《数字电影高帧率技术的应用与发展前景.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电影高帧率技术的应用与发展前景.pdf（12页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、数字电影高帧率技术的应用与发展前景 中国电影科学技术研究所;北京电影学院;数字电影高帧率技术课题组【摘 要】追求卓越的视听品质和用户体验质量是数字电影实现差异化发展的关键.高帧率技术通过提高图像时间分辨率来提升数字电影图像质量,它是数字电影提升视听品质和竞争力与影响力的重要方式,特别是在数字立体电影领域极具应用前景.本文阐述了高帧率技术的发展与应用现状、存在问题及解决方案,并对其发展前景进行了分析预测.【期刊名称】现代电影技术【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6 页(P3-8)【关键词】数字电影;高帧率技术;技术应用;发展前景【作 者】中国电影科学技术研究所;北京电影学院;数字
2、电影高帧率技术课题组【作者单位】;【正文语种】中 文 一、概述 近年来，在声音、画面上的新技术不断涌现，旨在通过技术革新，带来更清晰、更具冲击力的观影感受，营造更加真实的影音再现。就画面而言，主要的手段有扩大银幕面积、增加影像分辨率和提高放映帧率等。其中，高帧率技术作为提高视觉感受的有效手段之一，进入了人们的视野。电影最根本的技术就是利用视觉暂留原理，将静止画面连续播放，当画面的播放达到一定速度时，实现画面的运动重现。因此，电影的放映帧率越高，单位时间内播放的画面越多，则画面交替时的闪烁感越弱，重现的画面运动越平滑，画面也越细腻。但是在胶片电影时代，受经济成本、机械结构等因素的制约，不能采用高
3、帧率的方式拍摄和放映电影，只能在声画质量与成本之间折中，最终确立了 24FPS 的电影速率。然而，24FPS 下的画面存在诸多不足，如快速摇移画面时产生抖动、频闪等现象，带来视觉不适。通过提高帧率来增加画面信息量，平滑运动镜头，增强视听震撼力一直是追求电影品质的方向之一。但在胶片时代，这种昂贵的方式只能作为一种特种电影局部放映，未能大量普及。随着电影从胶片时代过渡到数字时代，曾经的制约因素逐渐减弱，数字技术的发展攻破了大量记录介质、快速机械结构等方面的技术瓶颈，使高帧率电影成为可能。加上观众对电影画面质量要求的不断提高，提升画面品质的任务更显得迫在眉睫。技术的成熟和市场的需求赋予了高帧率电影莫
4、大的现实意义。二、数字电影高帧率技术发展与应用现状 1、应用实践 高帧率对于画质提升的意义并不是最近的新发现，早在胶片电影时代就有了通过提高帧率来获得更好视听感受的尝试；而数字电影时代的高帧率热潮则是在 2011 年前后，随着数字电影技术的日趋成熟而悄然掀起的。对高帧率的探索可追溯至 20 世纪 70 年代末，由道格拉斯特鲁姆布开发的休斯坎电影系统。特鲁姆布一直致力于研究提高电影的保真度，尤其是电影帧率与放映效果的关系。他将胶片以不同的播放速率放映给观众，再观察观众的表现。发现随着帧率的提高，观看者的情绪反应也随之提高。在此基础上，他在自己研发的休斯坎电影系统中，以 60FPS 的速度进行拍摄
5、和放映，创造出画面清晰、运动流畅的观影感受。但由于胶片电影本身成本的制约，休斯坎系统大多用于与动感电影相结合的短片中，在游乐场等场所放映，未能大量推广。1983 年本来计划成为第一部休斯坎电影的 头脑风暴也因多方面原因而夭折。尽管如此，特鲁姆布等人对高品质电影的追求和探索留给了后人启发和鼓舞。时至 2011 年，数字电影技术日臻成熟，高帧率再一次进入业界的视野。当年 3 月，詹姆斯卡梅隆在 CinemaCon 展会上提出推动电影技术向高帧率方向发展的观点。他认为目前电影工业标准是在1927 年颁布的，长久以来都不曾改变，对当下的电影发展而言或许已经过时，将帧速率提高到48FPS 甚至是 60F
6、PS 能获得更好的效果。为此，他展示了一些分别以 24FPS、48FPS 和 60FPS 拍摄和放映的素材，以证明高帧率对影像质量的提升，尤其是对 3D 影片质量的提升。随后，卡梅隆确定将使用 60FPS 的格式拍摄 阿凡达 2。乔治卢卡斯和彼得杰克逊分别表示了对高帧率的兴趣。乔治卢卡斯在迪斯尼乐园制作了一个名为 星球大战的游乐设施。该设施以高帧率播放影片，并模拟人坐在太空船中加速的感觉。彼得杰克逊在体验该设施后，萌生将电影制作成48FPS 的想法。他在环球摄影棚为 金刚制作了一个 3D 短片，以 60FPS 拍摄。之后宣布将使用 48FPS 格式拍摄指环王三部曲的前传 霍比特人：意外旅程。而
7、高帧率也正是随着 霍比特人：意外旅程的推出而一度成为热点。2012 年12 月，万众瞩目的 霍比特人：意外旅程正式上映。该片是第一部以高帧率格式发行的故事片，发行了 2D、3D、HFR 3D 和 HFR IMAX 3D 等多种版本，其中HFR 3D 版将在约 450 家影院上映。影片上映后，尽管有一些关于“电影感减弱”、“画面太过清晰而产生穿帮”的负面评价，但其对画面质量的提升，带来更流畅、更真实、更清晰的观感是有目共睹，毋庸置疑的。霍比特人：意外旅程前期拍摄使用 3Ality 公司的 3D 支架和 Red Epic 摄影机，以 51202700 分辨率、48FPS 帧率来记录影像。所有高帧率
8、 RAW 数据文件通过SGO Mistika 生成样片（Daily）文件，用于检查和后期剪辑。后期制作环节，以AVID Media Composer 进行剪辑，在 SGO Mistika 工作站上完成立体调整、调色、图像增强等后期制作。最后用 DVS CLIPSTER 进行数字拷贝制作，完成了高帧率电影从前期拍摄到后期制作的一整套流程的探索。图 1 迪斯尼乐园中的 星球大战设施和 霍比特人：意外旅程 此外，奥斯卡获奖者视觉特效总监Rob Legato 也拍摄了一部 48FPS 测试短片。他使用卡梅隆佩斯 3D 支架和两台 ARRI Alexa 摄影机拍摄，一台以 24FPS 记录，另一台以 4
9、8FPS 记录，确保两台摄影机记录完全相同的画面，用来做并排的对比。与此同时，詹姆斯卡梅隆的 阿凡达 2和 阿凡达 3将以高帧率格式进行摄制。安迪瑟金斯也将使用高帧率拍摄自己的首部电影改编自乔治奥威尔的 动物庄园。休斯坎系统创始人道格拉斯特鲁姆布也打算拍摄高帧率格式的电影。除了个人，一些大制作公司也对高帧率技术表现出浓厚的兴趣，例如，迪斯尼最近做了一些高帧率测试，把摄影机架设在加利福尼亚探险乐园的过山车上，在苏黎士的迪士尼研发中心也进行了类似的测试工作。相信在近期将会不断涌现出更多高帧率电影。2、设备支持 高帧率电影的制作离不开从前期到后期各个环节设备的支持。自 2001 年高帧率热潮兴起以来
10、，各设备生产商一直致力于设备的准备、测试和安装工作，以迎接高帧率时代的到来。迄今为止，从前期拍摄到后期制作，再到解码放映，已初步完成了对高帧率工作流程的支持。（1）前期拍摄 由于目前常用的数字摄影机都带有一定的可变帧率记录功能，所以高帧率电影在前期拍摄设备方面不存在太大障碍。相对于一般的数字摄影机，高速摄影机更是先天就对高帧率有着完美的支持。由于拍摄帧率提高了一倍以上，前期拍摄数据量也相应增加了一倍以上，由此对数据存储单元提出了更高要求：一方面存储单元要提供更快的记录速率，另一方面存储单元还要提供足够大的存储容量。目前，SONY、ARRI 等支持高帧率拍摄的摄影机也均配有相应存储记录单元。监视
11、器方面，目前支持高帧率实时回放的监视器较少，所以拍摄高帧率影片的剧组基本都是以普通的24FPS 来监看现场拍摄画面。（2）后期制作 相比于前期拍摄设备对高帧率电影的先天支持，以及放映设备厂商对高帧率电影的全面响应，后期制作设备提供商对高帧率电影的反应略显冷淡。一方面，目前没有太多内容制作方面的需求，高帧率电影屈指可数；另一方面，高帧率技术对电影后期制作过程中的存储、渲染和输出等环节都提出了更高要求，效率和成本等多方面需要综合考虑。目前 Avid、Quantel、SGO Mistika、DVS 等厂家已有一些支持高帧率电影的后期制作设备。就整个后期制作环节而言，尚无成熟流程，仍处于探索阶段，由于
12、帧率的改变，所有的时码和元数据等信息都会或多或少地发生变化，这也给高帧率电影的后期制作增加了难度。目前比较完整进行制作的故事片只有 霍比特人：意外旅程。可见后期制作设备方面对高帧率电影的支持尚有许多不足，需要不断完善。（3）解码放映 近来各大数字电影放映设备厂商都相继推出了支持高帧率数字电影放映的新设备或系统升级方案，所以高帧率数字电影在放映设备方面如今已基本没有障碍，只是这些新设备或系统升级在各数字影院的推广还需要一定的时间。数字电影放映系统主要由数字放映机和播放服务器构成。在数字放映机方面，设备提供商均已宣布对于第二代数字电影放映机，只需进行一定的固件升级，就可支持高帧率电影的放映。在播放
13、服务器方面，为支持高帧率数字电影的放映，相应设备则需进行更新换代，以支持高帧率。新一代服务器IMB 设备提供商也都相继推出了支持高帧率电影的新产品及固件升级。随着杰克逊的高帧率电影霍比特人：意外旅程的顺利上映，高帧率电影的放映设备得到了认可，接下来的工作就是设备的成本控制和推广普及。3、国际标准 除了实践基础和相关设备的支持，高帧率格式能否如当年的 24FPS 一样确立并广泛应用继而成为行业标准，是发展过程中的一个关键问题。早在 2005 年由数字电影倡导组织（DCI）首次发布的数字电影系统规范 V1.0中，已考虑了高帧率的情况。规范 V1.0 对数字电影图像文件格式，从图像分辨率、帧率等方面
14、进行了定义。规范定义了三种图像格式：分别是 2K24FPS、4K24FPS、2K48FPS，其中 2K48FPS 就是 2K 分辨率图像以 48FPS 帧率进行播放，最大码率为250Mbs。之后，2006 年电影电视工程师协会（SMPTE）下属的数字电影技术委员会 DC28，参考 DCI 规范，制定了一系列关于数字电影的技术标准，其定义的三种图像文件格式中包括 48FPS 帧率。2008 年，国际标准化组织（ISO）下属的 TC36 电影技术委员会又采纳了 SMPTE 技术标准，制定了数字电影国际标准。其中关于数字电影图像格式的规范中，正式定义了 48FPS 格式。2012 年，随着对高帧率的
15、呼声日益高涨，以及各项实践和研究的深入展开，DCI于 9 月发布了高帧率数字电影推荐实施细则。实施细则对数字电影图像格式作出了新的补充，在原有的三种图像格式的基础上，增加了3D 高帧率和 4K 高帧率的规定，对 2K 高帧率也提出了新的可能性，为未来发展提供了广阔空间。共计新增了 8 种图像格式：2K3D48FPS、2K3D60FPS、4K2D48FPS、4K2D60FPS、2K2D60FPS、2K2D72FPS、2K2D96FPS、2K2D120FPS。此外，实施细则还对高帧率数字电影的图像压缩码率作出了新的建议，将原来为250Mbs 的最大码率扩大了一倍，变为 500Mbs，以保证帧率、分
16、辨率等参数变大后的图像质量。SMPTE、ISO 目前仍在积极研究中，相信新的高帧率数字电影国际标准的推出将为时不远。三、高帧率技术面临的问题与解决方案 1、拍摄制作问题 高帧率电影作为一种新的电影形式，必然会在拍摄、制作过程中采用与传统24FPS 电影不一样的流程，从而产生一些原来没有遇到过的问题。（1）海量数据 无论是前期拍摄，还是后期制作，帧速率的提高必然带来数据量的增加。就48FPS 而言，其数据量就是常规 24FPS 拍摄时的 2 倍。在 霍比特人：意外旅程的拍摄过程中，每天产生的数据量达 6TB12TB，拍摄持续了 265 天，整个过程将产生 1590TB3180TB 的数据，如此庞
17、大的数据量对于存储而言是一个巨大的工程。此外，数据量的增大也对数据备份及数据迁移工作带来挑战。因此，如何设计一个稳定安全的存储体系，建立高效稳妥的资产管理体制，设计良好的资产管理系统来应对海量数据的管理，让数据管理变得井然有序，以满足前期拍摄和后期制作的需要，是一个重大的命题。新兴的云计算技术将是解决海量数据的一剂良方。通过云计算、云存储等技术，利用整合的公共资源，创造出过去本地数据管理方式无法提供的条件，实现大规模数据的存储和运算。而且随着网络带宽的逐步提高，网络化远程协作的工作方式将逐步成为现实，各个制作部门以云作为中央存储，访问数据，也解决了数据大量迁移的问题。海量数据并不会成为高帧率发
18、展的桎梏。（2）同期声音 目前的数字摄影机在以高帧率格式拍摄时，并不支持声音的同步机内录制。因此在输出代理文件进行现场剪辑时，将会只有画面，而没有声音作为参考，对剪辑会造成一定影响。对此，摄影机厂商应该尽快进行硬件升级，保证高帧率拍摄过程中声音的录制，并且保证与同期声音部门录制声音的对应同步。（3）现场美术 由于高帧率会使画面更加清晰，带来更加丰富的细节，在高帧率的电影画面中，演员的毛发、服装道具的瑕疵等清晰可见，常规电影中不容易被发现的问题在高帧率格式下会凸显，观众极易察觉到电影前期工作中的不足。由此对电影美术工作提出了更高要求。当年电视行业从标清升级到高清时，也曾面临此类问题。对此，提高美
19、术工作的细致程度，将服装、化妆、道具等每一环节都打造得更为精细，让画面在视觉上看起来天衣无缝，从而在高帧率的清晰影像中完美呈现。（4）曝光时间设定 在常规 24P 电影拍摄时，每一帧画面的曝光时间为124 秒，因为通常叶子板开角设为 180 度，所以其实际曝光时间为 148 秒。以高帧率 48P 拍摄时，每一帧画面的实际曝光时间变为 196 秒，曝光时间缩短一半。因此如果还采用以往的布光、曝光经验来进行拍摄，势必造成曝光不足等曝光不准确的后果。曝光时间减少，会降低运动模糊感，这可使拍摄的画面更为清晰，在一定程度上提高了画质。但是，当以高帧率拍摄的影片需要发行常规24FPS 的版本时，由于运动模
20、糊感减弱，会使帧率格式变换后的影片产生不连续感，画面跳跃抖动，在快速运动镜头中表现尤为突出。因此合理设定叶子板开角，以兼容传统电影，也是一个需要考虑的问题。对于曝光，必须打破以往常规 24FPS 电影拍摄中的布光、曝光经验。一方面备齐监视器、示波器等监看设备，保证画面的实时监看，对曝光情况做到随时有数。另一方面，由于曝光时间减少，为了在相对较短的时间内达到与原来一致的曝光量，需要增加场景中的光量，如果场景中光照不足，则必须增加人工布光以达到满意的效果。此外，在不改变景深的前提下更换大光圈镜头也是解决方法之一。对于曝光时间减少后与 24FPS 版本兼容的问题，可通过改变叶子板开角的方式来解决。一
21、般情况下，叶子板开角选择 180 度，为了获得适当的运动模糊感，可以考虑把叶子板的开角放大，以获得更长的曝光时间。在 霍比特人中，采用了270 度的叶子板开角，当进行 48FPS 到 24FPS 的格式变换时，与 24FPS、135 度叶子板开角拍摄的画面效果类似，不会在视觉上造成明显的不连续感和跳跃抖动感。（5）剪辑 就目前的数字电影制作流程而言，因为原始文件数据量太大、软件性能所限无法实时回放、以及某些摄影机使用 RAW 格式拍摄，剪辑软件无法支持其文件格式等原因，目前仍普遍采用离线编辑方式，即利用原始分辨率图像生成小分辨率、低数据量的代理文件（Proxy），以之进行离线剪辑，并生成 ED
22、L 用于后期套对。在高帧率刚出现时，大多数剪辑设备都不支持 48FPS、60FPS 等高帧率时间线的设定，无法直接进行剪辑，只能采用传统帧率的时间线。假设拍摄的素材是48FPS，导入到 24FPS 的时间线后，如果不进行变速，则影片时长是之前的 2 倍，所有动作都慢了一倍。这无疑会给剪辑师带来极大不便，无法正常进行剪辑创作。上述情况可通过变速的方式解决。将导入时间线的素材进行 2 倍加速，从而使画面正常回放。剪辑完毕，输出 EDL 时，再将速度还原。但是，变速意味着进行了抽帧，这又出现了一个问题。抽帧是选择奇数帧还是选择偶数帧？目前系统大多默认选择保留奇数帧，丢弃偶数帧。不同变换的方式选择，会
23、对最终的剪辑节奏造成影响，尤其在快速运动镜头中，这个问题更加凸显。机动选择奇偶的方式虽然可以精确剪辑点，但是实现难度大，会严重降低工作效率，而且在回套时也会出现问题，没有实用意义。对此，一方面，在现有设备的基础上，应针对高帧率制作的不同特点，在设备更新的基础上，尽快形成新的工艺流程。另一方面，从根本上说，各大设备商应加快产品研发，进行必要的软硬件升级，形成完美支持高帧率的数字制作系统，从而避免反复帧率格式转换带来的一系列问题。2、高帧率推广问题 目前的电影放映标准依旧为 24FPS，因此主流的数字放映系统仍是基于 24FPS 的技术标准设计。要进行高帧率的放映，须对数字放映系统进行升级。就 2
24、D 高帧率放映而言，主要是对播放服务器的升级，使其支持高帧率格式的信号输出。如果想要实现 3D 的高帧率放映，则需要引进以 IMB 板卡为基础的第 2 代数字放映系统。除了技术上的考虑，对于影院管理者而言，关于影院是否要进行系统升级，还有经济方面的考虑。升级不可避免地会产生资金成本，投入的费用能否通过放映高帧率影片回收并且从中盈利，目前尚不可知。此外，当前的高帧率电影仍处于片源稀少、标准不统一的发展初期，既无法保证稳定的片源以持续收入票房，也无法确定影院究竟需要进行多少次升级。诸多的不确定性和高风险使影院方至今对于高帧率仍在观望。据统计，在世界范围内，美国共计有400 个放映厅支持高帧率放映，
25、而其他国家支持高帧率的放映厅总计 500 个。相对于全球数字银幕的总数而言，仍是九牛一毛，系统升级将是一个浩大的工程，任重而道远。从目前情况看，影院方面的推广或许会在很长的一段时间内，成为高帧率数字电影发展的一大制约。3、观影感受问题 高帧率数字影片 霍比特人：意外旅程上映后，从来自世界各地的媒体报道来看，得到很多的正面评价，观众普遍认同高帧率使影像变得更流畅、更真实、更清晰锐利。但同时，也有很多批评家指出，这种流畅顺滑的观感失去了电影原有的韵味。一些观众认为他们并不像是在看电影，而是在看视频游戏，在计算机生成画面较多的地方这种感觉尤为强烈。比之传统24FPS 电影，观看 48FPS 更像是在
26、超大的银幕上观看高清电视节目。此外，画面的异常清晰，使画面所呈现的场景也异常真实，失去了电影朦胧的想象美感。看片过程中没有进入到中世纪的世界，反像是来到了杰克逊的拍摄片场。针对上述问题，有人提出了折中的拍摄方案，即利用可变帧率来进行一部电影的制作，以缓解观众对高帧率的不适应：在动作戏、运动镜头中等需要表现众多细节的镜头中使用高帧率，在特写镜头中使用常规 24FPS。但是可变帧率在拍摄上易于实现，在放映上仍待攻克。4、标准制定问题 高帧率目前存在多种格式，没有统一的标准。不同的导演由于知识背景、喜好不一等原因，各自选择自己认为合适的帧速率进行拍摄是难免的现象。从不同的角度出发，也会产生不同的结论
27、。如果只考虑最终放映效果，帧速率的提高自然是多多益善。随着拍摄帧率的提高，对于运动图像的捕获将更加清晰和准确，运动模糊的情况将逐渐减少。道格拉斯特鲁姆布就率先提出了 120FPS 的观点。从放映角度出发，有观点认为人类视觉在时间上的分辨率极限是 55 帧每秒，放映帧率只要达到这个极限，观众就能获得最佳的观影感受；用 60FPS 和 120FPS 放映并不能带来更优的视觉感受，反而在一定程度上浪费了资源。尽管现在对高帧率的具体帧率存在诸多异议，随着高帧率技术研究的不断深入，高帧率逐渐扩大使用范围后，商业上的需求会迫使各大公司、各个导演之间形成统一。如前所述，目前 DCI 在这方面已经有了初步成果
28、，形成了高帧率数字电影推荐实施细则，ISO、SMPTE 等机构也开始了相关研究。5、经济效益问题 高帧率制作，从前期拍摄到后期制作，从发行到放映，每一个环节都是新的挑战：存储的加倍，软硬件的升级，系统性能的支持，制作安全的保障，都需要资金的支撑，这意味着成本的增加。就拍摄而言，提高帧率，则存储设备加倍，存储时间加倍，数据管理人员的劳动强度也都加倍，这相应地会带来设备租赁费用、人员工资的增加。此外，正如前面所提过的，高帧率拍摄后，对灯光、美术要求提高，这也会在一定程度上增加成本。就制作而言，首先，高帧率会带来成倍增加的素材，则转码、整理的时间会相应增加；素材量增大，则剪辑、套对的工作也变得更为复
29、杂，使制作周期加长；制作完成后，由于生成的素材量加倍，则渲染生成素材的时间自然也会倍数增加。对于按时收费的机房、渲染农场，增加时间也就意味着相关租赁费用的增加，这也是一笔不可忽略的资金花费。此外，帧速率的增加意味着所要处理的画面成倍增加，如果要在同样的制作周期里完成成片，就必须加大人员投入，尤其是特效制作环节，经常需要进行细致到帧的画面处理工作，如手工抠像（Roto），工作量无疑是加倍的。这就需要增加制作人员，由此产生的工资成本也就相应增加。综上所述，无论是在前期拍摄阶段，还是后期制作阶段，高帧率的制作经费都会有一定程度的增加，综合各方面的考虑，高帧率的制作经费大约会比传统的 24FPS影片制
30、作高出 20%30%。对于电影产业，高出的成本从何处回收是一个需要考虑的问题。四、高帧率技术发展前景 无论高帧率今后是继续以特种电影的形式存在，还是发展成为电影的常态；也无论高帧率最终的标准是 48FPS、60FPS 还是 120FPS，有一点是毋庸置疑的：无论是用于 2D 放映还是 3D 放映，高帧率可以在很大程度上改善画面质量，带来影院观影独有的视觉感受。随着各种媒体的兴起，人们的娱乐方式变得多种多样，电影接受着来自电视、网络等各种传媒的挑战。如何在群雄逐鹿的局面中屹立不倒？如何让被其他传媒分流的观众重回影院？结果很简单，就是要实现电影的差异化发展，让电影银幕呈现出其他媒体无法传递的精彩，就要在技术上不断推陈出新，尽可能地将视听感受推向极致，带给观众无与伦比的沉浸式体验。从这个角度而言，高帧率在电影产业化发展的道路上大有用武之地。