数字技术在电影领域的应用与研究

康清虎

摘要：通过对目前在数字电影制作中的主流的数字技术，特别是主流数字摄影机的发展和技术特点的分析，总结了目前在电影领域的最成熟的前后期数字技术。着重详细分析了目前市场上最为成功的数字摄影机ARRI公司的ALEXA系列数字摄影机的性能及设计特点。ALEXA机身的模块化设计，多样的输出和纪录格式，人体工程学的设计，出色的整理画面质量使其成为了数字摄影机中的佼佼者。从ALEXA数字摄影机，可以窥见未来摄影机的发展方向，在其基础上提出了能提高数字电影制作效率的图像坏点修复方案。从而使下一代的数字摄影机变得更加的可靠和高效。

关键词： 数字电影； 数字摄影机； 数字院线； 图像记录格式； 数字摄影的工作流程；阿莱；艾丽沙

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）08-1914-06

继传统胶片巨头柯达公司在美国宣布破产保护后，全球最大的胶片院线投影机制造商也轰然倒下，这标志着胶片在统治了电影领域长达百年之久后正式退出主流拍摄方式的舞台。如今，数字电影大行其道，就中国来看，全国90%以上的院线都已经全部升级为数字院线。不但如此，从前期拍摄，到后期制作，再到最后的发行拷贝，如今都已经全部实现了数字化，早就不见了胶片的身影。这一切都得益于，数字影像处理技术的飞速发展，数字电影取代传统的胶片电影是科技发展的必然结果，该文首先对比介绍了数字拍摄较对与胶片拍摄的诸多优势及相关主流数字技术在数字电影制作中的作用及特点，然后重点介绍数字电影的核心——数字摄影机的工作原理以及对目前世界上最先进的主流数字摄影机的深入剖析。

1 数字电影的发展

1.1 数字电影的优势

数字电影不仅避免出现胶片老化、退色，确保影片永远光亮如新，确保画面没有任何抖动和闪烁使观众再也看不到任何画面的划痕磨损现象。此外，数字电影节目的发行不再需要洗映大量的胶片，既节约发行成本又有利于环境保护。以数字方式传输节目，整部电影在传输过程中不会出现质量损失。也就是说，一旦数字电影信号发出，无论多少家数字影院，也不管它位于地球的什么位置，都可以使不同地区的观众同时欣赏到同一个高质量的数字节目。

1.2 数字电影的未来

数字化电影技术极大地拓宽了艺术家的创作天地，给正在衰落的电影产业注入了新的活力，一代具有新思维的艺术创作人员和电影产业中的新兴职业，如数字电影软件设计师、电脑美术设计师、视觉效果设计师等会在21世纪的电影舞台上成为主角。

2 数字电影制作中的主流数字技术

2.1 图像记录格式——无压缩的RAW和各种主流压缩格式

感光器首先将光信号转化为电信号，产生的二进制码流不做任何的压缩和数据的丢弃直接记录到存储介质上，这种格式被形象地称之为RAW格式，RAW在英文中的意思就是“生的”“未加工”的意思。RAW格式的特点是，数据量极大，所记录的信息的最丰富的。如：用ARRI公司的RAW格式ARRIRAW在分辨率为2880×1620（约为2.8K）拍摄基准格为24FPS的情况下，记录1分钟的画面所产生的素材文件大约为10GB。但是由于RAW格式所能承载的丰富的图像信息，它是拍摄高质量的用于电影院大荧幕播放的影片的最佳选择。

2.2 主流非线性编辑软件FCP与AVID

拍摄完成的素材就像一块块织好的不同花色的布，还无法穿到身上，甚至连其未来的样式都看不出来，这就需要技艺高超的裁缝——剪辑师对素材进行“剪裁”，当然这个“剪裁”的过程全程会有导演和摄影师“监工”。首先，剪辑师会根据导演和摄影师的要求挑选出合适的素材，然后利用剪辑软件对所拍摄的画面进行拼接处理。主流的剪辑软件主要是Final Cut Pro和Avid Media Composer。

2.3 常用调色软件DAVINCI

达芬奇调色系统自1984年以来就一直誉为后期制作的标准。使用达芬奇的调色师遍布世界，他们喜爱它并把它当作自己创作中一个值得信任的伙伴。众多电影/广告/纪录片/电视剧和音乐电视制作中都能看到达芬奇的身影，并且它的作品是其他调色系统所无法比拟的！

3 数字电影的核心——数字摄影机

在数字电影时代，一台高性能的数字摄影机无疑是数字电影的核心，其性能的高低与功能的完善性都会对整个数字电影的制作产生决定性的影响。

3.1 数字摄影机的工作原理

数字摄影机进行工作的基本原理简单的说就是光-电-数字信号的转变与传输。即通过感光元件将光信号转变成电流，再将模拟电信号转变成数字信号，由专门的芯片进行处理和过滤后得到的信息还原出来就是我们看到的动态画面了。

数字摄影机的感光元件能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，主要有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。CCD是ChargeCoupledDevice（电荷耦合器件）的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。 CMOS是ComplementaryMetal-OxideSemiconductor的缩写（互补性氧化金属半导体）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。

3.2 媲美胶片摄影机的数字摄影机的几个重要参数指标

数字影像技术由来已久，但是为什么到今天，数字技术才到达了一种可以取代胶片的境界。如何评价一台数字摄影机的优劣，业内人士普遍都会用胶片来与之对比。拍摄的效果约接近胶片，则该摄影机的性能越好已经成为了业内不成文的规定。而数字摄影机是否接近胶片，通常会参照以下几个参数：曝光宽容度（也叫动态范围），肤色的还原度，基础感光度，色彩的准度，分辨率，摄影机的机械特性及操作简易性。一部出色的数字摄影机，必须兼顾以上全部的特点才能做到真正的媲美胶片摄影机，这也是各大数字摄影机厂商所最求的目标。

3.3 深入剖析ARRI公司的ALEXA

3.3.1 ALEXA的核心感光元件

ALEXA的核心感光器件是拜尔排列的CMOS，分辨率为3.5K左右。该该感光器设计的基本原则有两点：使用尽量大的像素和采用双增益处理结构DGA（Dual Gain Architecture）。通过使用尽量大的像素点，ALEXA的感光器可以具有非常高的感度度，更加宽广的动态范围以及很低的色度亮度串扰。双增益处理结构DGA可以同时对每个像素点进行两个分离通路的数据读取，并且这两个读取的信号强度可以进行不同程度的放大或降低。对于ALEXA内部获取的第一个通路的信号为正常信号及放大过的信号，第二的通路的信号为降低强度的信号，该降低是为了获取放大路中所被丢弃的信息。两个通路的信号都直接进入到摄影机内部的模数转换器，每一路的图像信号的采样率都是14bit。然后，这两路的图像信号会被合成为一张16bit具有超高宽容度的图像。这个方法提高了摄影机在低照度下的性能，保留了原本会被丢弃的高光部分的细节，因此极大的扩展了ALEXA摄影机所拍摄的画面的宽容度。

3.3.2 ALEXA的图像处理硬件

ARRI的图像处理原则是通过处理链路尽最大的可以保持画面的最高质量。也就是说要在摄影机内部直接传输和处理无任何压缩的16bit的原生数据。当使用原生的ARRIRAW格式的时候，该格式可以纪录最高的画面逼真度。对于生成其他的格式，有任何最新的的需要减小数据带宽的方法都可以应用于原生格式。这样就保存住了原始图像内容的最大的可能性。为了达到满足这一要求的处理能力，ALEXA的图像处理硬件融合了最新先进的现场可编程门阵列FPGA（Filed Programmable Gate Array）技术和超高速的内部传输数据总线。

3.3.3 ALEXA的图像格式及编码

ALEXA摄影机采用了12bit的对数编码的方式完全的保留了16bit线性编码方式的信息。这是因为无论是人眼还是电影的负片，其原生特性都是对数的。电视伽玛正好利用了人眼的非线性对数特性，在人眼敏感的暗部分配了更多的电平资源，而在人眼不敏感的亮部分配较少电平资源，起到了合理利用电平（量化）资源的作用，相当于在传输或记录前对动态范围进行了压缩，用较少的量化资源再现了较大的动态范围。与电视伽玛一样，电影伽玛也正好利用了人眼的非线性对数特性，起到了合理利用胶片密度资源的作用。考虑到人眼的特性12bit对数伽玛的精度与16bit直线伽玛相当，但12bit文件比16bit文件小25%，因此采用非线性的对数伽玛可以节省存储资源。

4 对ALEXA数字摄影机的一些改进意见

增加画面异常检验，报警功能模块。为了保证拍摄的素材的安全性，在摄影机内部构建画面校验机制。首先，将常见的异常画面收集并分析其异常画面像素间的特点，建立异常画面信息库。如：大面积绿屏的画面，大面积黑屏的画面，有明显颜色分解的画面，异样花纹的画面。设计合适高效的算法对拍摄素材进行逐帧校验，当发现异常画面时，发出警报以提示操作者对画面进行检查，从而避免记录问题画面影响拍摄。

5 结束语

电影工业的数字化以来，从摄影机的角度，CMOS传感器已经替代了3CDD的传感器成为了新一代数字摄影机的主流感光器。摄影机传感器的尺寸也都向超35mm胶片底片大小统一。由于计算硬件的飞速发展，各大摄影机制造商不在一味的追求如分辨率，存储量等硬件指标，而是转而追求更高宽容度，更低信噪比，更有具有电影感的色彩管理等软件指标。摄影机的实际操作性能，稳定性也变得更为重要。这就是ARRI公司的ALEXA系列数字摄影机取得如此大的成功的原因。

参考文献：

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