數(shù)字技術(shù)在電影領(lǐng)域的應(yīng)用與研究

康清虎

摘要：通過對目前在數(shù)字電影制作中的主流的數(shù)字技術(shù)，特別是主流數(shù)字?jǐn)z影機的發(fā)展和技術(shù)特點的分析，總結(jié)了目前在電影領(lǐng)域的最成熟的前后期數(shù)字技術(shù)。著重詳細(xì)分析了目前市場上最為成功的數(shù)字?jǐn)z影機ARRI公司的ALEXA系列數(shù)字?jǐn)z影機的性能及設(shè)計特點。ALEXA機身的模塊化設(shè)計，多樣的輸出和紀(jì)錄格式，人體工程學(xué)的設(shè)計，出色的整理畫面質(zhì)量使其成為了數(shù)字?jǐn)z影機中的佼佼者。從ALEXA數(shù)字?jǐn)z影機，可以窺見未來攝影機的發(fā)展方向，在其基礎(chǔ)上提出了能提高數(shù)字電影制作效率的圖像壞點修復(fù)方案。從而使下一代的數(shù)字?jǐn)z影機變得更加的可靠和高效。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字電影； 數(shù)字?jǐn)z影機； 數(shù)字院線； 圖像記錄格式； 數(shù)字?jǐn)z影的工作流程；阿萊；艾麗沙

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）08-1914-06

繼傳統(tǒng)膠片巨頭柯達公司在美國宣布破產(chǎn)保護后，全球最大的膠片院線投影機制造商也轟然倒下，這標(biāo)志著膠片在統(tǒng)治了電影領(lǐng)域長達百年之久后正式退出主流拍攝方式的舞臺。如今，數(shù)字電影大行其道，就中國來看，全國90%以上的院線都已經(jīng)全部升級為數(shù)字院線。不但如此，從前期拍攝，到后期制作，再到最后的發(fā)行拷貝，如今都已經(jīng)全部實現(xiàn)了數(shù)字化，早就不見了膠片的身影。這一切都得益于，數(shù)字影像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字電影取代傳統(tǒng)的膠片電影是科技發(fā)展的必然結(jié)果，該文首先對比介紹了數(shù)字拍攝較對與膠片拍攝的諸多優(yōu)勢及相關(guān)主流數(shù)字技術(shù)在數(shù)字電影制作中的作用及特點，然后重點介紹數(shù)字電影的核心——數(shù)字?jǐn)z影機的工作原理以及對目前世界上最先進的主流數(shù)字?jǐn)z影機的深入剖析。

1 數(shù)字電影的發(fā)展

1.1 數(shù)字電影的優(yōu)勢

數(shù)字電影不僅避免出現(xiàn)膠片老化、退色，確保影片永遠光亮如新，確保畫面沒有任何抖動和閃爍使觀眾再也看不到任何畫面的劃痕磨損現(xiàn)象。此外，數(shù)字電影節(jié)目的發(fā)行不再需要洗映大量的膠片，既節(jié)約發(fā)行成本又有利于環(huán)境保護。以數(shù)字方式傳輸節(jié)目，整部電影在傳輸過程中不會出現(xiàn)質(zhì)量損失。也就是說，一旦數(shù)字電影信號發(fā)出，無論多少家數(shù)字影院，也不管它位于地球的什么位置，都可以使不同地區(qū)的觀眾同時欣賞到同一個高質(zhì)量的數(shù)字節(jié)目。

1.2 數(shù)字電影的未來

數(shù)字化電影技術(shù)極大地拓寬了藝術(shù)家的創(chuàng)作天地，給正在衰落的電影產(chǎn)業(yè)注入了新的活力，一代具有新思維的藝術(shù)創(chuàng)作人員和電影產(chǎn)業(yè)中的新興職業(yè)，如數(shù)字電影軟件設(shè)計師、電腦美術(shù)設(shè)計師、視覺效果設(shè)計師等會在21世紀(jì)的電影舞臺上成為主角。

2 數(shù)字電影制作中的主流數(shù)字技術(shù)

2.1 圖像記錄格式——無壓縮的RAW和各種主流壓縮格式

感光器首先將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，產(chǎn)生的二進制碼流不做任何的壓縮和數(shù)據(jù)的丟棄直接記錄到存儲介質(zhì)上，這種格式被形象地稱之為RAW格式，RAW在英文中的意思就是“生的”“未加工”的意思。RAW格式的特點是，數(shù)據(jù)量極大，所記錄的信息的最豐富的。如：用ARRI公司的RAW格式ARRIRAW在分辨率為2880×1620（約為2.8K）拍攝基準(zhǔn)格為24FPS的情況下，記錄1分鐘的畫面所產(chǎn)生的素材文件大約為10GB。但是由于RAW格式所能承載的豐富的圖像信息，它是拍攝高質(zhì)量的用于電影院大熒幕播放的影片的最佳選擇。

2.2 主流非線性編輯軟件FCP與AVID

拍攝完成的素材就像一塊塊織好的不同花色的布，還無法穿到身上，甚至連其未來的樣式都看不出來，這就需要技藝高超的裁縫——剪輯師對素材進行“剪裁”，當(dāng)然這個“剪裁”的過程全程會有導(dǎo)演和攝影師“監(jiān)工”。首先，剪輯師會根據(jù)導(dǎo)演和攝影師的要求挑選出合適的素材，然后利用剪輯軟件對所拍攝的畫面進行拼接處理。主流的剪輯軟件主要是Final Cut Pro和Avid Media Composer。

2.3 常用調(diào)色軟件DAVINCI

達芬奇調(diào)色系統(tǒng)自1984年以來就一直譽為后期制作的標(biāo)準(zhǔn)。使用達芬奇的調(diào)色師遍布世界，他們喜愛它并把它當(dāng)作自己創(chuàng)作中一個值得信任的伙伴。眾多電影/廣告/紀(jì)錄片/電視劇和音樂電視制作中都能看到達芬奇的身影，并且它的作品是其他調(diào)色系統(tǒng)所無法比擬的！

3 數(shù)字電影的核心——數(shù)字?jǐn)z影機

在數(shù)字電影時代，一臺高性能的數(shù)字?jǐn)z影機無疑是數(shù)字電影的核心，其性能的高低與功能的完善性都會對整個數(shù)字電影的制作產(chǎn)生決定性的影響。

3.1 數(shù)字?jǐn)z影機的工作原理

數(shù)字?jǐn)z影機進行工作的基本原理簡單的說就是光-電-數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變與傳輸。即通過感光元件將光信號轉(zhuǎn)變成電流，再將模擬電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，由專門的芯片進行處理和過濾后得到的信息還原出來就是我們看到的動態(tài)畫面了。

數(shù)字?jǐn)z影機的感光元件能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，主要有兩種：一種是廣泛使用的CCD（電荷藕合）元件；另一種是CMOS（互補金屬氧化物導(dǎo)體）器件。CCD是ChargeCoupledDevice（電荷耦合器件）的縮寫，它是一種半導(dǎo)體成像器件，因而具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優(yōu)點。 CMOS是ComplementaryMetal-OxideSemiconductor的縮寫（互補性氧化金屬半導(dǎo)體）和CCD一樣同為在數(shù)碼相機中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。

3.2 媲美膠片攝影機的數(shù)字?jǐn)z影機的幾個重要參數(shù)指標(biāo)

數(shù)字影像技術(shù)由來已久，但是為什么到今天，數(shù)字技術(shù)才到達了一種可以取代膠片的境界。如何評價一臺數(shù)字?jǐn)z影機的優(yōu)劣，業(yè)內(nèi)人士普遍都會用膠片來與之對比。拍攝的效果約接近膠片，則該攝影機的性能越好已經(jīng)成為了業(yè)內(nèi)不成文的規(guī)定。而數(shù)字?jǐn)z影機是否接近膠片，通常會參照以下幾個參數(shù)：曝光寬容度（也叫動態(tài)范圍），膚色的還原度，基礎(chǔ)感光度，色彩的準(zhǔn)度，分辨率，攝影機的機械特性及操作簡易性。一部出色的數(shù)字?jǐn)z影機，必須兼顧以上全部的特點才能做到真正的媲美膠片攝影機，這也是各大數(shù)字?jǐn)z影機廠商所最求的目標(biāo)。

3.3 深入剖析ARRI公司的ALEXA

3.3.1 ALEXA的核心感光元件

ALEXA的核心感光器件是拜爾排列的CMOS，分辨率為3.5K左右。該該感光器設(shè)計的基本原則有兩點：使用盡量大的像素和采用雙增益處理結(jié)構(gòu)DGA（Dual Gain Architecture）。通過使用盡量大的像素點，ALEXA的感光器可以具有非常高的感度度，更加寬廣的動態(tài)范圍以及很低的色度亮度串?dāng)_。雙增益處理結(jié)構(gòu)DGA可以同時對每個像素點進行兩個分離通路的數(shù)據(jù)讀取，并且這兩個讀取的信號強度可以進行不同程度的放大或降低。對于ALEXA內(nèi)部獲取的第一個通路的信號為正常信號及放大過的信號，第二的通路的信號為降低強度的信號，該降低是為了獲取放大路中所被丟棄的信息。兩個通路的信號都直接進入到攝影機內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每一路的圖像信號的采樣率都是14bit。然后，這兩路的圖像信號會被合成為一張16bit具有超高寬容度的圖像。這個方法提高了攝影機在低照度下的性能，保留了原本會被丟棄的高光部分的細(xì)節(jié)，因此極大的擴展了ALEXA攝影機所拍攝的畫面的寬容度。

3.3.2 ALEXA的圖像處理硬件

ARRI的圖像處理原則是通過處理鏈路盡最大的可以保持畫面的最高質(zhì)量。也就是說要在攝影機內(nèi)部直接傳輸和處理無任何壓縮的16bit的原生數(shù)據(jù)。當(dāng)使用原生的ARRIRAW格式的時候，該格式可以紀(jì)錄最高的畫面逼真度。對于生成其他的格式，有任何最新的的需要減小數(shù)據(jù)帶寬的方法都可以應(yīng)用于原生格式。這樣就保存住了原始圖像內(nèi)容的最大的可能性。為了達到滿足這一要求的處理能力，ALEXA的圖像處理硬件融合了最新先進的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Filed Programmable Gate Array）技術(shù)和超高速的內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)總線。

3.3.3 ALEXA的圖像格式及編碼

ALEXA攝影機采用了12bit的對數(shù)編碼的方式完全的保留了16bit線性編碼方式的信息。這是因為無論是人眼還是電影的負(fù)片，其原生特性都是對數(shù)的。電視伽瑪正好利用了人眼的非線性對數(shù)特性，在人眼敏感的暗部分配了更多的電平資源，而在人眼不敏感的亮部分配較少電平資源，起到了合理利用電平（量化）資源的作用，相當(dāng)于在傳輸或記錄前對動態(tài)范圍進行了壓縮，用較少的量化資源再現(xiàn)了較大的動態(tài)范圍。與電視伽瑪一樣，電影伽瑪也正好利用了人眼的非線性對數(shù)特性，起到了合理利用膠片密度資源的作用。考慮到人眼的特性12bit對數(shù)伽瑪?shù)木扰c16bit直線伽瑪相當(dāng)，但12bit文件比16bit文件小25%，因此采用非線性的對數(shù)伽瑪可以節(jié)省存儲資源。

4 對ALEXA數(shù)字?jǐn)z影機的一些改進意見

增加畫面異常檢驗，報警功能模塊。為了保證拍攝的素材的安全性，在攝影機內(nèi)部構(gòu)建畫面校驗機制。首先，將常見的異常畫面收集并分析其異常畫面像素間的特點，建立異常畫面信息庫。如：大面積綠屏的畫面，大面積黑屏的畫面，有明顯顏色分解的畫面，異樣花紋的畫面。設(shè)計合適高效的算法對拍攝素材進行逐幀校驗，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常畫面時，發(fā)出警報以提示操作者對畫面進行檢查，從而避免記錄問題畫面影響拍攝。

5 結(jié)束語

電影工業(yè)的數(shù)字化以來，從攝影機的角度，CMOS傳感器已經(jīng)替代了3CDD的傳感器成為了新一代數(shù)字?jǐn)z影機的主流感光器。攝影機傳感器的尺寸也都向超35mm膠片底片大小統(tǒng)一。由于計算硬件的飛速發(fā)展，各大攝影機制造商不在一味的追求如分辨率，存儲量等硬件指標(biāo)，而是轉(zhuǎn)而追求更高寬容度，更低信噪比，更有具有電影感的色彩管理等軟件指標(biāo)。攝影機的實際操作性能，穩(wěn)定性也變得更為重要。這就是ARRI公司的ALEXA系列數(shù)字?jǐn)z影機取得如此大的成功的原因。

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