數(shù)字影院關鍵技術國產(chǎn)化可行性研究

牛小明

（中央宣傳部電影數(shù)字節(jié)目管理中心，北京100866）

1 背景

目前數(shù)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(shù)字影院技術規(guī)范體系框架制定于2008年。十幾年之間，雖然國內(nèi)還未有成體系技術標準框架可以取代，但是國內(nèi)技術界已經(jīng)在部分關鍵技術自主研發(fā)方面取得一定突破，尤其是圖像編碼、加密算法、LED顯示系統(tǒng)等方面都已取得了實質性進展。國內(nèi)已經(jīng)建立了具有自主知識產(chǎn)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(tǒng)自主研發(fā)進展迅速，國內(nèi)已有產(chǎn)品可達到行業(yè)標準要求，可以直接對標三星公司的Cine ma LED系統(tǒng)。

2 數(shù)字影院關鍵技術國產(chǎn)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(tǒng)三方面相關的國產(chǎn)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(nèi)容安全帶來更多提升，更能夠體現(xiàn)我國數(shù)字影院國產(chǎn)化技術水準，也更具備可操作性。

2.1 圖像編碼國產(chǎn)化

圖像編碼是數(shù)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(shù)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(nèi)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(xiàn)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(fā)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(nèi)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(xù)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(chǎn)業(yè)都給予了重點支持，目前AVS標準羽翼漸豐，已經(jīng)在高清產(chǎn)業(yè)、超高清產(chǎn)業(yè)、家庭影院等領域實現(xiàn)了廣泛應用。產(chǎn)業(yè)生態(tài)也越來越豐富，包括國產(chǎn)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(shù)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(shù)

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(shù)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(nèi)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(jīng)開源，開發(fā)方為北京大學團隊，為AVS2引入數(shù)字影院提供了相當?shù)谋憷麠l件；第三:AVS2的解碼芯片已經(jīng)量產(chǎn)，主要供貨商為華為，芯片型號是海思Hi3796 MV200，為AVS2的生態(tài)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(shù)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(chǎn)化

加密算法是數(shù)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(nèi)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(wěn)妥推進密碼技術體系國產(chǎn)化提供了法律依據(jù)。其中多條內(nèi)容均指出，應加快推進各行業(yè)密碼標準再造。國密算法也應運而生，發(fā)展至今已經(jīng)推出了SM1、SM2、SM3、SM4、SM9，其中和數(shù)字影院加密密切相關的是SM1、SM2和SM3。SM1對標AES算法，用于內(nèi)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(diào)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(shù)據(jù)內(nèi)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(xiàn)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(shù)難題實現(xiàn)加解密，從數(shù)學原理上來講解決該問題要遠比大數(shù)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(xiàn)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(yōu)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(xù)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(fā)，可真正保障可管可控；第三:采用完全自主知識產(chǎn)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(shù)字影院加密體系后，必然帶來配套軟件、硬件芯片的更新?lián)Q代，要制定好技術實施路線。

2.3 顯示系統(tǒng)國產(chǎn)化

顯示系統(tǒng)關系著數(shù)字影院內(nèi)容的最終呈現(xiàn)結果，是整個數(shù)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(tǒng)作為數(shù)字影院顯示終端，相關產(chǎn)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(tǒng)的優(yōu)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(yōu)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(jīng)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(tǒng)已經(jīng)有了快速發(fā)展，韓國三星公司陸續(xù)推出了寬度為10米、14米的Onyx Cinema LED系列產(chǎn)品，引起了全球注意。Onyx系統(tǒng)目前寬度最大可達14米，亮度遠高于傳統(tǒng)的投射式放映顯示系統(tǒng)，分辨率為4K，支持HDR，配合Onyx Sound還音系統(tǒng)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(nèi)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(shù)字影院的顯示屏幕系統(tǒng)。例如:深圳市洲明科技有限公司的Unilumin UCA41產(chǎn)品已于今年通過了DCI認證，成為國內(nèi)首款通過國際認證的LED產(chǎn)品。LED顯示系統(tǒng)最大優(yōu)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(tǒng)與洲明Unilu min系統(tǒng)參數(shù)對比如表2所示:

表2 三星和洲明LED產(chǎn)品參數(shù)對比

圖2 洲明UC－A41產(chǎn)品應用場景

基于LED的可直視顯示系統(tǒng)國產(chǎn)技術與傳統(tǒng)投射式放映系統(tǒng)相比，主要有兩點優(yōu)勢，第一:可從根本上解決傳統(tǒng)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(chǎn)LED技術，可以實現(xiàn)“彎道超車”戰(zhàn)略。因為在傳統(tǒng)投射式專利上已經(jīng)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(fā)展的“LED彎道”，才能實現(xiàn)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(guī)模生產(chǎn)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(chǎn)LED選型產(chǎn)品真正落地于數(shù)字影院的大規(guī)模應用推廣。

圖3 三星Onyx影廳

3 數(shù)字影院國產(chǎn)化技術框架

經(jīng)過上述章節(jié)的論述，AVS標準技術、國密算法和國產(chǎn)LED顯示系統(tǒng)經(jīng)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(shù)字影院總體技術框架，如圖4所示。

圖4 數(shù)字影院國產(chǎn)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(tǒng)等具備國產(chǎn)化優(yōu)勢的自主知識產(chǎn)權技術。圖像編碼部分為AVS2全I幀壓縮，內(nèi)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(tǒng)為國產(chǎn)品牌LED顯示系統(tǒng)，封裝打包仍然采用MXF。

該技術方案框架具備一定優(yōu)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(chǎn)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(tǒng)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(shù)據(jù)分析和方案設想，數(shù)字影院技術進行國產(chǎn)化是可行的，將帶來知識產(chǎn)權更可控、成本更可控、版權安全和文化安全更有保障等優(yōu)點。筆者希望本文能夠“拋磚引玉”，為業(yè)內(nèi)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。