珍贵电影档案抢救性数字修复平台研究*

吴　兵丁友东（.上海大学上海电影学院，上海，0007；.泰山学院文学与传媒学院，山东泰安，7000）

珍贵电影档案抢救性数字修复平台研究*

吴兵1丁友东2
（1.上海大学上海电影学院，上海，200072；2.泰山学院文学与传媒学院，山东泰安，271000）

电影档案是利用摄像设备将影像记录在胶片、录像带等存储介质上的档案。目前许多珍贵电影档案正面临无法读取的危险，亟待抢救。文章介绍了我国电影档案的保存现状，提出了电影档案的抢救策略，构建了电影档案抢救平台和抢救流程，为规范化、规模化抢救电影档案提供了技术保障方面的参考。

电影档案胶片数字化保存档案修复

电档案是利用摄录像设备将影像记录在胶片等载体上的档案，它记录着人类社会的发展和变迁。中国的电影档案从诞生距今已有上百年，在这百年文化积淀中，保留下来的许多弥足宝贵的影像资料，记录了历史的变迁、人民的智慧和艺术的结晶，传承了一个民族的文明和历史，具有很高的历史文化和教育价值。

目前我国电影档案主要以胶片形式存储，由于胶片介质极易损毁，这些档案正处于濒临消亡的危险境地，亟待抢救。上海大学与上海电影技术厂联合承担上海市科学技术委员会科研计划项目《中国珍贵历史影像资料抢救性数字修复平台》（项目编号：14511108400）对电影档案的数字化修复开展了卓有成效的研究，提出电影档案数字化修复的流程和策略，成功搭建电影档案数字化修复平台，实现了对电影档案的自动化、规模化抢救。

1　我国电影档案保存现状

我国的电影档案主要保存在各类档案馆、图书馆以及部分影视制作部门，保存的形式以胶片为主。胶片材料的保存十分不易，对室内温湿度要求特别高，依据柯达公司标准，理想的保存温度是在零下10℃到零下20℃之间，室内湿度应维持在35%到45%［1］。国内的保存机构很难达到这样的保存要求，即便是被誉为中国电影“国库”的中国电影资料馆也只能将温度控制在10℃左右，其他机构的保存条件则更不理想。

因为年代久远加上仓库保存条件恶劣等因素而导致胶片损伤。例如，胶片由于氧化会产生影像的褪色闪烁；片基材料受到腐蚀产生变形、粘连；潮湿的环境会使霉菌繁殖造成感光层脱落。除去环境因素，当这些胶片再次利用时，在播放、转印过程中同样存在着灰尘脏点、摩擦划痕、画面闪烁、脏点增多、颜色退化等危险。据中国电影资料馆统计，从1905年到1949年，全国共拍摄了1625部电影，而馆内只保存了252部电影影片。同时馆内还保存着从1922年至今的3万多部国产电影和60多万部拷贝素材［2-4］。很多珍贵影片都难以避免地出现了霉斑、污染、褪色、断裂甚至丢帧等损伤。

2　电影档案数字化修复的优势

电影胶片的保存修复工作从电影诞生起就开始了，然而传统的人工进行物理或化学修复的效果非常有限，只能对小的脏点、划痕等损伤进行简单修复，对于大多数稍微复杂的损伤就无能为力，而且人工手动修复过程中极易对胶片产生二次伤害，不能实现修复和保护胶片的目的［5］。

二十世纪九十年代以来，人们逐渐步入数字时代，社会生活的各个方面都在进行数字变革。数字修复技术应用于胶片保存和修复有着以下无可比拟的优势：

2.1安全存储

虽然还没有一种永久性保护电影底片的方法，但将胶片的模拟信号进行数字化存储，可以很好地解决胶片的蜕化、变质等问题，而且对于存储环境要求不高，极大地节省了存储场地和设备。

2.2高效修复

胶片影像都难以避免地出现了霉斑、污染、褪色、断裂甚至丢帧等损伤。将电影转换成数字信号后，可以利用高性能影片修复软件对这些损伤进行修复，达到传统方法无法完成的修复效果，而且运用自动程序算法，可以显著提升工作效率。

2.3方便获取

电影档案的方便获取对电影保护工作至关重要，只有通过放映和观看才能增强公众对电影档案重要性的认识，提高影像的知名度，并能获得更多资金支持。数字化资源可以非常方便地利用互联网络进行传播和获取，对电影档案保护工作无疑是很大的促进。

3　电影档案抢救与保护策略

为了安全保存和有效利用电影档案，在查阅国际影片档案联合会和国际电工委员会制定的关于视听觉档案保护的原则、策略、规范、指导方针等基础上，本文结合目前国内档案保存实际，提出如下策略：

3.1安全存储影像档案数据

存储视频的规格为分辨率1920×1080，10bit，YUV4：2：2或RGB4：4：4，帧 速 24fps，保 存 为SMPTE标准的DPX格式图像数据文件，数据存储使用大容量磁盘阵列（RAID）；至少生成两份数字副本并异地存储；定期检查数据完整性；确保在存储介质、文件格式或播放设备淘汰前将影像信息转移到新的介质或系统中。

3.2保留电影档案的原貌

按照“修旧如旧”的原则，在胶片档案转录成数字内容时，应避免原画面受到任何人为加工或“改善”处理；完整转录档案中的所有信息，包含电影档案中保留的同时代的画面色彩与风格。

3.3妥善保管原始载体和设备

尽管电影档案载体的寿命不能无限期延伸，但胶片在理论上可以保存上千年，应尽力维护其原始性状；即便已经将影片信息转换、迁移，仍应该确保原始载体与播放系统免受损坏。

3.4准确记录档案保存性元数据

对电影档案进行数字化时，应准确记录和保存档案元数据。作为保存和管理电影档案的重要依据，保存性元数据应包括如下完整内容：原始载体的类型、格式以及保存状况；原始影片的录放设备及参数；文件格式信息、采样参数以及采样设备；参与过程的操作者；数字化时间；校验——通过数字签名检验文件真实性；从属信息来源的详细介绍等。

3.5多渠道合作筹措资金

电影档案的修复耗资巨大，但回报甚少。作为电影本身来讲，只有被人们看到才能显现它的价值。应通过公益与商业相结合的方式收回成本。此外，也可以开发关于影片的衍生产品，如出售DVD、制作图书或是周边纪念品等。要想获得进一步发展，就必须尽可能多地集合社会力量。

4　电影档案数字化修复平台构建

4.1系统功能框架

简单地讲，电影档案数字修复是把胶片存储的模拟信号展开并数字化转码、维修、合成及输出的工作。根据电影档案抢救保护的策略，结合电影档案固有的特点，数字修复的系统框架可以用图1表示。

图1　电影档案数字修复系统框架图

胶片获取模块是指进行数字修复之前要处理的部分，首先需要对胶片进行人工检测和物理修复，然后通过胶转磁或者高清扫描仪把模拟信号转化成数字信号。此阶段的目的是获得数字格式的视频信号，为数字化修复提供原材料。

在数字修复之前，需加入一个预处理工作，叫作胶片准备模块。该阶段的工作是把数字视频信号读取成单帧的数字图像，同时初步判断图像序列中损坏类型，简单分析损坏状态，为下一步损伤检测和损伤修复阶段提供初始数据。

经过前期工作后，就进入真正的数字修复模块，一般包括损伤检测、损伤确认以及损伤去除三个子模块。此模块也是本项目研究的核心部分，数字修复即对胶片档案出现的闪烁、斑块、划痕、噪声、抖动等五类损伤进行有效处理。

其中损伤检测以各类损伤的不同特性为依据，构建数学模型进行检测。该模块检测的效果将直接决定后面损伤去除的成果，因此它在数字修复模块中是最重要的部分。损伤确认模块包括人工确认和计算机自动确认两类，此模块结合了人工修复和自动修复的算法，因此存在人机交互的情况。而损伤去除模块内容相比前两个模块要简单，在检测到的损伤区域内，以符合信噪比值和人眼视觉特性为标准，对区域的像素进行插值和填充。

与此同时，数字电影档案模块将汇总以上各模块的操作数据和结果，并对各操作模块传送的数据进行分析和调整。最终，修复后的数据将会存储到磁盘阵列中，并根据需要进行高品质打印输出。

4.2损伤处理流程

据统计，当前存在的胶片损伤类型最多达150多种［6］，而最常见的损伤类型绝大部分可以归纳为五类，分别是划痕、斑点、闪烁、抖动和噪声。依据修复这五类损伤的顺序，我们提出图2所示的损伤处理流程图。

由于不同损伤修复的先后顺序会对修复结果产生很大影响，我们的排序以对后续损伤修复干扰的多少为原则，对于后续修复模块影响小并且可以优化后续修复效果的步骤排在前面，对后续修复影像大且会减弱后续修复效果的排在后面。在此过程中，我们把帧间闪烁模块列为首先需要修复的模块，因为经过闪烁修复模块的处理，计算机能够得到更为精确的局部运动矢量和全局运动矢量数据，同时后续的噪声、划痕特别是斑点修复环节中错误检测的可能性将大大降低。

然后，按划痕、斑块、噪声修复模块的顺序开展修复工作，其中划痕和斑块是在单帧画面内部进行局部处理，而噪声是出现在所有画面中，噪声修复会影响到全部画面的像素信息，即它的处理会影响到之后的修复模块，所以噪声处理模块应放在斑点和划痕这些局部处理模块之后开展。最后一步是帧间抖动去除模块，它相对其他模块更易对全局画面产生影响，同时它也更不易受到其他损伤修复模块的影响，因此我们把该模块放在最后处理。

图2　电影档案数字修复流程图

图3　电影档案数字修复系统用户界面

4.3修复平台用户界面

下图为修复平台系统界面，本系统使用C++编写，采用C/S结构，输入输出图片格式为DPX，为方便用户操作，各修复功能模块集成在一个面板，用户只需要设置影片的起始和结束帧，导入影像片段，然后选择需要修复的损伤类型，简单设置修复参数，点击开始修复按钮即可完成自动修复。

5　影片档案典型损伤类型及修复方案

根据上海大学数字媒体实验室针对上海电影技术厂在实际影片修复过程中遇到的疑难问题，本文针对性地提出高性能的解决方案。

5.1影片大面积破损

电影档案中破损的程度决定了修复的难度，传统的斑点、划痕等检测和修补方法可以对小范围的简单破损进行有效处理，但是对于混杂了多种降质因素且范围较大的破损处理则无能为力。例如掺杂了划痕、霉斑等众多问题的帧以及存在大面积“赛璐珞”划痕的片段。

这些问题通过目前空间域上局部插值和时间域上拷贝粘贴等处理方式都无法有效解决，而通过人工修复又非常耗时耗力，因此亟须利用时空上下文信息高效地重建破损区域。根据修复流程，我们将整个大面积破损修复过程分为两个主要的阶段：检测定位和时空域重建。检测定位主要是通过分析破损的原因，指出相关的降质因素，准确地定位待修补的破损区域；时空域重建主要是借助已知的上下文信息，通过时域和空域上重建方法，实现破损区域的高效修复。图4显示了修复结果，可以看到大块的损伤得到了较好修复。

5.2影片褪色闪烁

电影胶片随着时间的推移，不断地氧化会使颜色发生退化，这种退化在每一胶片帧上均不同，因此造成了电影播放时的闪烁问题。传统的方法通过颜色或亮度均衡化处理来解决闪烁问题，但这种简单的处理无法实现整个电影帧序列颜色上的一致，亟待一种新的颜色或亮度调节方法来解决这个问题。

我们借助颜色变换、转移等样例驱动的技术，利用样例帧构建约束条件，优化求解后实现电影帧颜色和亮度的稳定；在时域上，通过上下文信息，在颜色传递过程中，将样例颜色分布约束到整个电影片段，使整个影像片段均保持与样例帧一致的颜色和亮度分布，可以在播放时保证颜色和亮度的稳定流畅，从而解决影片的闪烁问题。图5显示修复结果，可以看到闪烁现象很好地消除。

5.3影片的缼格黑帧

图4（a）包含大面积损伤的帧，（b）为算法修复后的帧。［样例取自电影《山间铃响马帮来》，由上海电影制片厂提供］

图5（a）存在色彩退化的帧，（b）为算法修复后色彩还原的帧。［样例取自动画片《没头脑和不高兴》，由上海美术电影制片厂提供］

图6（a）为原始帧，第二帧缺失。（b）第二帧通过算法自动生成。

图7（a）为存在抖动帧，（b）为算法去除抖动后的帧。［样例取自电影《七月流火》，由上海电影制片厂提供］

有些电影档案存在严重的丢帧现象，这会导致电影在时间上的不同步，因此时常在丢帧处用黑格来替代丢失的帧，避免电影播放在时间轴上的不一致。但是，增加黑帧虽然可以达成时域上的同步，但其影片帧的内容并没有增加，人们在电影播放过程中会感受到短暂的停顿，当丢失帧较多或低帧率播放时会有明显的黑帧跳跃问题，使人们的观影感受大幅降低。传统的黑帧补偿方法就是前后帧之间的插值，但直接的插值方法是两帧之间的线性取值，但这会导致画面模糊，因此亟需改进这种简单的线性插值方式。

我们利用光流法初步预估景物之间的运动，并在此基础上构建其运动梯度模型，实现自然流畅的运动路径信息重构。将上述重构的运动路径条件作为相关的插值约束，将其引入整个插值求解过程，最终完成合适帧率条件下的带约束插值，进一步提高插值结果的时空连贯性。图6中间帧为算法自动插帧图像，提高了画面流畅性。

5.4镜头画面抖动去除

电影档案在拍摄过程中经常出现镜头抖动现象，这也是由于当时的拍摄条件、拍摄器材、拍摄手法等不足所造成的。近年来随着拍摄设备的不断更新，镜头抖动不稳定已经不是当前的制约因素了，但是对于旧影片来说这种抖动问题依然存在，而且是影响数字化修复质量的关键因素之一，希望今后能够借助去抖动技术进一步提高用户的观影感受。目前理论界对于手持设备的去抖动研究已有一定的积累，很多摄像设备上都集成了防止镜头抖动的元器件，但应用在旧胶片档案上并不合适，亟需提出与胶片档案相对应的镜头去抖动方法。

我们首先借助运动的上下文信息，通过运动细节保持的特征点匹配，准确定位具有稳定运动关系的对象。根据已有运动信息，在关键帧间建立运动相关的约束关系，通过能量求解方式获得最终的稳定画面。最后，由于结果的尺度不一致，需要做进一步的规整裁剪，以便统一整个电影帧片段的尺度。图7为抖动祛除的效果。

6　结语

电影档案是一代代的影视工作者智慧和心血的结晶，对人类社会文明进步起着重要的引导作用，也对人类发展做出了卓越的贡献。因此，电影档案数字化修复是一项非常有意义的工作，同时，数字影像修复技术的研究也为如计算机视觉，影视特效、视音频压缩等研究提供参考。目前，电影数字化修复正处于起步阶段，还存在诸多问题，相信随着人们研究的不断深入，电影档案数字化修复将取得更大的成果。

*本文系2015年度山东省艺术科学重点课题“基于时空上下文重建的影视文化遗产数字化保护”（项目编号：1506329）的研究成果之一。

［1］白晓飞.国外电影胶片保存条件与技术［J］.现代电影技术.2007（7）：36. ［2］萧妍.电影修复，重现百年光影的阵疼［J］.法律与生活，2013.（22）：82-84. ［3］钱力.老电影修复：拯救？情怀？商业？［N］.中国文化报，2013-09-05（006）. ［4］Kokaram，A.On missing data treatment for degraded video and film archives：a

survey and a new Bayesian approach.IEEE Transactions on Image Processing.2004，13（3）：415.

［5］Roosmalen，P.M.B.Restoration ofArchived Film and Video［Ph.D.Dissertation］. The Netherlands：Delft University of Technology.1999：3.

［6］徐进.电影胶片数字修复关键技术研究［D］.上海交通大学：徐进，2009.23-24.

吴兵，上海大学博士、讲师，主要研究方向为文化遗产数字化保护。

丁友东，上海大学上海电影学院副院长、教授、博士生导师，主要研究方向为数字媒体技术、声像档案保护。

Study on Digital Restoration Platform of Precious Film Archive

Wu Bing，DingYoudong
（1.Shanghai Film Academy of Shanghai University，Shanghai，200072；

2.Literature and Communication Institute of Taishan University，Taian，Shandong，271000）Abstract：Film archive is a type of archive in which a magnetic recording is made on film or video tape by using Camera equipment.At the present time，film archive is at an endangered stage of unable to read and need urgent rescue.This article introduces the current situation of film archives kept in our country，it also puts forward rescuing strategies，which is，building a salvage platform and establishes workflow for the salvage of film archive，so as to provide technical support for realizing standardization and large scale salvation.

Image Archive；Film；Digital Preservation；Archives Restoration

G273.3