從4K超高清+5.1環(huán)繞聲到8K超高清+22.2三維聲
——國(guó)家大劇院舞臺(tái)紀(jì)錄電影的技術(shù)探索

仲 文

（國(guó)家大劇院，北京 100031）

從2016年起，國(guó)家大劇院開(kāi)始探索在舞臺(tái)演出的基礎(chǔ)上打造數(shù)字音視頻藝術(shù)衍生品。經(jīng)過(guò)7年的發(fā)展，從最開(kāi)始的制作CD、DVD出版物過(guò)渡到以現(xiàn)場(chǎng)舞臺(tái)表演為題材的紀(jì)錄電影攝制及院線(xiàn)發(fā)行，再到現(xiàn)如今線(xiàn)下演出與線(xiàn)上直播同時(shí)展映。音視頻產(chǎn)品的畫(huà)質(zhì)實(shí)現(xiàn)了從高清（HD）到4K/8K超高清（UHD）的跨越式發(fā)展，其8K超高清+22.2三維聲技術(shù)的成功應(yīng)用成為行業(yè)的“先行者”與“探路人”。

筆者以國(guó)家大劇院“藝術(shù)放映廳”展映項(xiàng)目的發(fā)展為例，闡述舞臺(tái)紀(jì)錄電影從4K超高清+5.1環(huán)繞聲到8K超高清+22.2三維聲音視頻技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展性探索，以及展映標(biāo)準(zhǔn)的形成和示范應(yīng)用。

1 國(guó)家大劇院4K制作及展映標(biāo)準(zhǔn)的形成

自2016年起，國(guó)家大劇院舞臺(tái)紀(jì)錄電影逐步淘汰了高清制作標(biāo)準(zhǔn)，并全面升級(jí)至4K超高清+5.1環(huán)繞立體聲的制作標(biāo)準(zhǔn)，特別是舞臺(tái)紀(jì)錄電影《長(zhǎng)征》的攝制及展映使這一標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用趨于完善。

為了將史詩(shī)級(jí)的《長(zhǎng)征》打造成高質(zhì)量的精品舞臺(tái)紀(jì)錄電影，采用全流程的4K方案，即4K拍攝、4K制作、4K展映，制作流程及采用的標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。在視頻制作上，拍攝記錄格式標(biāo)準(zhǔn)由4K/25幀提升為4K/50幀，采用8機(jī)位多角度錄制，圖像幀率的提升使得畫(huà)面更加清晰、飽滿(mǎn)和連貫，在經(jīng)過(guò)剪輯調(diào)色、混錄等后期制作，使暗部層次得到改善。在音頻制作方面，國(guó)家大劇院與北京電影學(xué)院合作，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)收錄的70多路聲音進(jìn)行后期混音處理，最大程度還原現(xiàn)場(chǎng)樂(lè)隊(duì)的表現(xiàn)效果。在影片放映方面按照影片最終4K/50幀的標(biāo)準(zhǔn)放映，以4K/50幀+5.1環(huán)繞聲標(biāo)準(zhǔn)打包完成電影拷貝DCP (Digital Cinema Package)文件，文件大小約580 GB。當(dāng)時(shí)院線(xiàn)放映的主流影片大多為4K制作、2K放映的方式。2019年，中影推出了采用4K、3D、高幀率、高動(dòng)態(tài)、廣色域、沉浸聲等前沿技術(shù)的影院系統(tǒng)CINITY，并采用此標(biāo)準(zhǔn)放映了由李安導(dǎo)演執(zhí)導(dǎo)的影片《比利林恩的中場(chǎng)戰(zhàn)事》，此高規(guī)格的DCP文件大小未超過(guò)350 GB。由于《長(zhǎng)征》DCP文件的存儲(chǔ)容量比CINITY的翻了近一倍，幾乎找不到適合的放映環(huán)境。為此，國(guó)家大劇院升級(jí)了相關(guān)展映設(shè)備。服務(wù)器由GDC2000升級(jí)為GDC3000，硬盤(pán)系統(tǒng)也升級(jí)為企業(yè)級(jí)。新升級(jí)的服務(wù)器理論上可以播放4K/60幀格式，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)超過(guò)了《長(zhǎng)征》4K/50幀的要求。經(jīng)過(guò)多次音視頻穩(wěn)定性測(cè)試，2017年7月1日成功以4K/50幀+5.1環(huán)繞聲的電影放映標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了既定的4K拍攝、4K制作、4K展映全流程4K計(jì)劃。

表1 國(guó)家大劇院舞臺(tái)紀(jì)錄電影的4K通用方案

以上這套拍攝、制作、放映方案除前期拍攝環(huán)節(jié)借助廣電系統(tǒng)信號(hào)制作設(shè)備外，整體拍攝和后期制作、展映環(huán)節(jié)均完全參照電影標(biāo)準(zhǔn)。因此，“藝術(shù)放映廳”項(xiàng)目成立之初是參考影院的設(shè)備設(shè)施架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合國(guó)家大劇院的場(chǎng)地基礎(chǔ)環(huán)境打造出了一套“劇院觀影”模式。這套展映標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了在20.32 m（800 in）的巨幕上以20 000 lm的高亮度呈現(xiàn)4K/50幀畫(huà)面，以及5.1環(huán)繞聲的效果。這一標(biāo)準(zhǔn)在2018年的電影放映市場(chǎng)也屬于較高的水準(zhǔn)，在國(guó)內(nèi)劇院及藝術(shù)機(jī)構(gòu)的線(xiàn)下展映領(lǐng)域?qū)儆凇邦I(lǐng)跑者”。與此同時(shí)，國(guó)家大劇院打造出了一整套展映管理流程，涉及展映場(chǎng)地檔期確認(rèn)、舞臺(tái)技術(shù)搭建、展映設(shè)備及人員管理、影片音視頻技術(shù)測(cè)試、展映流程確認(rèn)、開(kāi)票及宣傳、映前導(dǎo)賞、展映應(yīng)急預(yù)案、票房及上座率統(tǒng)計(jì)、觀眾滿(mǎn)意度調(diào)查等方面。

2 國(guó)家大劇院舞臺(tái)紀(jì)錄電影8K制作及展映的技術(shù)性探索

國(guó)家大劇院在2018年聯(lián)合SMG（上海廣播電視臺(tái)）共同攝制了國(guó)內(nèi)首部8K舞臺(tái)紀(jì)錄電影《這里的黎明靜悄悄》。該劇目采用了電影級(jí)8K拍攝制作標(biāo)準(zhǔn)。電影機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)電視訊道攝像機(jī)展現(xiàn)出了更高動(dòng)態(tài)范圍和更廣色彩空間，同時(shí)帶來(lái)了更細(xì)膩的畫(huà)面和電影的空間景深感。雖然是8K拍攝，但這部影片首映播放的是4K版本，在很大程度上是受限于當(dāng)時(shí)播放和展映技術(shù)瓶頸的制約。這也為國(guó)家大劇院創(chuàng)新8K展映模式提出了一個(gè)探索性的課題。

2.1 8K制作及展映技術(shù)路徑的初探

為了能將8K拍攝的影像最終以8K標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行展映，國(guó)家大劇院做了大量理論性與實(shí)踐性相結(jié)合的探索工作。最初的“慣性思路”是繼續(xù)通過(guò)電影展映的方式進(jìn)行4K到8K的升級(jí)。從這點(diǎn)出發(fā)，要解決8K影片的DCP打包制作，8K DCP文件的播放與放映。然而符合數(shù)字電影倡導(dǎo)組織（Digital Cinema Initiatives，簡(jiǎn)稱(chēng)：DCI）規(guī)范的電影打包技術(shù)和電影放映技術(shù)時(shí)至今日依舊只能滿(mǎn)足4K影片的播放及放映。DCI規(guī)范遠(yuǎn)不是滿(mǎn)足一兩家放映機(jī)構(gòu)的特殊需求那么簡(jiǎn)單，而是為了滿(mǎn)足整個(gè)電影工業(yè)的升級(jí)需求。鑒于全球大多數(shù)主流影廳還處在從2K到4K的過(guò)渡階段，走通這條路的可能性微乎其微。走傳統(tǒng)電影升級(jí)之路，意味著要將8K影片分割成4個(gè)4K畫(huà)面分別對(duì)應(yīng)左上、左下、右上、右下的影片內(nèi)容并將其逐個(gè)打包成4個(gè)4K版DCP文件。為了播放這4個(gè)文件需要4臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行時(shí)鐘同步，最后需要用4臺(tái)4K電影放映設(shè)備分別將四部分內(nèi)容拼接投射到同一塊熒幕的左上、左下、右上、右下組合為一幅畫(huà)面。尚且不論4臺(tái)機(jī)器的拼接融合技術(shù)難度和四畫(huà)面幀同步問(wèn)題，僅就4臺(tái)各重達(dá)200 kg以上的電影放映機(jī)的架設(shè)就是一個(gè)難題，比這些技術(shù)難題更加困難的是通過(guò)DCI認(rèn)證。

目前，DCI還沒(méi)有意愿去推動(dòng)這樣一次技術(shù)革新，從芯片升級(jí)到DCI認(rèn)證投影設(shè)備，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都會(huì)在4K的基礎(chǔ)上做修補(bǔ)。因此，從技術(shù)落地層面上需要尋找新的途徑。工程投影和商用LED成為兩個(gè)可以備選的方向。雖然在2019年已經(jīng)有拼接8K電視陸續(xù)問(wèn)世，但其畫(huà)面尺寸并不能滿(mǎn)足近千人劇場(chǎng)同時(shí)觀影的規(guī)模。LED拼接技術(shù)雖然可以達(dá)到8K，但其價(jià)格及施工復(fù)雜程度對(duì)于需頻繁換景的劇場(chǎng)環(huán)境來(lái)說(shuō)并不適合。2019年，在國(guó)家大劇院舉辦的一次特別的展覽“星球的脊梁——純凈星空生態(tài)中國(guó)視聽(tīng)藝術(shù)展”帶來(lái)了新的呈現(xiàn)方式。為了呈現(xiàn)風(fēng)光攝影師的超高分辨率的精美視覺(jué)作品，使用8K圖像抖動(dòng)技術(shù)的投影引起了各界極高的關(guān)注度。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用為8K大銀幕呈現(xiàn)提供了一種新思路，為此國(guó)家大劇院迅速展開(kāi)相關(guān)課題的研究，并與臺(tái)達(dá)集團(tuán)共同探索8K影像在舞臺(tái)紀(jì)錄電影展映展播方面的相關(guān)落地方案。

采用的8K投影機(jī)具有7 680×4 320分辨率，幀率最高可以到60幀，并且采用4路12G SDI輸入輸出接口，支持HLG高動(dòng)態(tài)范圍曲線(xiàn)，色域兼容BT.709和BT.2020，如圖1所示。與此同時(shí)，BMD公司在2020年前后也推出了8K錄放一體機(jī)，如圖2所示，該設(shè)備支持8KProRes 422 以及8KProRes HQ 等視頻格式的錄制與播放，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，目前階段受制于固態(tài)硬盤(pán)讀寫(xiě)速度的限制，ProRes 422已經(jīng)是8K展映穩(wěn)定播放的最高碼流格式。但兩種文件格式都具備完整的多條音頻通道，BMD播放機(jī)支持3G-SDI輸出音頻信號(hào)，這就為8K展映中多通道音頻輸出提供了先決條件。當(dāng)時(shí)行業(yè)內(nèi)的8K播放器設(shè)備已經(jīng)可以初步滿(mǎn)足8K視頻的播放輸出條件。只是受制于SSD硬盤(pán)讀取速率，超過(guò)500 MB/s的文件格式在非服務(wù)器級(jí)別硬盤(pán)播放器上會(huì)出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，過(guò)于低的碼率又不足以支撐8K的分辨率。一部舞臺(tái)紀(jì)錄電影的時(shí)長(zhǎng)一般都在2小時(shí)之上。在保證畫(huà)面不明顯降低質(zhì)量的前提下，采用ProRes 422格式制作的8K視頻播放文件，文件大小在2.5 TB到3 TB之間，這已經(jīng)達(dá)到了高速SSD 4T最大容量的極限，超過(guò)4 TB的文件就只能分成兩塊硬盤(pán)存儲(chǔ)；另一種方案是從服務(wù)器解碼輸出信號(hào)。綜合考量下來(lái)，SSD硬盤(pán)播放器更具性?xún)r(jià)比和移動(dòng)便捷性的優(yōu)勢(shì)。2020年下半年，針對(duì)于劇場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)三維立體聲音效果的研發(fā)也有了新的進(jìn)展。劇場(chǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)接近360沉浸聲效果的擴(kuò)聲，并開(kāi)始了小范圍的測(cè)試。

圖1 8K數(shù)字投影機(jī)

圖2 數(shù)字硬盤(pán)播放器

這些技術(shù)的突破為國(guó)家大劇院舞臺(tái)紀(jì)錄電影8K制作及展映的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。2021年伊始，由吳氏策劃引進(jìn)日本NHK公司提供的修復(fù)版二十世紀(jì)八十年代大師級(jí)的音樂(lè)會(huì)視頻素材本身帶有混錄好的5.1和7.1音頻信號(hào)，同時(shí)片方會(huì)給予22.2分軌音頻文件。為了能將素材文件調(diào)整到可播放的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家大劇院影視節(jié)目制作部通過(guò)多次對(duì)比測(cè)試，最終形成了2套較為可行的技術(shù)方案，如圖3、圖4所示，并完成所有展映文件的打包制作、拷貝及播放硬盤(pán)的制作與籌備。在8K分辨率下實(shí)現(xiàn)高亮度、高幀率和7.1環(huán)繞聲或22.2三維聲的擴(kuò)聲效果。

圖3 8K+7.1/22.2大師音樂(lè)會(huì)音視頻技術(shù)方案

圖4 8K+7.1/22.2音頻視頻播放系統(tǒng)連接測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

2.2 8K超高清+7.1環(huán)繞聲

對(duì)于8K片源的制作，視頻文件格式為8K/60幀 ProRes 422 mov，并加嵌8路音頻信號(hào)。對(duì)于視頻播放，由視頻播放器（數(shù)字硬盤(pán)播放器）負(fù)責(zé)8K視頻文件的播放，8K投影機(jī)+20.32 m（800 in）PVC電影透聲幕負(fù)責(zé)畫(huà)面呈現(xiàn)；音頻信號(hào)的獲取，是由視頻播放器通過(guò)1路SDI接口傳輸?shù)揭纛l解嵌設(shè)備，經(jīng)解嵌后8路音頻經(jīng)調(diào)音臺(tái)輸入數(shù)字音頻工作站進(jìn)行音頻信號(hào)處理，再由功率放大器將放大后的信號(hào)輸出給各點(diǎn)位揚(yáng)聲器。

2021年4月17日和4月19日，在國(guó)家大劇院歌劇院舉辦了“藝術(shù)放映廳”8K舞臺(tái)藝術(shù)影像展映活動(dòng)，利用該系統(tǒng)面對(duì)行業(yè)專(zhuān)家、媒體及公眾放映了2場(chǎng)由日本NHK制作的8K修復(fù)版“大師”音樂(lè)會(huì)影像。利用這次影像展映機(jī)會(huì)，國(guó)家大劇院經(jīng)過(guò)前期大量的測(cè)試和論證，最終實(shí)現(xiàn)了整體鏈路的測(cè)試。2021年5月28日和29日，在國(guó)家大劇院臺(tái)湖舞美藝術(shù)中心，實(shí)現(xiàn)了8K修復(fù)版音樂(lè)會(huì)的8K+7.1環(huán)繞聲技術(shù)的展映，并在此期間進(jìn)行了8K+22.2三維聲的技術(shù)測(cè)試及整體鏈路測(cè)通和展映實(shí)踐工作。

2.3 8K超高清+22.2三維聲

NHK 22.2三維聲標(biāo)準(zhǔn)采用三層揚(yáng)聲器布置，配置上層9聲道、中層10聲道、下層3聲道三層的揚(yáng)聲器，以及下層雙聲道低頻效果（LFE）揚(yáng)聲器，并且規(guī)范了三個(gè)層揚(yáng)聲器的安放位置與角度可逼真地前還原前后左右上下各方向的聲音。由于現(xiàn)階段數(shù)字硬盤(pán)播放設(shè)備最多支持16路音頻錄制和回放，因此單機(jī)數(shù)字硬盤(pán)播放器無(wú)法支持22或24路音頻播放。國(guó)家大劇院采取將8K超高清視頻與24路音頻各自獨(dú)立播放，并通過(guò)視頻播放器的LTC時(shí)間碼進(jìn)行同步的方案，實(shí)現(xiàn)8K超高清+22.2三維聲的效果。

該方案的重中之重就是解決音頻和畫(huà)面的同步問(wèn)題。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，目前階段無(wú)法用音頻工作站作為主時(shí)鐘來(lái)驅(qū)動(dòng)視頻播放，只能以視頻播放器內(nèi)的時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，音頻工作站通過(guò)播放軟件接收視頻播放器發(fā)送的LTC時(shí)間碼信號(hào)，并由此觸發(fā)24路音軌播放。雖然視頻播放器內(nèi)的時(shí)鐘校驗(yàn)機(jī)制與音頻工作站播放軟件內(nèi)時(shí)鐘校驗(yàn)機(jī)制存在差異，但BMD數(shù)字錄放一體機(jī)帶有卡儂口，這就為呈現(xiàn)22.2路音頻給予了一定的測(cè)試基礎(chǔ)，采用音頻解碼器、L-ISA系統(tǒng)并進(jìn)行了多次反復(fù)測(cè)試，采取由Raper軟件鏈接 L-ISA系統(tǒng)，再通過(guò)卡儂口同步time-code到BMD數(shù)字錄放一體機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)在BMD錄放機(jī)上播放視頻同時(shí)同步22.2路音頻文件的播放的方式。通過(guò)音頻工作站安裝的Raper軟件接收并觸發(fā)所有音頻文件先在本地播放，由調(diào)音臺(tái)控制每一路聲音的輸出音量大小，通過(guò)L-ISA系統(tǒng)三維聲音響系統(tǒng)空間定位，如圖5所示，再將22.2路音頻通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和網(wǎng)線(xiàn)的方式進(jìn)行音頻流傳輸，最終實(shí)現(xiàn)22.2路沉浸式擴(kuò)聲效果。由于音頻工作站內(nèi)的Raper播放軟件目前僅支持識(shí)別8K/25P的視頻發(fā)送的LTC時(shí)間碼，如果選擇其他高幀率文件格式會(huì)出現(xiàn)音頻工作站可以檢測(cè)到時(shí)間碼信號(hào)但無(wú)法識(shí)別的情況。兩者之間處于同步、非同步頻繁斷開(kāi)的狀態(tài)。為了減輕數(shù)字音頻工作站的負(fù)載并保證其播放穩(wěn)定性，24路多軌音頻的動(dòng)態(tài)比例調(diào)整為由音頻處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)。經(jīng)過(guò)處理后的三維聲信號(hào)由功率放大器將放大后的信號(hào)輸出給各個(gè)點(diǎn)位的揚(yáng)聲器，如圖6所示。利用這次影像展映機(jī)會(huì)，國(guó)家大劇院驗(yàn)證了前期大量的論證和整體鏈路的測(cè)試。盡管幀率的下降對(duì)于畫(huà)質(zhì)有輕微的損失，但8K+22.2路三維聲所呈現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)效果仍然讓觀眾有“大師再現(xiàn)”的感覺(jué)。如圖7所示。

圖5 I-LISA三維聲音頻處理系統(tǒng)

圖6 22.2聲道揚(yáng)聲器布置

圖7 日本NHK大師音樂(lè)會(huì)放映現(xiàn)場(chǎng)

由此國(guó)家大劇院在探索劇場(chǎng)環(huán)境下展映舞臺(tái)紀(jì)錄電影的的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)從4K提升至8K，并初步完成了全流程鏈路打通。

3 思考與探索方向

針對(duì)8K+22.2三維聲技術(shù)，目前仍有兩方面的不足。

1）由于目前8K的記錄存儲(chǔ)設(shè)備在音頻記錄方面的不足，以至于單一錄機(jī)無(wú)法記錄滿(mǎn)24路音軌，由此帶來(lái)了22.2路音視頻文件的分開(kāi)播放并同步的問(wèn)題。因此，目前以音畫(huà)分開(kāi)獨(dú)立播放并同步的方式作為暫時(shí)解決方案，未來(lái)終將被音頻加嵌后解嵌的方式所取代。

2）22.2路三維聲的制作與展映目前來(lái)看尚未形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，特別是針對(duì)于音樂(lè)會(huì)、歌劇和舞劇這樣有樂(lè)隊(duì)參與的演出項(xiàng)目，聲音的混錄一定要在接近劇場(chǎng)真實(shí)聲學(xué)環(huán)境條件下進(jìn)行制作，盡最大可能還原出符合劇場(chǎng)空間展映的22.2路音頻效果，僅靠現(xiàn)場(chǎng)音頻工作站去處理、分配22.2 路音頻信號(hào)并平衡三維聲效果將是一個(gè)巨大的工程。因此，國(guó)家大劇院將繼續(xù)同行業(yè)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)家、企業(yè)在標(biāo)準(zhǔn)制定方面進(jìn)行不斷的探索，同時(shí)通過(guò)“藝術(shù)放映廳”這一品牌項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)從技術(shù)探索到應(yīng)用落地的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)7年的發(fā)展，國(guó)家大劇院舞臺(tái)紀(jì)錄電影常態(tài)化展映已在國(guó)內(nèi)劇院及藝術(shù)機(jī)構(gòu)當(dāng)中起到了引領(lǐng)、示范的作用，制作與展映技術(shù)從高清跨越式發(fā)展到4K/8K超高清，特別是8K+22.2三維聲技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用具有里程碑式的發(fā)展意義，使影視與表演深度融合，積極探索打造藝術(shù)+科技的新陣地。

筆者作為項(xiàng)目組成員親身經(jīng)歷了這一發(fā)展過(guò)程，深感從新技術(shù)的突破到系統(tǒng)解決方案、實(shí)踐應(yīng)用之間存在著諸多困難與挑戰(zhàn)。一方面需要相關(guān)企業(yè)與技術(shù)人員通力合作攻堅(jiān)克難，另一方面需要有計(jì)劃和成系統(tǒng)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，高效組織各階段論證及測(cè)試環(huán)節(jié)，從易到難的遞進(jìn)式過(guò)程。

國(guó)家大劇院長(zhǎng)期堅(jiān)持“人民性、藝術(shù)性、國(guó)際性”標(biāo)準(zhǔn)，為廣大觀眾源源不斷地提供國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)舞臺(tái)藝術(shù)影像作品。高格式舞臺(tái)紀(jì)錄電影的技術(shù)探索和應(yīng)用不僅收獲了固定的欣賞群體，也為首都惠民文化活動(dòng)貢獻(xiàn)了綿薄之力。