淺析數(shù)字電影母版收繳介質(zhì)及其技術(shù)格式

李聿為

中央宣傳部電影數(shù)字節(jié)目管理中心，北京 100866

1 背景

數(shù)字電影母版收繳工作對于我國電影數(shù)字節(jié)目存儲應(yīng)用有著重要意義，一直由國家電影管理部門統(tǒng)籌規(guī)劃實施，取得了良好的工作成效。隨著以HD D5、HDCAM SR 等國外技術(shù)為主的視頻磁帶停產(chǎn)，其市場存量也已消耗殆盡，亟需將數(shù)字電影母版收繳介質(zhì)及其技術(shù)格式進行及時厘清，深入研究收繳技術(shù)方案設(shè)計規(guī)劃，為保障我國數(shù)字電影母版收繳工作有序落地實施提供有效技術(shù)支撐。

我國數(shù)字電影母版收繳工作主要依據(jù)《數(shù)字母版有償收集暫行規(guī)定》，目前規(guī)定收繳介質(zhì)為送審合格的電影片數(shù)字母版，如視頻磁帶或DCP 硬盤，但是規(guī)定中沒有明確具體技術(shù)參數(shù)細節(jié)[1]?！稊?shù)字電影存檔母版技術(shù)規(guī)范》于2021年頒布實施，對于數(shù)字電影母版收繳有較高的參考價值，提出了采用JPEG 2000第一部分的無損壓縮進行存檔母版保存，但是沒有給出介質(zhì)的視頻質(zhì)量比較及其制作成本、技術(shù)壽命的關(guān)鍵指標[2]。國外相關(guān)研究主要集中在技術(shù)封裝格式及其編碼，其中SMPTE 標準《互操作母版格式核心約束》（ST 2067-2:2020 -SMPTE Standard -In-teroperable Master Format — Core Constraints）規(guī)范了數(shù)字電影存檔母版圖像總體技術(shù)要求，但是沒有進行詳細全指標體系比對[3]。

因此，鑒于國內(nèi)外數(shù)字電影母版收繳技術(shù)研究缺少相對詳細技術(shù)參數(shù)設(shè)定以及針對指標比對詳細測評的現(xiàn)狀，本文從數(shù)字電影母版收繳介質(zhì)的技術(shù)體系代次、壽命、成本及影片畫面編碼質(zhì)量測評研究入手，給出數(shù)字電影母版收繳介質(zhì)選型應(yīng)考量的技術(shù)原則及關(guān)鍵指標，進行數(shù)字電影母版收繳格式的影片畫面編碼質(zhì)量測評比對。針對我國數(shù)字電影存檔母版保存的實際情況，特別是互操作母版格式（Interoperable Master Format，IMF）等技術(shù)格式應(yīng)用還有待進一步推廣應(yīng)用，其宜作為將來數(shù)字電影存檔母版的技術(shù)演進方向，本文重點考慮目前實際已在廣泛應(yīng)用的視頻磁帶和DCP 優(yōu)劣，提出一套數(shù)字電影母版收繳介質(zhì)及其封裝編碼格式的技術(shù)實用方案，供業(yè)界參考借鑒。

2 收繳介質(zhì)技術(shù)指標對比

適用數(shù)字電影母版存檔的收繳介質(zhì)主要有硬盤、藍光光盤、LTO 磁帶、視頻磁帶[4][5]，筆者著重對各種介質(zhì)讀寫速率、存儲容量的大小等性能指標以及經(jīng)濟成本、介質(zhì)的技術(shù)代次更迭等方面做了詳細分析。

2.1 硬盤

硬盤主要分為機械硬盤（HDD）和固態(tài)硬盤（SSD）。

（1）機械硬盤作為傳統(tǒng)存儲設(shè)備之一，具有容量大、成本低的特點，在大文件存儲方面具有一定的優(yōu)勢。

機械硬盤量通?？梢蕴峁?shù)百GB 到數(shù)TB 的存儲空間，目前單盤最大容量達到20TB 以上，選擇單盤容量為6TB～10TB，轉(zhuǎn)速7200rpm 的機械硬盤，可以滿足大文件存儲的需求。機械硬盤的成本較低，可以提供一種經(jīng)濟實惠的存儲解決方案。此外，機械硬盤的數(shù)據(jù)讀寫速度在進行大文件存儲時，速度可以滿足一般應(yīng)用的需求。機械硬盤可以使用SATA（Serial ATA）或SAS（Serial Attached SCSI）接口直接連接計算機或其他設(shè)備上，通過簡單的拷貝和傳輸操作即可進行文件的讀寫，具有即插即用的便利性，讀寫操作更加靈活和便捷。

（2）固態(tài)硬盤采用閃存存儲技術(shù)，沒有機械部件，讀寫速度遠遠快于機械硬盤[6]。由于支持隨機訪問且?guī)缀醪粫霈F(xiàn)延遲，固態(tài)硬盤能夠在毫秒級別進行數(shù)據(jù)讀寫。

近年來固態(tài)硬盤發(fā)展迅速，價格不斷下降，容量、性能、長期存儲特性等不斷提升。在讀寫速度上，固態(tài)硬盤速度按照PCIe 5.0 標準，其理論速度可達32GB/s，即便在實測時受到不同接口或文件特性限制，其性能已經(jīng)遠遠超出LTO 磁帶、藍光光盤、視頻磁帶等其他介質(zhì)。由于不具備機械運動和旋轉(zhuǎn)磁盤，固態(tài)硬盤對震動和沖擊具有更好的抵抗能力，面對外界的碰撞和振動，固態(tài)硬盤體現(xiàn)出高可靠性。固態(tài)硬盤內(nèi)置用于檢測和糾正存儲器中的位錯誤的高級錯誤校驗和糾正（Error Checking and Correcting，ECC）技術(shù)，體現(xiàn)了固態(tài)硬盤具有更好的數(shù)據(jù)保護能力[7]。2TB 左右的移動固態(tài)硬盤壽命通常在5～10 年，能夠滿足數(shù)字電影母版收繳介質(zhì)性價比及可長期存儲的基本要求。國內(nèi)固態(tài)硬盤國產(chǎn)化先行廠商在研究和開發(fā)方面投入大量資源，提高了固態(tài)硬盤的性能和穩(wěn)定性，在產(chǎn)能上已具備相當規(guī)模，并逐漸形成全面追趕的良好態(tài)勢。

2.2 藍光光盤

藍光光盤作為一種光存儲介質(zhì)，具有高密度、高抗干擾性和高耐久性的特點。藍光光盤單盤最大容量可達500GB 以上，六層結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有抗熱、抗?jié)癍h(huán)境的能力，以及長期保存數(shù)據(jù)的耐久性。國外以索尼、松下藍光光盤為主，國內(nèi)以華錄、紫晶存儲等藍光光盤為主，國內(nèi)也有部分創(chuàng)業(yè)公司正在拓展自主產(chǎn)業(yè)鏈，通過國際藍光聯(lián)盟（Blu-Ray Disc Association，BDA）認證，在大容量藍光光盤制造領(lǐng)域已具備了滿足行業(yè)標準的自主生產(chǎn)技術(shù)能力。

作為現(xiàn)階段常用的光存儲介質(zhì)，藍光光盤具備安全可靠性高、存儲壽命長、非接觸式讀寫等特點[8]。其存儲時長為所有介質(zhì)當中最長的，可達50年左右。因此，相較于磁存儲和電存儲，藍光光盤的可靠性更高[9]。作為一種被動存儲介質(zhì)，藍光光盤不需要外部電源供應(yīng)，其能耗主要來自光驅(qū)讀取和寫入數(shù)據(jù)時所需的功率[10]，因此在使用中的能耗相對較低。通過對三種存儲介質(zhì)的能耗對比（表1）可知：機械硬盤的能耗大于固態(tài)硬盤，藍光光盤的能耗最小。在相同容量下，藍光光盤相比機械硬盤的能耗降低90%以上，空間占用節(jié)省60%以上。盡管藍光光盤的讀寫性能適中，但由于市場主要由索尼、松下等國外公司占據(jù)，且成本長期居高不下，性能也受限于光驅(qū)技術(shù)的代次更迭標準體系。國內(nèi)光盤生產(chǎn)企業(yè)主要集中在光盤制造環(huán)節(jié)，目前尚無打通全部生產(chǎn)鏈條的企業(yè)能夠規(guī)模化供給全國產(chǎn)化的藍光一體化存儲產(chǎn)品。

表1 機械硬盤、固態(tài)硬盤和藍光光盤能耗對比表

2.3 LTO 磁帶

作為可長期存儲的數(shù)據(jù)介質(zhì)，LTO 磁帶已經(jīng)廣泛用于各個行業(yè)。由于結(jié)合了線性多通道和雙向磁帶格式的優(yōu)點，配備了先進的服務(wù)系統(tǒng)，LTO 磁帶常被應(yīng)用于控制和管理磁帶讀寫過程中的各項操作，采用硬件數(shù)據(jù)壓縮、優(yōu)化磁道面設(shè)計和高效率糾錯技術(shù)等方式以提高磁帶的能力和性能[11]。

LTO 磁帶的存儲時長約為30 年。根據(jù)資料顯示，最新推出的LTO Ultrium 9 第九代開放線性磁帶，通過應(yīng)用新的專利技術(shù)可提供18TB 的原生數(shù)據(jù)或45TB 的壓縮數(shù)據(jù)，相比上一代LTO Ultrium 8 系列磁帶性能提高了50%，最高讀寫速度可達400MB/s，但與硬盤相比尚存在一定差距。LTO 磁帶單TB 成本在四種存儲介質(zhì)中最便宜，甚至隨著代次更迭會更低。盡管整體能耗較低，但LTO 磁帶需要專用磁帶機設(shè)備進行讀取，隨著LTO 磁帶代次的更迭，相應(yīng)磁帶機設(shè)備也需要進行升級更換，且每代磁帶機最大向下兼容為兩代讀、一代寫。因此升級更換新一代磁帶機需要額外的更換成本。由于技術(shù)門檻和市場競爭等因素，目前暫時沒有國產(chǎn)化LTO 磁帶產(chǎn)品，該領(lǐng)域仍主要由IBM、昆騰（Quantum）、惠普（HP）、戴爾（Dell）等國外廠商主導(dǎo)。

2.4 視頻磁帶

視頻磁帶主要指HDCAM SR、HD D5 等專用視頻磁帶，目前主要由索尼、松下等公司占據(jù)，且目前該類存儲介質(zhì)已停產(chǎn)[12]，國內(nèi)僅有很少存量可供使用一段時間，挖掘可替代的技術(shù)解決方案已勢在必行，國家相關(guān)管理單位已經(jīng)在組織力量進行專門方案研究及技術(shù)攻關(guān)。替代方案可針對性對標參考視頻磁帶的質(zhì)量，其中HDCAM SR 視頻核心編碼主要采用MPEG-4 Studio Profile 標準算法，HD D5 視頻核心編碼主要采用MPEG-2 幀內(nèi)算法，具有較高壓縮效率和圖像質(zhì)量。考慮到目前視頻磁帶所面臨的國外壟斷、價格昂貴等現(xiàn)狀，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)也做過仿照式攻關(guān)，但應(yīng)根據(jù)技術(shù)趨勢進行適時的技術(shù)路線調(diào)整，以免造成不必要的研發(fā)代價。

3 收繳總體要求

數(shù)字電影母版收繳介質(zhì)選型的總體原則主要包括：（1）解決收繳工作的“卡脖子”問題，從技術(shù)角度選出不依賴于某一特定廠家的介質(zhì)選型方案；（2）綜合考慮經(jīng)濟成本、代次更迭、使用壽命、讀寫性能和存儲量等其他相關(guān)因素，選定壽命長、代次更迭穩(wěn)定、成本可控的有效介質(zhì)。

3.1 技術(shù)依賴因素

視頻磁帶、藍光光盤受限于技術(shù)壁壘，且主流品牌的視頻磁帶均已停產(chǎn)，不能作為最佳選擇。硬盤及LTO 磁帶通常依據(jù)國際標準生產(chǎn)，不受某一兩家公司的限制?？紤]到大部分LTO 磁帶生產(chǎn)線主要布局在國外，除了在東南亞設(shè)有生產(chǎn)線外，東芝已在我國廣東省籌劃建立了全新硬盤生產(chǎn)線，因此建議將硬盤和LTO 磁帶兩種作為優(yōu)先選擇。由此來看，介質(zhì)選型考慮順位為：硬盤、LTO 磁帶、藍光光盤、視頻磁帶（已停產(chǎn)）。

3.2 其他因素

（1）硬盤成本最高，但技術(shù)壽命適中，其本身代次更迭為向下兼容形式。

（2）LTO 磁帶成本最低，技術(shù)壽命較長，但代次更迭為兩代讀、一代寫，不能實現(xiàn)完全向下兼容，隨著LTO 技術(shù)的更新和升級，大約每隔2～3 年會進行一次更新迭代升級，每兩次迭代升級后為了保證數(shù)據(jù)在新代次設(shè)備上的可讀性，歷史數(shù)據(jù)需進行全量遷移，而且需要專用的讀寫設(shè)備，成本耗費較大。

（3）藍光光盤成本適中，技術(shù)壽命最長，技術(shù)代次更迭可向下兼容。

綜合以上分析，本文推薦選擇硬盤作為數(shù)字電影母版收繳技術(shù)介質(zhì)，雖然有一定成本，但考慮其讀寫性能最快、壽命較長，且代次更迭完全向下兼容，不需要專用的讀寫設(shè)備，隨著技術(shù)的更迭單TB 容量成本呈較快下降趨勢，成本可控，是目前較適合的可替代磁帶進行存儲的介質(zhì)選擇方案。

4 收繳格式解析

在數(shù)字電影母版收繳工作過程中的另一個核心關(guān)鍵問題在于收繳母版技術(shù)格式的確定。對于技術(shù)格式的選型應(yīng)遵循以下基本原則。

（1）具有長久的生命力，不受限于某一家特定公司技術(shù)的專利，具有開放性，可通過標準的加密手段保障母版內(nèi)容安全。

（2）采用高質(zhì)量視頻編解碼技術(shù)，在電影行業(yè)內(nèi)已有廣泛應(yīng)用；具有可拓展性，可通過技術(shù)標準的延伸或不同檔次適配不斷升級數(shù)字電影母版技術(shù)規(guī)格質(zhì)量。

（3）具有可匹配專用的制作、播放軟硬件設(shè)備，具有可操作性，能夠通過易于得到的軟硬件設(shè)備或公共服務(wù)制作收繳技術(shù)文件，且成本適中。

（4）視頻質(zhì)量應(yīng)不低于影院播放格式，且與HDCAM SR 等行業(yè)慣用介質(zhì)相比，應(yīng)具有不斷更新迭代能力。

在明確總體選型原則的基礎(chǔ)上，筆者首先從技術(shù)格式特別是視頻核心編碼技術(shù)細節(jié)進行理論分析，其次從實驗角度搭建相關(guān)測試環(huán)境驗證分析結(jié)論，針對DCP 與視頻磁帶圖像質(zhì)量進行主觀評價。通過實驗數(shù)據(jù)分析對比，最終選出較為合理的數(shù)字電影母版收繳技術(shù)格式。

DCP 采用JPEG 2000 進行視頻編碼[13]，具備容納高碼率、高分辨率（HR）、廣色域（WCG）、高幀率（HFR）[14]等符合影院級質(zhì)量要求的顯著特征優(yōu)勢[15]。其最大優(yōu)勢在于可以支持分辨率、幀率的技術(shù)延伸，在未來規(guī)模化應(yīng)用4K/8K、HFR 等高新技術(shù)格式的電影場景中，JPEG 2000 有著更廣泛、更適配、更契合的使用成效[16][17][18][19]。HDCAM SR 采用MPEG-4 Studio Profile 進行視頻編碼，Studio Profile 是專為影視制片制定的技術(shù)標準，同樣支持碼率至1.2Gbps。

本文采用圖像序列幀PSNR 值客觀比對（圖1），反饋同源DCI StEM 標準測試序列按照MPEG-4 Studio Profile 440Mb/s、JPEG 2000 250Mb/s 不同編碼方式的影片畫面質(zhì)量客觀指標差異。此外，截取影片畫面質(zhì)量差異明顯部分，例如雨夜鏡頭畫面暗部等，做進一步主觀感受說明。

圖1 DCP 與HDCAM SR 視頻磁帶畫面質(zhì)量對比實驗工藝圖

筆者采用與DCI StEM 標準測試序列源TIFF 序列幀進行測定對比，分別對標準測試序列中的日光景、傍晚景、暖夜景、冷夜景、雨夜景進行PSNR 值計算[20]，通過DCP 和HDCAM SR 磁帶輸出的TIFF 幀 在不同場景下的畫面對比及相應(yīng)PSNR 值如圖2 至圖6所示；計算與DCI StEM 源TIFF 幀的平均、最大及最小PSNR 值，結(jié)果如表2所示。

圖2 單幀日光景畫面DCP、HDCAM SR 磁帶TIFF 幀對比圖

圖3 單幀傍晚景畫面DCP、HDCAM SR 磁帶TIFF 幀對比圖

圖4 單幀暖夜景畫面DCP、HDCAM SR 磁帶TIFF 幀對比圖

圖5 單幀冷夜景畫面DCP、HDCAM SR 磁帶TIFF 幀對比圖

圖6 單幀雨夜景畫面DCP、HDCAM SR 磁帶TIFF 幀對比圖

表2 多場景DCP、磁帶PSNR 值對比表

通過系列技術(shù)測試結(jié)果表明，DCP 在容納亮度層次細節(jié)方面表現(xiàn)突出，整體畫質(zhì)更細膩、層次更豐富。尤其是在畫面暗部表現(xiàn)方面，DCP 能夠保留更多細節(jié)。

在進行視頻質(zhì)量主觀感受比對分析時，筆者選用Barco 4K 放映機專業(yè)設(shè)備播放DCP、HDCAM SR磁帶視頻輸出的視頻。在日景光線亮度高的場景下，DCP 和HDCAM SR 磁帶視頻畫面基本差別不是特別明顯，但在畫面場景亮度不高的場景下，DCP 在容納亮度層次細節(jié)方面表現(xiàn)突出，且保留了更豐富的畫面細節(jié)，色彩層次感更加明顯。圖7 中，a 處窗戶邊框輪廓、b 處男主角左半邊臉面部細節(jié)以及c 處男主角手部握傘的手指細節(jié)，相比HDCAM SR 磁帶輸出的視頻畫面，DCP 畫面包含了更豐富的畫面細節(jié)，特別是b 處，HDCAM SR 磁帶視頻畫面中呈現(xiàn)大面積黑色，細節(jié)直接丟失了，而DCP 畫面還能清晰地看到皮膚、眼睛的輪廓。圖8 中，a 處墻腳輪廓、b 處房頂瓦片輪廓，相比HDCAM SR 磁帶視頻畫面，DCP畫面同樣也包含了更豐富的墻壁和瓦片畫面細節(jié)。

圖8 單幀雨夜景畫面2 HDCAM SR 磁帶（左圖）、DCP（右圖）單幀對比圖

筆者通過對DCP 與HDCAM SR 磁帶的視頻質(zhì)量做了理論分析及詳細測定實驗，并結(jié)合選用Barco 4K 放映機播放視頻進行視頻質(zhì)量主觀對比，得出如下結(jié)論：總體上DCP 視頻質(zhì)量優(yōu)于HDCAM SR 磁帶視頻質(zhì)量，特別是在光線較暗的場景下DCP 視頻圖像失真更少。因此在進行視頻存儲時選擇DCP 作為數(shù)字電影母版收繳技術(shù)格式較為合理。此外，DCP已在電影行業(yè)廣泛應(yīng)用，具有相當?shù)拈_放性，制作軟件設(shè)備可選范圍也較大，視頻編碼質(zhì)量為影院級，有一套完整的加密技術(shù)保障母版內(nèi)容安全，成本可控。

5 結(jié)論與展望

經(jīng)過綜合考量，依據(jù)本文客觀測定結(jié)果，本文建議采用硬盤作為數(shù)字電影母版收繳的技術(shù)介質(zhì)，采用DCP 作為數(shù)字電影母版收繳的技術(shù)格式。但是仍有一些問題需要行業(yè)統(tǒng)籌解決：第一，目前DCP 制作成本較高，雖有送繳補償，但還不足以適配市場行情，建議加大母版收繳扶持力度；第二，目前母版收繳有賴于片方自覺性，公共服務(wù)設(shè)施手段也較匱乏，建議加大母版收繳公共服務(wù)平臺建設(shè)工程扶持力度，包括母版云傳輸、母版庫平臺等；第三，DCP 的技術(shù)核心被國外廠商壟斷，為防止產(chǎn)生“卡脖子”問題，建議加大DCP 產(chǎn)業(yè)生態(tài)國產(chǎn)化支持力度，包括加快DCP 制作軟硬件設(shè)備國產(chǎn)化；第四，在解決現(xiàn)有問題的基礎(chǔ)之上，跟蹤國內(nèi)外數(shù)字電影存檔母版保存技術(shù)最新進展，宜重點跟蹤JPEG 2000 第一部分無損壓縮技術(shù)，為將來數(shù)字電影母版存檔技術(shù)體系演進做好預(yù)研基礎(chǔ)。