电影胶片数字扫描图像分辨力的选择*

吴瑞敏，翁志清，张文俊

（上海大学 影视艺术技术学院，上海 200072）

1 引言

在过去的几年当中，数字中间片（Digital Intermediate，DI）后期制作系统和数字放映机两者都已经达到了4k的分辨力，同时，随着技术发展，其分辨力均有可能进一步提高，这使得电影数字化制作可以更大限度地获取影像（主要指传统胶片）信息。因此，数字扫描的唯一限制应该是胶片自身的信息存储容量，这个论断是有一定道理的[1]。鉴于目前的数字中间片技术，笔者通过分析胶片的特性和图像质量的评价，对胶片数字扫描的分辨力的优化选择进行了探讨，并阐述了选择4k扫描分辨力的优势。

2 基于胶片载体的数字中间片工作流程

在传统的电影制作流程中，原始底片的影片素材被剪接成片段，然后按照剪接师决定的剪接顺序再重新组合，接着这个剪接在一起的底片又通过多种印片工序进行复制[2]，如图 1 所示，从原始底片（Negative，Neg）复制出中间正片（Inter Positive，IP）和中间负片（Inter Negative，IN），直到做成最终的发行拷贝（Release Print，RP）。于是，胶片每一次拷贝都会带来诸如噪声等误差，导致下一代拷贝质量降低，造成迭代损失。

数字中间片并不是特指某种类型或型号的电影胶片，而是指一种影片的数字化处理方法或处理过程[2]，如图2所示，即将整部影片通过胶片扫描仪（Scanner）进行高分辨力数字化扫描形成数字文件的数字图像交换（Digital Picture Exchange，DPX）格式，用数字形式来对数字文件进行影调、色彩调整、合成、特效等后期处理的过程，最终将完成的影片输出到电影胶片或其他类型的介质上[3]。

3 胶片数字化扫描的最佳扫描分辨力选择

胶片扫描的大致过程是将胶片装入扫描仪，通过照射胶片表面进行影片扫描，光源通常很强。为了质量最大化，应该尽可能用原始材料工作。在DI的胶片扫描阶段就是直接对原始摄影底片进行扫描，降低了电影图像质量的前期损耗，并且更好地避免了传统电影后期光化学工艺流程中的迭代损失。

在当前的DI制作中，将胶片数字化时可以选择几种不同的格式，主要包括高清视频格式（HD）、2k或4k的文件格式等[4]。选择不同的格式，制作的品质、周期和费用会有很大的不同。

3.1 电影胶片的特性

摄影胶片最常用的规格有16 mm，35 mm和65 mm等。胶片上的图像形状由它的宽高比确定，不同的影片格式有不同的宽高比。一定的胶片规格与一定的影片格式结合起来就决定了图像的真实尺寸[1，5]。胶片面积越大记录的图像就越大，这决定了在一幅图像内可记录的最高细节水平，即图像的极限分辨力。也表明能记录的图像质量更高，大规格影片上的图像看起来更清晰。因此，胶片规格决定了在其表面可存储多少微小细节，即信息存储容量。表1综合给出了不同规格胶片的存储容量，列出了沿影像宽度及高度的像素数[6]。

表1 不同胶片规格的相关参考数据

3.2 数字图像质量的评价方法

胶片的解像力是指胶片记录景物细微部分的能力，解像力是测量图像质量的客观方法之一。它说明了一个给定区域内包含多少细节，反映了图像的精细程度，所以解像力愈高，则图像愈精细，像质愈高[7]。对于胶片，解像力与颗粒平均尺寸有关，其他还有影响解像力的因素，例如光学系统（物镜）[5]。

一种更有用的评价因素是调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）。MTF的测量和曲线图可以用来确切说明任何系统对不同空间频率 （它等同于细节的多少）的响应。广义上讲，空间频率是指单位视角内明暗条纹重复出现的周期数或正弦状浓淡变化的重复次数。可以通过选择几个特征频率的MTF值，来评定系统的像质，特征频率的MTF值愈高，则系统的传递性愈好，并且能以MTF的第一个极小值点的特征频率较准确反映系统的解像力[7]。由于MTF直接从图像中直接获取，可以不受任何主观因素的影响，所以它是一种合理的、有效的、客观的图像质量评价方法[7]。

3.3 扫描分辨力的选择

3.3.1 胶片的MTF特性

35 mm电影胶片可容纳的信息密度非常高，在目前的电影制作中应用越来越广泛。为了估算胶片在数字方面的信息量是多少，本文以35 mm胶片为例来探讨胶片的MTF特性。

首先，MTF曲线图显示了胶片影像清晰度的度量值。X轴表示空间频率（Spatial Frequency），指的是每毫米能够分辨的光栅数，即正弦波的数量，单位是线对/毫米，即lp/mm。Y轴表示空间频率响应（Response），相当于胶片的清晰度。曲线越长越平坦，每毫米能够分辨的正弦波越多，影像越清晰[8]。

如图3所示的数据由柯达制造商提供，实验胶片型号为柯达Vision3伊士曼250D 彩色相机底片5207。图3标绘出3种颜色层的调制度均对应于80 lp/mm的空间频率，其中绿色记录层的调制度略低于水平50%，蓝色记录层稍微高于50%，红色记录层则稍低于此数值[1]。

尽管如此，这个水平的调制度在实际情况当中没有必要得到。通常，只有通过相机和镜头才能把一幅图像记录在胶片上。然而，镜头也有MTF响应。因此，在胶片上生成的图像是镜头特性和胶片自身响应的卷积。

在2001年到2002年间，ITU指导了一个包含此结论的实验。尽管该实验的总体目标是为了检测胶片的校正拷贝并发布印片的分辨力，但是收集的实验数据中也包含了关于原始摄影底片的MTF的测量结果[9]，如图4中的实线所示。

首先，这幅图显示了电影胶片各代拷贝的影像清晰度的度量值。实验胶片的型号为35 mm柯达伊士曼5274。在这个实验当中，ITU测量出了一个逼近极限的调制深度为6%，相对应的空间频率为106 lp/mm。ITU的结果报告中也包括了所使用的摄像机物镜的相关信息。尽管这些都是普通镜头，但是为了达到最佳的MTF数值，镜头被设置为固定光圈，从而把由色差和衍射现象所引起的分辨力损失降到最低[1]。

3.3.2 胶片扫描仪的MTF特性

在胶片扫描系统中，还需要深入了解扫描仪的相关函数。这是因为，一个数字扫描仪具有模拟特性，它的传感器有它自己的MTF。在胶片和传感器之间是扫描仪的镜头，这个镜头也有它自身的MTF。传感器的MTF由它的填充因子决定，产生几何MTF。填充因子指的是传感器像素中感光有效面积与像素总面积的比值。传感器每个像素除了能够感光的区域以外，还有一部分面积用来安排放大器、连线等，这部分不能用于感光。一个完全100%的填充因子是不存在的，但是接近100%的填充因子传感器是可以实现的。最终，将胶片扫描系统中各个部分的MTF连乘起来，从而得到整个胶片扫描系统的MTF，如图5所示。

3.3.3 最终的MTF数值分析

图5描述了胶片结合摄像机镜头的MTF，扫描仪放映镜头的MTF和由扫描仪传感器中的像素分布产生的MTF，这几个MTF全部相乘来确定有效的MTF，这个MTF介于镜头细节和胶片扫描仪获取的数字数据之间[1]。扫描仪中的奈奎斯特频率大约相当于胶片80 lp/mm的空间频率。

如图4，ITU针对原始摄影底片实验所得出的结果为MTF为6%，位于空间频率106 lp/mm处，这一结果接近于电影胶片理论上的极限分辨力；在20～50 lp/mm空间频率比较低的地方，空间频率响应与感知清晰度有更好的相关性[9]。但是通过传感器进行扫描时，在这个空间频率上的任何调制度都有引起可见的混叠失真的可能。混叠失真指的是采样频率小于信号最高频率的2倍时引起的频谱交叉。避免这种混叠失真是确定扫描仪必要的数字分辨力时最重要的因素。

尽管如此，在106 lp/mm的地方获取胶片信息不具有最高的意义，这是因为它的调制度水平太低，以至于不仅在视觉上不显著，而且也会引起可见的混叠失真。反而在80 lp/mm的地方看起来更有意义，因为它的调制度水平较高，为17%。

因此，把目标分辨力限制到80 lp/mm而不是106 lp/mm是有道理的，因为通过摄影机镜头后减少的MTF已经导致了更低水平的调制度，以至于任何超越这个空间频率产生的混叠失真实际上将不可见。

3.3.4 最佳扫描分辨力的选择

“4k”指的是水平分辨力为4096个像素值，“2k”指的是2048个水平像素值，依此类推。而垂直像素值数量可忽略不计，它可以从显示屏的宽高比中得到，因为在胶片扫描时像素是正方形的。

因此，分辨力的大小描述需要先找出在胶片上读取80 lp/mm空间频率时扫描仪传感器所需的像素数量，然后结合通用符号“k”来描述该像素信息，也就是说只需引用水平轴[10]。

因此，必须考虑到水平方向需要扫描总共多少毫米的距离。对于超级35 mm格式的胶片，整个曝光的帧的宽度是24.92 mm，也就是说需要足够的水平像素值来读取总共80 lp/mm×24.92 mm=1994 lp[9]。根据取样定理，由于一个线对是正弦波一个完整的周期，传感器的奈圭斯特频率将使每1个扫描线的线对数量都相等，因此像素频率将至少是之前频率的2倍，或者说是每个扫描线包含2×1994=3988个像素值。所以，胶片扫描至少需要“4k”的扫描分辨力。

如果一个胶片扫描仪是为了捕获所有分辨力直到达到106 lp/mm的极限分辨力，且又无混叠失真的话，在最极端的情况下，经过计算，这种扫描仪需要一个远高于4k的数字分辨力，可能高达8k。一个分辨力高达8k的扫描仪将会非常的昂贵，运行起来却很慢，而且可能其他参数会欠佳，比如信噪比。大多数情况下，与一个拥有较低分辨力的设备相比较，附加的扫描仪像素将不能捕获其余任何图像信息[1]。

3.4 4k扫描分辨力的优势

从35 mm胶片中只需要捕获有用的信息，也就是说用最大值为4k的分辨力进行扫描，具有一定的优势。

最重要的是运行速度上的优势。现在去构造一个运行速度达到15 f/s的4k扫描仪是可能的。但是由于较小感光面积传感器的电子电荷整合能力有限，这种速度对于更高的分辨力将是不可能的，如6k或8k。假设8k与4k 相比较，比较 8192×6224 像素（8k）对 4096 ×3112像素（4k）的帧大小，他们在R，G和B都为16 bit数据，拥有一样的填充因子，8k的感光面积却是4k的1/4[1]。相反地，8k的扫描仪尝试以4k的速度来运行将严重地降低信噪比，有损在整体主观评价中理论分辨力的优势。

选择4k分辨力的另一个优势是硬件花费的减少。这不仅是因为传感器的原因，而且排除了高比特率的下转换硬件，因为极少数的后期制作系统能够存储6k或者8k的原始扫描数据。4k系统每帧75 Mbyte，与其比较起来，那些能够控制6k或者8k数据的系统不得不要容纳庞大的数据量，达到了每帧300 Mbyte或者更多。

4 小结及展望

为了使基于电影内容的后期制作系统和放映系统能够得到持续改进，笔者建议应该在扫描阶段去捕获在35 mm电影胶片材料中最多的有用的图像信息。经过分析发现，4k扫描的MTF特性，与其他分辨力相比，能以更高的调制度传递图像细节，这决定了清晰度的感觉，4k影像感觉更清晰。另外，4k扫描仪与4k的数字中间片相结合的4k工作流程对于DI制作和影片存档都将非常有利。英国宽泰（Quantel）公司已经拥有一套非常成熟的4k实时在线的DI后期制作系统，相信在未来几年，4k工作流程将在国内电影制作中应用得越来越普遍。

[1]DFT SCANITY.White paper[EB/OL].[2010-07-16].http：//www.dftfilm.com/downloads/white-papers/DFT-SCANITY-white-paper.pdf.

[2]ARRILASER.Enabling technology for the digital intermediate[EB/OL].[2010-07-16].http：//archiv.arri.de/news/newsletter/articles/0502516849/WhitepaperDigitalIntermedia.pdf.

[3]雷振宇.数字中间片技术[J].现代电影技术，2005（4）：29-32.

[4]乐永升.电影数字中间片与4k的未来[J].现代电影技术，2007（10）：7-9.

[5]JAMES J.数字中间片[M].施正宁，刘戈三，译.北京：中国电影出版社，2007.

[6]孙延禄.4K+系统:电影影像形成过程的理论基础（上）[J].现代电影技术，2009（6）：15-21.

[7]王强.电子分色原理与工艺[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1993.

[8]KODAK VISION3250D color negative film 5207/7207/SO-207：technical data[EB/OL].[2010-07-16].http：//motion.kodak.com/motion/uploadedFil es/US_plugi ns_acrobat_en_motion_products_negative_ti 2650.pdf.

[9]Image resolution of 35 mm film in theatrical presentation[EB/OL].[2010-07-16].http：//www.cst.fr/IMG/pdf/35mm_resolution_english.pdf.

[10]孙延禄.4k+系统：电影影像形成过程的理论基础（下）[J].现代电影技术，2009（6）：31-34.