕獲其余任何圖像信息[1]。

3.4 4k掃描分辨力的優(yōu)勢(shì)

從35 mm膠片中只需要捕獲有用的信息，也就是說(shuō)用最大值為4k的分辨力進(jìn)行掃描，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

最重要的是運(yùn)行速度上的優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)在去構(gòu)造一個(gè)運(yùn)行速度達(dá)到15 f/s的4k掃描儀是可能的。但是由于較小感光面積傳感器的電子電荷整合能力有限，這種速度對(duì)于更高的分辨力將是不可能的，如6k或8k。假設(shè)8k與4k 相比較，比較 8192×6224 像素（8k）對(duì) 4096 ×3112像素（4k）的幀大小，他們?cè)赗，G和B都為16 bit數(shù)據(jù)，擁有一樣的填充因子，8k的感光面積卻是4k的1/4[1]。相反地，8k的掃描儀嘗試以4k的速度來(lái)運(yùn)行將嚴(yán)重地降低信噪比，有損在整體主觀評(píng)價(jià)中理論分辨力的優(yōu)勢(shì)。

選擇4k分辨力的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是硬件花費(fèi)的減少。這不僅是因?yàn)閭鞲衅鞯脑?，而且排除了高比特率的下轉(zhuǎn)換硬件，因?yàn)闃O少數(shù)的后期制作系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)6k或者8k的原始掃描數(shù)據(jù)。4k系統(tǒng)每幀75 Mbyte，與其比較起來(lái)，那些能夠控制6k或者8k數(shù)據(jù)的系統(tǒng)不得不要容納龐大的數(shù)據(jù)量，達(dá)到了每幀300 Mbyte或者更多。

4 小結(jié)及展望

為了使基于電影內(nèi)容的后期制作系統(tǒng)和放映系統(tǒng)能夠得到持續(xù)改進(jìn)，筆者建議應(yīng)該在掃描階段去捕獲在35 mm電影膠片材料中最多的有用的圖像信息。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，4k掃描的MTF特性，與其他分辨力相比，能以更高的調(diào)制度傳遞圖像細(xì)節(jié)，這決定了清晰度的感覺(jué)，4k影像感覺(jué)更清晰。另外，4k掃描儀與4k的數(shù)字中間片相結(jié)合的4k工作流程對(duì)于DI制作和影片存檔都將非常有利。英國(guó)寬泰（Quantel）公司已經(jīng)擁有一套非常成熟的4k實(shí)時(shí)在線的DI后期制作系統(tǒng)，相信在未來(lái)幾年，4k工作流程將在國(guó)內(nèi)電影制作中應(yīng)用得越來(lái)越普遍。

[1]DFT SCANITY.White paper[EB/OL].[2010-07-16].http：//www.dftfilm.com/downloads/white-papers/DFT-SCANITY-white-paper.pdf.

[2]ARRILASER.Enabling technology for the digital intermediate[EB/OL].[2010-07-16].http：//archiv.arri.de/news/newsletter/articles/0502516849/WhitepaperDigitalIntermedia.pdf.

[3]雷振宇.數(shù)字中間片技術(shù)[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2005（4）：29-32.

[4]樂(lè)永升.電影數(shù)字中間片與4k的未來(lái)[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2007（10）：7-9.

[5]JAMES J.數(shù)字中間片[M].施正寧，劉戈三，譯.北京：中國(guó)電影出版社，2007.

[6]孫延祿.4K+系統(tǒng):電影影像形成過(guò)程的理論基礎(chǔ)（上）[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2009（6）：15-21.

[7]王強(qiáng).電子分色原理與工藝[M].武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1993.

[8]KODAK VISION3250D color negative film 5207/7207/SO-207：technical data[EB/OL].[2010-07-16].http：//motion.kodak.com/motion/uploadedFil es/US_plugi ns_acrobat_en_motion_products_negative_ti 2650.pdf.

[9]Image resolution of 35 mm film in theatrical presentation[EB/OL].[2010-07-16].http：//www.cst.fr/IMG/pdf/35mm_resolution_english.pdf.

[10]孫延祿.4k+系統(tǒng)：電影影像形成過(guò)程的理論基礎(chǔ)（下）[J].現(xiàn)代電影技術(shù)，2009（6）：31-34.