电影技术的数字化历程

电影技术的数字化历程
施正宁
前言
当前正处于一个电影技术剧烈变革的时代，也许用不了几年时间看电影时人们就不需要再去打听这部影片是数字电影还是胶片电影了。

因为你所观看的电影都是用数字技术映示的，正如现在人们一提光盘肯定就是指数字光盘，前面不再加数字两字一样。

而且所有的电影从摄制到放映整个过程都用数字技术，进入一个真正意义的数字电影时代，也许并非遥不可及之事了。

电影是以活动影像技术为基础的艺术,随着技术的进展, 百余年来电影曾经历了从无声到有声,从黑白到彩色等几个里程碑式的发展。

现在,随着计算机和数字影像技术的高速发展,电影又已开始逐步进入全面数字化时代。

从影片前期摄制、后期制作、到拷贝发行和放映全部过程都有了数字化解决方案,并且都已进入实用。

在电影百余年的发展过程中,数字化进程大致开始于上世纪80年代,所用时间并不长,但其带来的变化和影响却是空前的。

数字化使电影从媒介形态到制作方式和工艺流程都产生了与传统胶片电影根本性的区别。

一般将活动影像技术分为基于感光化学的传统电影(胶片) 技术, 基于无线电电子学的视频技术和基于计算机科学的数字技术几个方面,因此有胶片影像、视频影像和数字影像等名词之称。

它们出现的时间先后有别,甚至还给人以时代差异上的感觉。

不过,我认为，如果从物理(或物质)层面来探讨这些影像本身的性质, 活动影像其实就只有胶片影像和电子影像两大类,因为影像主要是光线和视觉(其中包含生理和心理方面的因素)的结合产物。

视频影像和数字影像都属于电子影像,尽管数字技术带来的质的差别已远远超过了量上的。

但毕竟数字只是一种传达和处理信息所用的形式和方式,影像仍然需要依赖物理的光电子器件才能够获得(除计算器生成的外)，才能为视觉所感受。

这里所指的数字并非过去只针对模拟的狭义数字, 而是主要应包涵由数学运算产生结果的广义的数字。

电影走向数字化是计算机技术飞速发展的结果,同时也是与电子影像采集和显示有关的光→电、电→光转换器件等硬件技术持续发展分不开的。

以卤化银感光胶片为基础的电影是人类社会第一种能够获取、记录和再现活动影像的技术。

胶片集影像采集、记录和显现等功能于一体。

理论上电影负片的解像力约为100线对/mm, 通常每个线对相当两行电视行, 35mm学院格式画幅宽度上约有2200线对,相当于4000(4K)电视线。

此外电影负片的曝光宽容度大于10
时画面最高和最低亮度比接近1000。

百余年来,虽然胶片电影的基本形式改变不明显, 但胶片性能，如感光度、宽容度、分辨率、彩色还原等方面却在持续改进,其影像质量一直是最高的。

然而,胶片画面只能够用光学化学方式制作和处理,手段比较有限,而且经常需用多次翻制过程,使最终质量下降。

此外胶片电影必须采用实物运输才能发行到各处。

晚于电影三十多年的电视,是一种电子影像技术,包括了影像摄取、处理、传输和接收显示等各个方面,在解决了记录问题后,成为了另一种完整的活动影像技术。

电视当初的设计是为了图像传输、广播以及家庭收看。

由于广播时需占用无线带宽，而这是非常宝贵的公共资源,因此在满足一定收看质量条件下限制信号带宽是必须考虑的问题之一。

加之当时的硬件技术水平和成本等因素,限制了电视图像的扫描行数等标准的制订,标准清晰度电视在演播室的图像清晰度约为400多线。

信息量更高的彩色电视因为需要和黑白电视兼容,色度信号带宽进一步被压缩, 彩色分辨率更低。

而且受彩色显像管荧光粉所限, 电视色域范围也比电影胶片小，电视图像与电影质量差距较大。

以后高清晰度电视HDTV的发展则逐渐提高了电视图像的质量，数字高清电视问世后,质量开始近一步向电影靠近, 而且处理方式也更多样化。

现在1080/24p数字高清电视的图像具有1920×1080像素,宽高比为16∶9，近似于电影遮幅格式。

不过，电视往数字和高清方面发展，其数据量也随着信息量的增加而显著提高。

我们一般称非广播目的的电视技术为“视频技术”，因可不受广播的带宽制约，在处理时，视频数据量高些也无妨（现在，即使广播，由于采用了数字压缩技术,带宽并无太多增加）。

视频图像由行和场扫描构成,它的处理是在行和场电子扫描信号的基础上进行的, 可以进入图像的局部进行处理而且方式灵活多样。

目前在电视显示器件方面,满足高清分辨率的LCD、PDP等大尺寸平板型显示器件，和可利用更大尺寸投影银幕的DLP器件发展非常迅速,基本上已经摆脱了电视系统受显像管荧光粉色域较小带来的局限,使色彩还原得以改善。

数字影像主要指由计算机生成的影像(CGI), 或者用计算机数字技术处理的影像。

虽然它们的显示也用与电视基本类似甚至同样的电子显示器件，不过由于不受电视制式制约, 数字影像分辨率可按需要做得更高,它的彩色空间也可另行定义,质量可以更高。

数字影像以像素为基本单位,处理时可以进入图像的微观部分,并且以数学运算方式实现。

因此在既复杂又变化繁多的影像制作和创作中,只要能够想得出来,就有可能做得出来。

事实上,计算机数字影像、计算机动画等技术早已广泛应用在许多行业,也逐渐在电影行业中开始应用。

不过影视等活动图像的数据量非常高,用于电影制作必需使用功能强大的计算机系统。

幸运的是,近年计算机系统、数据存储、高速网络、及相应的通用和专用软件发展速度惊人,已完全能够满足这方面的需要。

以下分几个方面对电影的数字化（未涉及电影的声音数字化）作一较全面的回顾：
数字视觉效果
或许数字视觉效果（或特技）制作是最早将电影引入数字领域的一扇窗口。

因为用传统的光学、化学、机械等结合方法制作电影特技,有许多效果无法实现,而应用计算机技术这些难题则能够迎刃而解。

电影制作中第一部局部镜头采用计算机生成二维影像的影片或许是《西部世界》(1973),它的续集《未来世界》(1976)则用三维CGI的线框图生成了脸和手。

乔治·卢卡斯的科幻巨片《星球大战》(1977) 据说是第三部采用这种技术的影片。

不过让这部影片更加令人赞叹的则是其中显现得非常真实的宇宙空间活动合成景象。

卢卡斯于1975年建立的制作基地“工业光魔” (ILM)在这部影片制作中开始运用计算机来控制摄影机的复杂运动,一套称为Dykstraflex的设备,使摄影机能够在指令控制下精确地按多维轨迹复制运动,使多重合成景象显得非常真实。

此外,它还具有背景、前景和灯光效果等多重复用的能力。

这种在摄制中运用“运动控制”所获得的效果是传统活动遮片特技制作无法比拟的。

1982年,迪斯尼科幻影片《TRON》,以及1984年《最后的星球战士》则是最初的两部大投资的实体三维CGI制作。

《TRON》中有15至20分钟计算机生成的画面和实际拍摄的镜头剪接在一起。

但是这些影片商业上并不成功,而且还导致多数导演对使用CGI镜头的意愿降低,因为他们感觉角色形象太过于像计算机生成的了。

1988年迪斯尼影片《谁陷害了兔子罗杰》的制作也是一种有代表意义的做法,画面是计算机动画角色兔子罗杰与真实拍摄的景物合成的。

直到1989年,ILM制作的具有复杂效果的影片《深渊》获得奥斯卡视觉效果奖,CGI才再次赢得电影界的重视。

在1992年《终结者-2,审判日》中,以CGI角色为中心,形象变化着的液态金属反面角色终结者T-1000完全结合到整部影片的动作片段中。

1993年《侏罗纪公园》中，CGI创作的恐龙天衣无缝地融入实际的动作片段中,成为电影工业的一次革命。

它象征着好莱坞从逐格动画和传统光学特技向数字技术的转型。

1994年《阿甘正传》中的CGI效果多种多样,其中有一些用数字技术将阿甘合成到真实历史事件中去的镜头。

上世纪90年代采用数字技术的影片得到迅速发展,到本世纪初数字形式的特技制作已占绝对优势。

技术已经发展到这样一种阶段,可以使用虚拟特技替身,摄影机跟踪软件也变得更为精确,使过去无法制作的日益复杂的视觉效果成为可能。

在人山人海的大场面里,越来越多地通过先进的群众集结仿真软件,使用计算机生成群众演员了。

三维计算机动画电影结合了三维建模和运动编程,创建的角色和物体活灵活现。

其中动画人物有虚拟的活动骨关节,用虚拟的牵线木偶控制器操纵它们的动作与运动, 控制器的数量高达成百上千。

有些影片中,仅控制脸部活动就用了七百多个控制器。

1995年,一部完全用计算机生成的迪斯尼动画故事片《玩具总动员》大获成功。

从此，许多动画片厂都投入这方面的制作, 迪斯尼公司也从传统动画制作转入计算机动画制作。

2005年,重拍故事片《金刚》时,设计人员用真人演员帮助确定大猩猩在镜头里的位置,并且还用他的表情为这个动物模仿人的特征。

2001年,SQUARE PICTURE 的科幻片《Final Fantacy: The Spirits Within》曾用计算机生成像真人的角色,但结果似乎不太理想,一些评论认为可能是因为主要角色面部表情有些不可思议。

看来用计算机生成真人一样的角色尚有一段路要走。

电影数字视觉效果制作获得的辉煌成就,首先归功于各种有关计算机软件,如Autodesk 3ds MAX、Autodesk Maya、Softimage XSI、LightWave 3D、Pixar Renderman 以及其它许多优秀软件。

它们版本不断升级,新软件也陆续出现,推动着电影数字视觉效果一直往前发展。

高分辨率电子中间系统
许多胶片拍摄镜头的画面需要用计算机技术加工和处理,例如: 进行影像合成、线痕(如线缆,演员的吊绳)去除、部分彩色校正、改变照明、影像增强、滤光效果、影片缺陷消除和修复等。

另方面，有些特殊视觉效果以及角色物体的创作也越来越多依赖计算机技术制作，这些处理和制作过程获得的数据最后需再转回到胶片,以便和其它的场景剪辑在一起。

柯达公司在1988年推出了“高分辨率电子中间系统(High Resolution Electronic Intermediate System )”。

这个系统的流程特征是,胶片进(film in)和胶片出(film out)，而中间过程为计算机加工处理。

这需要先将原底片的画面转换成数字影像的数据以便计算机处理加工，获得的数据再转回到胶片上,作为中间底片输出。

这个系统要求是透明的,即经过数字加工处理和转录后输出的中间底片在质量上应该和输入的原始影片相同, 即几乎没有可察觉的质量下降,中间底片与原底片间应能做到无缝拼接(seamless cut)。

柯达在沟通化学影像与电子影像方面，曾做过大量研究工作。

例如,将摄影曝光胶片与用扫描曝光胶片的影像质量进行测试对比,获得的结论认为用4000线扫描的影像质量与原底的影像质量大体相当,而影院35mm拷贝放映的影像质量则相
线底片印制的拷贝则较用2000线底片印制的拷贝质量高。

对影片数字化所需量化级数也作了许多研究,认为不应低于10比特深度,对于底片则不应低于12比特(对数) 。

在影片宽容度方面,要求应当有10挡光圈左右的曝光范围。

柯达实际的电子中间片系统称为Cineon,系统的流程大体为: 原底片进→影片扫描→数据存储→计算机工作站处理→数据存储→胶片记录→电子中间片出。

它是柯达设计的第一套用于此目的的包括工作站及合成软件、以及影片输入和输出设备的及其数据存储等硬件的计算机系统,能够提供2K和4K端到端的解决方案。

1992年, 柯达建立了以Cineon系统为核心的称为 Cinesite 的数字制作单位, 1994年曾对约在之前60年迪斯尼制作的动画片《白雪公主和七个小矮人》进行过修复,去除划痕、霉斑,并复原已褪去的色彩,整部影片整旧如新。

之后制作过多部影片中的数字影像部分。

1989年柯达公司还曾就建立一种用于影片制作的数字图像格式标准提出过建议。

Cineon系统建立后, 为统一制作中影片数据的文件格式,根据其“FIDO”影片扫描器的输出文件格式,制订了Cineon的数字图像交换文件格式。

后来SMPTE 为了将它的使用范围扩展到电影之外的其它图像源,将Cineon格式的字头进行了扩充,称为DPX(数字图像交换)文件格式,也称Cineon/DPX文件格式,成为SMPTE 268M-1994标准(现行版本是SMPTE 268M-2003)。

这个文件格式广泛用来代表对数10比特扫描底片每个彩色通道的密度,扫描时保留摄影原底的伽玛值。

这个文件格式也支持其它常用的视频格式。

DPX为存储彩色以及各个制作单位之间交换其它信息提供了极大的灵活性。

它是目前数字影像制作行业一直使用至今的主要标准之一。

实际上胶片进,胶片出,中间用计算机处理这种模式,也是许多影片制作机构的共识。

因此类似的还有其它一些系统,例如宽泰的DOMINO系统,日本的IMAGECA,以及其它一些制作公司各自配置的系统,都有其自身的特点。

在电子中间片系统里, 除必需具有功能强大的计算机及相关软件,更关键的技术是胶片扫描和胶片记录设备。

由于保持了胶片大信息容量的优势, 所以它们的数据量的确非常可观,一格影片数据约为20至50兆字节,不但在存储容量,还有传输速度方面都给系统带来了很大的挑战。

这些光机电设备的工作速度往往成为系统的瓶颈。

柯达最早采用的4096像素三线阵CCD影片扫描器(有定位针)每秒钟只能扫描一格画面, 其激光胶片记录器的工作速度则慢到几十秒钟一格。

幸运的是,这些年来有关的设备水平都有了显著提升。

影片扫描和记录器对于转换工作量极大的数字中间片流程是极为关键的因
方式, 面阵CCD器件采用间歇传动,大多有定位针,精度高,但速度低。

现在Arri 的Arriscan扫描器能做到每秒8格(2K), Arri新扫描器则用了CMOS器件和用LED 作光源。

Thompson Grassvally的Datacine用连续输片,2K(2048×1556)时可以实时扫描, 4K(4096×3112)时则为每秒8格。

胶片记录器大多用飞点扫描管或激光光束来曝光胶片。

由于分辨率愈高需用的扫描光点应当愈细小，但它们的能量也低，因此必须在光束粗细(关系到影像分辨率)和光束亮度(关系到影片密度和工作速度)之间采取平衡。

应用飞点扫描的有Celco(早期曾用于《TRON》的胶片记录)、Domino、Solitair等,Celco 新的Fury4K 速度已达到每格1秒。

应用激光的有Arri、Lasergraphic等。

Arrilaser采用固态RGB激光器,速度在2K时每格2.2秒(全片门),4K时每格3.8秒(全片门)；Lasergraphic速度2K时每格1秒。

现今记录器的速度已比初期时提高了数十倍,进步十分显著。

数字非线性编辑
20世纪80年代后期,个人计算机迅速发展并广泛应用。

随着运算速度、存储容量和功能的成倍提高, 个人计算机成为适于各种非计算机专业人员工作中大量使用的工具。

另一方面,数据压缩技术使声音、图像尤其是数据量很大的活动图像都可以成为个人计算机能够处理的数据，促进了能综合对文字、静止图像、音频和视频等媒体进行互动操作的多媒体技术得到进一步发展。

计算机对以数字化形式存在的任何信息,都可以用类似对待文字处理的方式对它们处理、随机调动和任意编排,具有非线性的特点, 而非线性方式对于影视信息处理非常有利。

尽管此时个人计算机能力还不足以对影视图像帧内元素进行处理,但是对于帧与帧之间的编排处置,例如编辑工作,则完全能够胜任。

于是一种以硬盘为基础的数字非线性编辑(DLNE)方式发展起来。

将音/视频素材数据输进计算机后, 各素材段分别存储在硬盘中, 编辑人员能够不按原有场景先后顺序和每个素材段的起止位置任意调用,并按照自己创作构思编辑,重新安排它们的顺序和长度。

它比必须按顺序进行的录像磁带线性编辑方式优越得多。

20世纪90年代,视频非线性编辑已获得广泛应用,而与其类似的电影非线性编辑也在后期制作中大量使用。

数字非线性编辑系统基本上由带有较大容量硬盘的计算机,以及视频/音频素材输入单元、模/数转换和图像压缩/解压缩等硬件组成。

编辑需要精确到每一帧主要采用Motion-JPEG压缩编解码方式，少部分系统用MPEG-2压缩编解码方式。

数字非线性编辑系统的核心是非线性编辑软件, 系统间的差别大多源于软件的不同。

但它们之间也有一些基本的共同点:例如引入“虚拟记录”的概念,即编辑时视频数据并没有从一个存储装置转录到另一个存储装置,只是建立了一个代表剪
念, 它们用来放置视频及音频素材以及编辑结果。

“屉”也是虚拟划分的,媒体文件实际仍然存储在硬盘原位里;此外,还有如时间线（time line）, 用它来形象地显现影像和声音这类以时间为坐标的媒体位置,使操作更为直观。

编辑工作完毕后则应该输出一个编辑完成片的视频以及说明每个场景起止位置(用出入点的时间码表示)和相互顺序的编辑决策表EDL。

通常非线性编辑都用脱机(离线)编辑方式，它的数据码率压缩比高,图像质量较低,因为主要功用就是提供编辑决策表, 将EDL输出到联机(在线) 编辑系统,就可获得编辑完毕的高质量视频。

视频节目中的音频也可以同时编辑,但不进行压缩。

胶片电影剪接方式本身也类似于脱机编辑,而且本质上就是非线性的。

影片摄制完毕后, 电影正片剪接根据作品的总体思路,用工作样片试行组接,探寻最佳表现方案,在后期编辑过程中完成影片的继续创作和再创作。

传统电影剪接方式尽管带有用剪刀和胶水的琐碎劳动,而且有时还需要来回倒片寻找所需的片段,但是这种剪接方式的确为剪辑创作带来了很大的方便与自由度,所以长期被电影创作人员所喜爱乐用,而且一直未能被后来电子线性编辑取代。

不过,在数字非线性编辑出现后, 传统电影剪接模式终于彻底被改变。

电影数字非线性编辑系统大都在基于视频的非编系统上构成, 这是因为可以大量应用现成的视频设备,如录像、显示，尤其是胶转磁等设备。

但是电影的数字非线性编辑系统必须能以每秒24画格运行,以及具有能将电影胶片的片边码与视频时间码相互转换的功能,以保证电影画格与视频帧之间的严格对应。

影片的数字非线性编辑甚至可以全然不用样片,从摄影底片直接胶转磁为视频(并带片边码读出),并输进非线性编辑系统,编辑完成后还可以用大型视频显示装置审看。

系统也输出一个类似EDL的镜头剪辑表,以及一个视频参考片。

底片剪接人员按照镜头剪辑表上的片边码正式剪接原底片。

可以看出,如果编辑完成片需要改动,只要给编辑系统输进一个修改表,系统就能够输出一个修改后的镜头剪辑表。

而在用胶片编辑的情况下就非常麻烦,有时还因为找不到所需的少量画格,使修改十分困难。

使用数字非线性编辑, 电影剪辑师可以集中精力创作, 发挥自身想象力并迅速尝试各种版本,挑选最佳方案,使影片编得更为合理与流畅。

数字非线性编辑过程中还能够观察诸如渐隐、渐现、叠化、划像等场景过渡的效果。

如果影片需要翻制中间片,系统还可能输出一个翻制镜头表。

在需制作光学效果的情况下,系统也能输出一个光学效果表。

有些功能强大的非线性编辑系统,甚至能够用较低分辨率制作某些大体类似的特技画面, 以便编辑在剪辑片段中用于预览总的效果, 这样能够减少正式制作价格昂贵的高分辨率效果镜头的时间。

数字非线性编辑系统都具有完好的音频处理功能, 编辑时除对白声外还可以将效果声等音频同时重放,改善创作气氛,进一步促进了编辑;有些电影非线性编辑系统具有多机位编辑
了电影剪辑的效率和质量,而且能够完成许多用胶片剪辑方式无法解决的问题。

电影进入数字非线性编辑时代,实际上是数字化电影制片革命中的一个重要过程, 结合网络技术的应用,创建了一个将许多部门和个体联系起来协同工作的环境,它们之间甚至于无距离的限制。

这对于由众多工种组合工作,并由导演统一指挥的电影制片非常重要。

此外,还可以将本质上是顺序工作的电影制作过程改变为平行作业。

例如,摄影和编辑之间、编辑和录音甚至特技之间,都可以看到相互正在进行的工作,因此不再需要一个工序完毕后再进行到下一个工序,从而能够缩短制作周期,提高效率和降低成本。

数字中间片
进入本世纪后,“数字中间片( Digital Intermediate DI )”这个术语出现频率越来越高,也成了一个热门话题。

其实,它是在计算机数字技术飞速发展的环境下,原来“电子中间片系统”概念和应用的一个合乎逻辑的延伸和扩展,而并非一项新的技术突破或者发明。

当年采用“电子中间片系统”主要是为了利用数字技术处理和制作影片中少量有特殊要求的镜头, 而“数字中间片”则是将数字技术扩展到整部影片的每一个画格,以及后期制作每一个过程中。

多年来,数字器件依然循着摩尔定律发展, 计算机的速度、容量和能力已经翻了多番,远非昔日可比，毫无疑问也会进一步涉及数据处理量极大的影片制作各个环节甚至全部过程中。

将digital intermediate 译为数字中间片并没有什么不妥,在电影行业中intermediate过去主要指洗印工艺中的中间片, 所以有人把它理解为这个数字过程输出的中间片, 国外也有人把它作为影片中间片的数字版本。

数字中间片这个词汇现在已经是约定俗成,这样称呼也无妨。

然而,这个英文词原意也包括了“中间过程”的意思 , 因此从更全面的角度看,如果我们把它也理解为“数字化中间过程”,适应性或许比单一的物理中间片可以更广些。

采用数字中间片的目的是,将原来使用胶片为媒介的传统影片后期制作工艺,转变为全部过程使用数字技术工艺。

采用数字中间片流程有多方面的优点，例如:整个工作过程是在数据操纵的基础上进行的,无需触动胶片,不会损伤胶片素材; 没有影片的翻印过程不会出现翻制过程产生的质量逐代降低问题; 操作灵活方便,可以立即看到结果进行互动操作; 有些工序可以并行工作,提高生产效率; 可同时对比不同版本,便于寻求最佳方案; 数字处理的精度比胶片加工精度更高等。

此外, 数字技术能够用的手段非常多, 而且随着技术进步还会越来越多。