数字电影时代的电影电视技术

1、现代电影技术No.4/2010ADVANCED MOTION PICTURE TEOHNOLOGY数字电影的可选择性内容数字电影时代的电影电视技术北京时代今典传媒科技有限公司马士超张韬马丽娜应用技术研究【摘要】电影数字化使得在影院播放j电影内容(数字电视内容,数字广告,数字游戏等成为可能,一般称之为数字电影的可选择性内容(Alternative content。其中数字电视内容(尤其是3D数字电视内容是一种主要的可选择性内容,其借助高清数字电视技术、数字电影技术以及3D影视技术得以深度发展,我们称之为电影电视(Cinetele。本文深度分析了电影电视技术产生的背景以及可行性方案。【关键字】可选

2、择性内容电影电视高清数字电视数字电影3D影视技术可选择性内容与电影电视1.1可选择性内容电影制作、传输以及放映的数字化使得在影院播放非电影内容成为可能。这些非电影内容主要包括数字广告,数字游戏,数字电视内容等等。一般称在影院播放的非电影内容为数字电影的可选择性内容¨。虽然胶片电影也可以播放广告,但一般在胶片发行前即已完成广告的制作,并与影片内容集成在一起。而数字电影除了可以在发行前将广告内容与电影内容一起打包外,还可以对广告内容单独打包,在播放时通过编辑播放列表的方式进行放映。传统游戏主要通过电脑与游戏机进行展现,借助数字电影播放服务器与数字电影投影机可以实现在影院的多人互动游戏。数

3、字电视内容,尤其是3D数字电影内容,如3D体育赛事,3D音乐会是数字电影可选择性内容的主要组成。1.2电视电影与电影电视数字电影电视技术与传统的电视电影技术不同,电视电影是将电影素材转换成电视素材的过程以及在电视上进行播放电影的结果;而电影电视则相反,则将电视素材转换成电影素材的过程以及在数字电影设备上进行播放的结果。将电影素材转换为电视素材主要牵涉到采样率、分辨率、色彩空间、压缩算法以及帧率调整等转换。采样率转换、分辨率转换以及色彩空间变换都可以使用特定的算法实现,而压缩转码也可通过解码后再压缩完成;其中最复杂的处理过程是帧率调整。以24fps的电影转换成NTSC电视为例,其需要经过3:2P

4、ulldown完成帧率调整。而电影电视技术随着数字影视技术以及相关产业的发展、数字电视的整体转换的完成、高清数字电视的开播而成为一种可能。电影电视具备的几个特点:(1高清数字电视信号。以前电影跟电视最大的区别就是分辨率的不同,在数字电影之前,国内大多影院播放非电影内容用的是DVD加投影的方式,有的影院在世界杯时直播过足球比赛,但由于其标清的分辨率所限,大大影响了视觉观感。而现在随着高清数字电视的开播,越来越多的高清节目的出现,使得这一制约不复存在。(23D素材。在3D领域,电影和电视的技术是一致的。在3D电影大规模发展的今天,3D电视同样也在为步人家庭而努力。2008年3月欧洲通信卫星公司开始

5、运营一个实验性的免费3D电视频道,英国天空电视台准备在2010年开通一个3D电视频道,而美国直播电视公司和探索频道也是3D技术的支持者。(3群体观赏性内容。类似世界杯以及音乐会等电视内容均为群体性观赏内容,影院作为一个群体性场所,为群体性观赏内容提供了必备条件。(4实时直播。在影院观赏的内容一般具有很强的时效性,直播与录播在吸引观众的数量上有很大的差异。类似于电影的首轮放映与后期放映之间的差别。2、高清数字电视、数字电影及3D技术电影电视技术得益于高清数字电视、数字电影以及3D技术的发展。我们将在本部分分别对这三种支撑技术进行了分析。2.1高清数字电视数字电视制式具有抗干扰能力强、可以减少发射

6、功率、提高频谱资源的利用率、易于把视频音频信号与数据等其它信号交织传输的特点。目前主要有三种数字电视传输标准,即美国的ATSC,欧洲的DVB以及日本的ISDB。ATSC在视频压缩编码与传输流的生成都以MPEG2为基础,音频的编码则采用Dolby AC3,调制方式采用多电平调幅。欧洲在1993年开展DVB项目的研究,其目的在于在全面分析卫星、有线、地面广播以及不同等级清晰度业务的基础上,制定数字电视的相关标准。DVBS2,DVBC以及DVBT是分别针对卫星电视、有线电视以及地面广播的标准,它们在压缩编码和传输流形成方面均以MPEG2为基础。DVBS2除了支持MPEG一2,还支持H.264、WMV

7、9、MPEG-42。为了适应卫星、有线、地面等不同的信道特征而采用了不同的调制方式,其中DVBS2可以使用的调制方式有QPSK、8PSK、16APSK、32APSK,而DVB S采用QPSK,DVBC采用正交调幅(QAM,DVBT采用正交频分复用COFDM。日本的ISDB T的数字电视地面广播标准,采用BTSOFDM 调制方式。从表面上看有三个数字电视传输标准,尤其是三个地面数字电视传输标准。但是对被调载波而言,只有两大类,即美国的单载波制式和欧洲、日本的多载波制式。由于数字电影可选择性内容播放倾向于使用卫星进行,DVB-￥2成为唯一可用标准。DVB的高清视频格式如表1所示引。表1DVB高清视

8、频格式有效像素幅;Il|!比编码方式视频格式1440×115216:9MPEG2/H.26425Hz隔行25Hz逐行,25Hz隔行,30Hz/29.97Hz/24Hz/ 1920X08016I9MPEG2/H.26423.97Hz逐行,30Hz隔行,29.97Hz厢行25Hz隔行,30Hz隔行, 1920×103516l9MPEG2/H.26429.97Hz隔行50Hz逐行,60Hz/59.97Hz逐行,25Hz逐行,30Hz/ 1280×72016I9MPEG2/H.26429,97Hz/24Hz/23.97Hz逐行为了传输和处理DVB比特流而常用的设备接口包括

9、同步串行接口(SSI,Synchronous Serial Interface,异步串行接口(ASI,Asynchronous Serial Interface以及同步并行接口(SPI,Synchronous Parallel Interface三种。下图是DVBS2接收结构图。图1DVB-s2接收结构图2.2数字电影技术与数字电视不同,数字电影在信源编码与信道编码方面采用了不同的策略。DCI规范中明确规定数字电影的压缩编码采用JPEG2000算法,在版权保护方面使用AESl28对内容进行加密并使用RSA2048算法对密钥进行分发。该标准采用MXF对音、视频以及其他数据进行封装3“矗,引。图2

10、致字电影结构图虽然DCI规定DCinema均采用250Mbps码流的JPEG2000压缩,但是在服务器方面由于要向下兼容,因此普遍支持采用RGB色彩空间,使用MPEG2进行编码的素材,也就是通常意义上的E -Cinema,具体可以参阅MPEGInterOp的相关资料。2.3数字3D技术数字3D电影技术包含数字3D电影内容制作、数字3D电影内容发行传输、与数字3D电影内容放映。3D内容的制作主要采用CG、双机拍摄以及2D 转3D的方式进行。在3D内容发行传输方面则依赖于不同的传输渠道采用不同的标准,对于硬盘传输一般采用3DDCP进行打包。常见的3D放映技术910113如表2所示。表23D技术分类

11、一级分类二级分类二三级分类基于眼镜的3D 主动式LCD快门(LCD Shutter偏振(Polarized(GB3D被动式立体照片(anaglyph透镜(Lentieular非基于眼镜的单点多像素视差屏障(Parallax Barrier3D(NG3D各种多投影技术(multiple Projection单点单像素旋转镜技术(Spinning mirror等等对于3D电影的放映一般采用基于眼镜的技术,即GB3D技术,主要包括电子快门技术(LCD快门、偏振技术以及光谱技术。3,数字电影电视及其可行性方案数字电影电视技术是建立在高清数字电视、数字电影技术以及3D影视技术三个前提条件下的技术产物。群

12、体观赏性内容以3D数字电视的形式在影院进行直播会成为影视发展的一大热点与方向。3.1制作基于数字电影电视的特点,其主要内容为3D 体育赛事、3D音乐会以及其他3D电视素材,故制作主要采用双机拍摄的方式进行。一种可选的方式是采用单机进行拍摄,并实时进行2D转3D的操作。甚至可以在节目制作以及传输发行的过程中完全采用2D的方式进行,在放映端完成2D到3D的转换,这样可以有效降低制作与发行传输的成本。由于目前2D转3D技术在算法、效率以及评测标准上还没有达到双机拍摄的效果,因此一般以双机拍摄为主。3.2传输与发行由于电影电视的内容播放要采用数字电影的播放设备进行,因此需要提供能为数字电影识别的格式。

13、首先是编码格式,电影播放服务器可以支持JPEG2000解码与MPEG2解码,但是一般数字电视的编码方式采用帧间编码算法,例如MPEG2、AVS(目前大多数高清数字频道用的都是MPEG2的编码方式。只有欧洲高清LUXEHD与马星三号卫星上V00MHD用的是H.264的编码方式,国内的央视高清、CHC高清、BTV高清等用的都还是MPEG2的编码方式,因此考虑到兼容性,数字电影电视采用MPEG2作为其编码算法。在版权保护方面数字电影采用公钥密码体制与私钥密码体制的混合体制,其中的私钥密码体制用于内容加密与解密,而公钥密码体制用于私钥的分发;高清数字电视普遍采用DTCPIP与DVBCPCM【l纠等方式

14、进行内容保护,大都采用AES对内容进行加密。对于数字电影电视可以直接采用AES进行加密,KDM进行密钥分发的技术。由于数字电影电视需要借助高清数字电视的信道进行传输,一般采用DVB信道编码的方式进行编码传输,在接收端进行DVB信道解码后再通过数字电影的打包方式传递给数字电影播放设备进行播放。显然在高清数字电视的信道编码以及信源编码的标准制定过程中均未考虑3D内容。目前对于3D现代电影技术素材的处理有多种可选的方式:MVC1引,双通道, 3D压缩以及抽样拼合。其中的MVC方式主要用于蓝光DVD对于3D电影与电视内容的发行,而双通道方式意味着利用DVB的两个节目频道分别传输左眼视频流与右眼视频流。

15、该方式的缺点是占用两个信道,同时由于目前数字电影3D内容均采用图像交错(interleave的方式处理左右眼图像,因此需要在接收端将两路信号接收后进行实时图像交错处理。3D压缩指在编码前将3D图像对无损压缩成单帧图像,然后可以完全按照2D数字电视的方式进行处理与传输。其缺点是在传输端与接收端分别增加3D压缩与3D解压缩实时电路。另一种方式是采用抽样并拼合的方式,将一对图像处理成一幅图像。当然具体的抽样与拼合的处理方式依赖于电视采用什么样的3D技术。若3DTV采用透镜技术,则两幅图像抽样并拼合的示意图如图3所示。图3基于透镜技术的图像抽样与拼合表3给出了常用的几种传输技术的优缺点以及适用领域。表

16、33D传输技术方案的优缺点与适用领域传输技术方案优缺点适用领域结构简单,需降低单帧3DDCP3D数字电影的码流MVC采用帧问编码.复杂3DDVD基于眼镜的3D电影电双通道技术资源占用多视.需要增加实时无损压缩3D数字电视与3D电3D压缩技术设备影电视应用技术研究3.3放映在放映端需要完成数字电视信号的DVB接收,并完成解调,从而恢复出ES流或TS流,供电影播放服务器使用。表4给出DCI数字电影与数字电影电视在播放方面的主要差别。表4DCI数字电影与数字电影电视的技术差异数字电影电影电视分辨率2K或4K1080P色彩窄问XYZ RGB采样率4:4:44l2:2信源编码JPEG2000MPEG2信

17、道编码MXF DVB帧率24fps或48fps24fps,30fps,60rps同时由于实现实时播放也就是流播放,因此服务器需要具有流播放的能力。图4为数字电影电视接收与放映结构图。图4电影电视接收与放映结构图3D放映相对复杂,需要根据打包方式的不同来进行不同的处理。若发送端采用MVC技术,则接收端需提供MVC解码设备。若发送端采用双通道技术,则接收端需要提供两套接收设备,并要进行实时Interleave处理。采用3D压缩技术的系统框图如图5所示。4、数字电影电视技术的深层次探讨一个很重要的问题是统一发行母版。对于3D 放映,一种方案是针对不同的3D放映技术,从3D 发行母版、节目发行、传输到

18、播放均采用不同的处理技术;在发行与传输阶段统一标准,制作统一的 现代电影技术3D立体攮像机或2D转3D 。酱o U觜锅H DVB t-R 竺竺H墚嚣H溉目黜投影系统L.一_伍缃数字电影播放服务器流发鬯生器l!:j图5采用3D压缩技术的制作,发行与放映流程发行母版而允许终端在播放的过程中做不同的实时处理,可以在很大程度上降低复杂度,提高发行效率。由于3D电影、3D电影电视以及3D DVD在处理技术上有很大的不同,对他们的统一母版应该做不同处理。针对电影,目前无论采用何种3D技术DCI已经明确了统一的发行母版:3DDCP;针对3D DVD,目前普遍采用基于MVC的编码技术实现。对于3D电视与3D电

19、视电影,由于使用DVB 信道传输肯定会采用与现在不同的技术,若采用与3DDCP类似的方案,则不能实现实时播放,因为一个时间段的素材,需要两个时间段才能传输完成。可选的方案是前文提到的双通道与3D压缩技术,之所以不选用MVC以及抽样拼合技术,是因为MVC没有本质上解决在单一DVB信道中实时传输的问题,而抽样拼合技术太依赖于终端显示技术。这样在制作,发行与传输中都不依赖于终端显示技术,同样的母版传输到终端,依赖于本地技术做不同处理,或不做处理(主动立体技术不需要做任何处理。若为光谱或Infitec技术则完成滤波处理以及色彩校正,若为偏振技术则需要完成鬼影消除,若为透镜或者其他技术,则需要完成抽样与

20、拼接处理。5、结论与展望3D高清数字电影电视是高清数字电视、数字电影技术以及3D影视技术的有机结合,作为数字电影的最重要的可选择性内容,在影院的实时直播具有划时代的意义,将在数字时代改变电影院的经营应用技术研究模式与经营内容。目前中国DCI级别的数字化影厅数量已经达到2000块,其中安装3D设备的占到500块左右,已经完全具备实现3D高清数字电影电视的条件。参考文献4SMPTE Technology Committee DC28on DCinema, SMPTE429:D-Cinema Packaging-Sound and Picture Track File20065SMPTE Techn

21、ology Committee DC28on DCinema, SMPTE4294:DCinema PackagingMXF JPEG2000Applieation,20066SMPTE,SMPTE379M一2004,Material Exchange Format (MXF一MXF Generic Container.200473Bernard Mendiburu,2009Report on Stereoscopic3D production,September,SMPTE Motion Imaging Journal8SMPTE,Report of SMPTE Task Force on3D to the home。20099Chris Chinn