学院色彩编码在电影数字化修复中的应用研究

刘佳楠

（中国电影科学技术研究所，北京100086）

1 引言

一直以来，档案影片数字化修复所采用的技术架构是由数字中间片技术演化而来。而数字中间片工艺的最终交付形式仍是胶片，数据只是用作中间片媒介。在这样的架构中，修复完成片的一致性依靠各修复单位选用相同修复设备来保证，但修复过程中的绝对数据指标无法达成统一。随着修复工程十余年的持续开展，不断有修复设备损坏被替换，也不断有新技术和新需求涌现，这使得修复系统由设备保证的指标一致性越来越难维系，不同单位制作的影片在放映中存在色彩偏差现象，扫描原数据也无法实现无缝交换。

为了解决这一问题，进一步推动影片修复工艺流程的标准化，需从系统架构层面重新设计，统一修复技术指标和流程管理，以达到修复过程和输出结果的标准化。即实现无论任何修复机构进行修复，通过该修复系统所得的原始数据应是唯一的，修复完成片数据也应具备准确、标准的定义。这样的修复影片才能真正具有完整的档案价值。鉴于此，本文提出了将学院色彩编码 （ACES）用于档案影片数字化修复工艺流程的思路。通过ACES技术规范对图像制作与交换的标准化，实现修复制作中各关键工艺的格式统一，形成完全基于数字文件的档案影片标准修复流程和存档方案。

2 ACES定义及相关技术规范

表1 SMPTE ST 2065系列标准

ACES全称为学院色彩编码（Academy Color Encoding System），是由美国电影艺术与科学学院（AMPAS）开发的一套色彩管理及图像交换标准，主要用于在电影、电视、游戏等视频相关制作中，实现影像从拍摄、编辑、视觉特效、母版制作直到放映和存档的全流程标准化，并能够与未来影像制作技术及流程进行衔接。

ACES色彩编码由SMPTE ST 2065 系列标准给出了定义和描述。它采用16bit浮点线性方式对影像色彩进行编码，其色域包含所有人眼可见色彩以及部分不可见色彩，能最大限度地表示出摄影机所捕获到的全部影像信息，从而使数字影像获得更大动态范围和更广色域。

图1 ACES色度图①

ACES中所有可见色彩组成的色域被称为ACES 2065。如图1可见，ACES 2065 色域包含了整个可见光色彩范围，Rec.2020、DCI-P3等常用色域空间都在其色域内，并且其色域宽广远大于它们。正因如此，ACES色彩管理中提供了一整套的色彩转换方法。通过特定的IDT 和ODT 流程，利用其极广色域特点，可在数字摄影机拍摄文件、胶片数字化扫描文件、视效渲染文件等源文件与显示终端、交付文件版本之间进行各种色彩空间的转换，从而实现影像制作各流程中色彩管理的标准化。

3 ACES应用在影片修复中的必要性

ACES所提供的这套技术标准和色彩管理方案对档案影片数字化修复所追求的修复影片颜色标准化及长期存档目标有着重要意义。

（1）引入ACES解决档案影片修复的色彩管理标准化

修复工程实施以来，各修复单位虽然在工艺流程上达成统一，但由于受到系统架构及设备本身的诸多技术因素限制，导致修复技术指标无法统一，设备扫描的数据与设备相关也无法统一。而ACES推出的技术规范，提供了一个与设备无关的独立的色彩空间转换方式，从而能够在修复制作全流程中统一影片的数据格式，实现档案影片修复从扫描到存档的全流程标准化，从根源上解决不同系统间制作影片的色差问题，适用于档案影片数字化工程的色彩标准化管理和影片标准数据的长期存档。

（2）引入ACES弥补Cineon流程在数字输出上的缺陷

在SMPTE ST 2065-3 2012 技术文档中，提出了基于ACES 标准的胶转数编码方法——ADX（Academy Density Exchange）。ADX 工作流程与目前修复工作所用的Cineon/dpx工作流程的出发点和编码方式均有不同。Cineon/dpx的色彩管理系统是针对柯达公司的特定胶片、洗印工艺和特定设备定制的，更适用于胶片制作，并未实现完全标准化。而ACES是与设备无关的颜色编码，它还是用RGB色基分量的编码，更加便于数字电影节目制作。ACES为胶片输出数字格式提供了一套专门的转换方式，使胶片数字化扫描不受设备品牌、查色表等因素影响，能够从修复流程的源头获取标准化的影片原素材。

（3）引入ACES面向未来修复发展

ACES 2065色彩空间有着极广色域范围，可支持高动态 （HDR）、广色域 （WCG），其编码体系能最大化精确表示胶片影像信息。因此，引入ACES概念为档案影片数字化修复开启了面向未来的影像存档思路。即以数字格式最大限度记录档案胶片上的影像信息，阻断胶片日趋老化所带来的影像永久流失，并以一种可靠、标准化、可向未来兼容的格式将其存档，以待未来能有更先进技术对影像进行再制作。这一点也正是修复工程一直以来抢修性修复的主要目的。

此外，ACES作为SMPTE 技术标准并已经提交ISO，是目前影视后期制作中的标准化格式。影片修复流程采用ACES色彩管理，推动国内修复制作与国外制作标准的衔接，有利于经典影片修复版的国际交流。

4 ACES影片修复制作流程

ACES采取了虚拟RGB色彩空间，如前文所述它是与设备无关的颜色编码体系，因此在ACES所提供的整套色彩转换中有两个工序是至关重要的。一个是从素材来源到ACES 色彩编码的输入转化，称为IDT （Input Device Transform）。这一步骤是将来自摄影机拍摄或胶片扫描仪扫描下的影像原素材转换成一个公共色彩空间——ACES 2065。而第二个关键工序则是从ACES 2065输出到各个显示终端的颜色转化，称为ODT （Output Device Transform）。这一过程将ACES 2065根据输出目标设备的技术要求将影像色彩转换为相应匹配的格式。因此，若要将ACES引入档案影片数字化修复工艺之中，必须在现有修复流程中实现这两个转化工序，研究这种转化方式以及ACES 2065下的影片修复与制作工艺。

图2 ACES影片画面修复系统工作流程

图2是根据ACES技术规范结合现有影片修复工艺绘制的档案影片数字化画面修复工艺示意图，展示了引入ACES编码体系后画面修复的标准化工作流程。图中胶片素材经过胶转数设备扫描，直接输出或经转换输出ADX-dpx 序列帧，使胶片影像转化为学院印片密度定义下的编码格式，从而能够在ACES色彩空间中得到准确还原。其后的画面修复工艺不涉及颜色调整，因此可直接使用dpx序列帧格式修复。修复完成后经由IDT 过程，从ADX转化为ACES 2065 （AP0）进而转为ACES cc完成调色、合成等后续所有修复工艺。最终修复完成片ACES cc'转回ACES 2065'（AP0），进行IMF母版打包及存档。另外，根据修复完成影片的交付需求，通过ODT 输出成多种交付格式。

损伤修复和技巧合成基本不对颜色做调整，因此仍可采用兼容格式按原有方式操作。而画面校色则在转换到ACES色彩空间后。由于采用了线性编码方式，与传统Log编码的非线性有本质区别，这在校色过程对色彩的控制上会产生差异。为了消弭这种差异造成的操作困难，ACES提出了兼容传统调色习惯的办法，也就是将ACES 进一步转化为ACES cc或ACES cct，通过模拟Log编码来恢复调色控制。在影片修复完成后的交付环节，ACES修复成片的输出需专门的Open EXR 格式。根据影片不同用途可进行相应ODT 后交付输出。此外，在修复流程中各制作环节涉及的监视设备，均以ACES Proxy输出。

本文所提出的这套修复流程，是根据ACES系列规范结合档案影片修复工艺流程所得到，是一套完整修复影片色彩标准化的解决思路。但该流程的具体实现，还需要各修复环节相关技术和设备对ACES标准的支持。

5 ACES影片修复制作流程的实现

本节介绍在现有技术条件下对ACES影片修复流程的验证和测试，分析流程的技术实现方法。在这套ACES修复流程方案中，改变较大、最为关键的三个工艺是扫描、校色和交付，而损伤修复及技巧合成工序正如前文所述，不涉及颜色调整，只需验证其格式的兼容性和系统性能要求即可。

在这三项关键工艺中，以目前的修复技术条件，可满足对ACES校色、交付工艺的实测验证，从而获取其技术实现的具体办法。但扫描工艺由于尚无直接输出ACES本征数据的设备，因此需采用ACES技术规范提出的数据转换方案实现该工艺，保证流程的联通。鉴于此，本节所介绍的实现方案，是仅针对在现有技术条件下实施ACES修复流程所需的设备搭建办法及性能配置要求。

5.1 胶转数扫描的标准化

根据ACES所提供的技术规范，为提升档案修复片的存档价值，最理想的影片修复流程应从胶片数字化扫描开始进入标准化。ACES所提供的扫描标准化涉及到两个相关定义。

（1）学院印片密度

图3 ACES定义的光谱响应曲线③

图4 柯达5248胶片光谱密度曲线

第一个是ACES在兼容胶片扫描方面所制定的APD （学院印片密度）。其RGB 定义是基于光谱积分，这点与常用的柯达Cineon印片密度 （CPD）有所不同。而真实的扫描仪是不能支持APD 光谱积分的，必须通过将光源、分色滤镜和传感器光谱响应的乘积等于ΠAPD 才能在原理上实现APD。对于目前的扫描设备来说，想要实现这一思路，需解决APD 所用光谱与扫描设备现有光谱之间存在差异的问题。APD 为提高红光信噪比，将红光峰值波长定义在了692nm 左右，并非常用的650nm。结合图4所示的胶片染料密度曲线可以看出，这一偏移量虽然能提升信噪比，却会导致更大的镜头色差。为消除色差，需要重新调整设备光源和成像位置。

图5 光谱波长与镜头成像色差

（2）学院密度交换编码

学院密度交换编码 （ADX）是ACES 技术规范所规定的一套专门用于学院印片密度的编码方法。它定义了编码规则、16bit和10bit分量值的编码度量，以及两者之间的转换方式。其中，ACES主要推荐使用16bit分量编码，而10bit编码方式则用于与现有硬件的兼容。需要注意的是，正如式（1）中ADX16的计算式所示在ADX 编码转换过程中，需要从实测APD 中减掉片基密度Dmin。

由于片基密度 （Dmin）根据胶片类型有所不同，ADX 的编码规则就涉及到对现有扫描工艺做出一定调整。因为在修复彩色原底片时，不同镜头存在使用不同胶片的情况，为能够对应胶片型号准确获得Dmin，扫描工作需要改为两遍工序。第一遍获取每个镜头的片基密度数值，第二遍扫描获得减去片基密度后的APD 数值，从而完成ADX 转换。

（3）扫描标准化的两种途径

图6 ACES胶片扫描流程示意图

如图6所示，结合现有技术条件，ACES 提供了两种实现扫描标准化的途径。第一种是最理想的途径，即采用支持APD 的扫描仪直接将胶片转为ADX-dpx格式 （图中第一个流程）。这种方法生成的是本征ACES影片数据，是真正与设备无关的标准化数据。但若要实现这一思路，需对扫描光源、传感器和成像位置进行改进，使之能够支持APD。理论可行的思路有三种：

（a）采用氙灯光源和分色传感器原理的扫描设备，更改其分色滤镜，调整红光成像位置，使其分光后光谱响应与APD 一致。

（b）采用LED 光源和单色传感器原理的扫描设备，考虑通过更改LED 光谱范围，使之与APD 一致。并在单色传感器上增加机械位置补偿，补偿色差。

（c）采用LED 光源和分色传感器原理的扫描设备，同时更改LED 光谱范围和分色滤镜光谱响应，调整红光的成像位置，使其分光后光谱响应与APD一致。

以上办法仅作为参考思路，具体实现还需要技术条件成熟方可进行深入研究。

针对目前状况，ACES技术规范中也给出了第二种实现途径，即采取现有扫描设备 （CPD 格式）进行扫描，将扫描结果通过数学运算变换 （IDT）输出为APD 的解决办法 （图6的第二流程）。变换方式有三种：

（a）采取3×3矩阵加上一个偏移量；

（b）采取多项式转换；

（c）采取3DLUT 转换。

这些转换手段均为数学运算，因此经过转换后的胶片密度虽然可兼容ACES，但两者之间仍有偏差。在AMPAS 技术文件S-2008-002 中，对扫描设备实际输出的APD 数值和在Status M标准下转换获得的APD 数值进行了对比。图7所示为柯达5242胶片的偏差对比数据，从图7可见，其最大的平均偏差为0.018。

图7 柯达5242胶片APD实测与拟合结果的偏差情况⑦

该技术文件中试验了柯达与富士多种型号胶片的误差值，认为所测胶片中，除了中间片，其余平均误差均小于0.02。由此可见，这种转换所得的数据与直接输出的APD 数据之间偏差很小。在现阶段设备条件不允许情况下，这种转换是间接实现ACES的可行思路。但严格来说，仍不能算是本征ACES原始数据。

此外，值得注意的是，在ACES技术文档中所提出的这套ADX 转换方法仅针对彩色原底片和翻底片，并未给出翻正片、拷贝片和黑白片的转换方法。但实际修复工作中，档案影片修复会使用到各种版本的素材。因此，关于这类胶片如何转换，还需要参照技术规范进一步研究。

5.2 画面修复工艺与ACES的衔接

画面修复方面，ACES的引入对不涉及色彩调整的画面修复工艺并无实质影响。虽然当前主流软件不兼容ACES 编码，但修复工艺仍可通过使用dpx作为容器，只要将编码方式改为采用ADX 10即可。目前某些胶转数扫描设备，例如ARRISCAN能以Status M 输出，经过转换后可得到ADX 10格式的原始数据。根据我们的试验，Status M 与柯达Cineon印片密度 （CPD）之间差别并不大，从图7可以看出Status M 与学院印片密度（APD）之间差别也不大。三者虽有数值差异但在图像修复过程中可兼容使用，并不影响修复结果。因此，去脏点、修复划痕、修复抖动等修复工艺可直接使用ADXdpx （10bit）文件格式。在修复后数据输入到校色环节时，再通过调色软件转换到ACES编码体系下继续制作。

5.3 画面校色的流程

画面校色部分是引入ACES色彩空间概念后需重点调整的工艺环节。修复常用调色软件例如Resolve 16版本已经兼容ACES的整套流程，因此当前可直接将ACES编码引入修复流程校色环节。以Resolve16为例，加入ACES 后修复调色环节主要增加了两个新的操作，即素材输入转换 （IDT）和素材输出设备转换（ODT）。

（1）素材输入的IDT

在修复完成的影片数据进入到调色环节后，可通过软件的IDT 转换成ACES 2065 色彩空间。在IDT 设置中，作为胶片来源的素材应在素材输入设备转换中选择ADX 10，而输出设备转换则选择调色所用监视器的色彩空间，比如Rec.709。时间线设置部分，需要在色彩空间选项里选择ACES 编码，为了兼容传统调色习惯，可选择ACES cc或ACES cct。

（2）调色后交付的ODT

调色完成后，影片数据需要通过输出设备转换（ODT）输出不同交付格式。在这一步骤中，首先要从调色后的文件ACES cc'转换回ACES'（ACES 2065-1）。然后根据档案影片数字化修复的交付要求，进行不同格式的交付输出。在Resolve 16的交付ODT 选项中，可选择所需的输出格式和色彩空间。若要对完成片数据进行打包存档，则应在ACES 2065格式下操作。

5.4 交付格式的增加

如前文所述，在影片修复工艺中加入ACES概念有利于推动整个修复流程的标准化工作，同时ACES色彩编码也有助于最大化留存胶片影像信息，获得可标准化存档数据并使存档格式可向未来技术兼容。加入ACES概念后对影片修复的交付操作并无直接改变，但交付版本在原有基础上需增加新格式。

当前档案影片数字修复流程中，最终交付版本有三部分：修复完成片的DCP包、修复原始数据的DPX 序列帧文件和音频文件，以及输出到磁带。交付文件的色彩编码主要是709、P3和DCDM。采用ACES进行修复制作后，修复完成影片的交付版本除DCP打包外，还应增加制作存档数字母版IMF包。交付版本如下，共四种：

（1）修复完成片做IMF打包；

（2）修复完成片做DCP打包；

（3）原始扫描素材做IMF打包；

（4）修复成片输出到D5磁带。

IMF全称为可互操作母版格式，是能够适应高分辨率、高帧率、高动态范围的数字电影新格式。我国目前正在制定的数字电影存档行业标准中也是采取了IMF格式。一个IMF 包中同时包含了影片可转换的所有格式，可为不同应用场景创建不同影片版本。因此，在用ACES制作修复影片后，应使用IMF对ACES 2065下的数据进行打包，形成标准化的档案影片归档体系以及适用于影片未来再利用的存档文件。另外，交付文件的色彩空间编码还需增加ACES 2065。

5.5 ACES修复系统性能配置试验

由于在修复流程中引入ACES编码体系后，修复过程的数据运算量会大幅增加，对修复系统的数据传输性能、运算能力均产生很大压力。在本次影片数字化修护新技术架构方案制定中，针对4K 分辨率ACES色彩空间下的影片修复流程做了系统配置和技术可行性的验证。

测试所用修复系统是围绕联想P52工作站搭建的一套具有超高存储速度的待测系统环境，系统连

图8 测试系统连接示意图

接方式如图8所示。需要说明的是，由于我们现有存储设备不能支持4K 制作，只能改用SSD 单盘进行测试。由于P920台式工作站无雷电3接口，为了能够使用SSD，只能选择以P52移动工作站搭建测试系统。但从对存储性能测试中可以看到，目前市面上的存储盘阵也可达到单盘SSD 的速度。

表2 测试系统配置

表3 测试参数设置表

测试素材使用了4K 分辨率胶片电影 《长江》扫描版，格式为DPX 序列帧。这段素材无论从分辨率还是胶片尺寸上都达到了档案影片数字化修复工作中可能接触到的素材最高质量，因此本次测试所得出的结论及系统配置参数，可看作是对4K 分辨率的ACES标准影片修复的技术要求上限。测试软件使用Resolve 16，并安装降噪插件Neat Video。测试主要通过实际操作情况考察修复各工艺是否可操作，并通过观察CPU 和GPU 利用率来分析ACES编码格式下各修复工艺在数据运算上对系统产生的压力，从而评估系统配置。

本次测试是利用现有技术条件，仅能验证ACES编码体系下档案影片数字化修复从画面调色到交付环节的流程可行性，而非完整的修复流程。从数据来看，在影片数字化修护新技术架构中引入ACES色彩管理体系在技术上是可行的。目前的修复技术条件，可顺利完成素材ACES颜色空间下的一级调色、修复降噪、技巧合成编辑和输出打包工作。

在联想P52工作站为核心的此套修复系统配置下，能完成4K 胶片素材在ACES格式一级调色和调色结果的实时播放。AB 条技巧合成、淡入淡出等画面技巧制作和二级调色操作通过智能渲染也可实现流畅播放。画面降噪等高运算量修复功能通过代理模式播放同样可满足修复使用要求。因此，在实际ACES修复流程的系统配置上可参考本测试配置进行搭建。需要说明的是，本次测试所用系统结构是以移动工作站为中心搭建，并非传统修复系统架构。若要改换为传统修复架构所用的台式工作站，则可将存储设备改换为中央存储磁盘阵列，采用双口16GB 光纤连接。经测试，若使用12块SAS SSD硬盘组成的RAID 6磁盘阵列，同样可满足4K ACES修复所需要的数据传输速度。

6 结论

综上所述，根据研究结果，可认为将ACES引入档案影片数字化修复流程的技术改造思路从技术角度是可行的。本文中基于现有条件的实测，提出了在ACES编码下可联通各关键工艺的具体流程方案。ACES提供了与设备无关的色彩编码体系，可弥补Cineon流程的缺陷，帮助影片数字化修复实现标准化的制作过程并形成向未来兼容的存档格式，解决现有修复系统中技术指标对设备的依赖，使修复数据能够准确交付与交换，提高档案影片修复成片的档案价值。

但由于技术与设备条件受限，目前只是初步验证了这套ACES修复流程方案的技术路线，分析其具体实现方法，以达到现阶段的影片修复及存档的标准化目的。但目前扫描设备的限制导致尚不能获取本征ACES影片数据。对于胶片电影修复存档的绝对标准化来说，只有获取本征ACES编码的影片数据，实现对胶片影像信息的最精准扫描，才是ACES修复流程最终所要达到的目标。为此，本文结合ACES技术规范所提出的思路，已列出了三种对扫描设备进行改造以获取本征数据的方法。其具体实现还需要在扫描设备和技术条件都成熟时才能做进一步研究，彻底走通ACES编码体系下的修复全流程。在此之前，可以采用数据转换的方法实现ACES工艺流程。

注释

①该图来自Academy of Motion Picture Arts and Sciences（A.M.P.A.S.）. A Guide to ACES ［R/OL］.https∶//acescentral.com/t/getting-started-with-aces/1372.2018：P.14。

②定义出自Academy Printing Density（APD）—Spectral Responsivities，Reference Measurement Device and Spectral Calculation：SMPTE ST 2065-2：2012 ［S］。

③该图来自Academy Density Exchange Encoding（ADX）and the Spectral Responsivities Defining Academy Printing Density（APD）：S-2008-002 ［S］.Academy of Motion Picture Arts and Sciences（A.M.P.A.S.）.2010：P.11。

④Academy Density Exchange Encoding （ADX）— Encoding Academy Printing Density（APD）Values：SMPTE ST 2065-3：2012［S］.The Society of Motion Picture and Television Engineers.2012。

⑤该计算式出自Academy Density Exchange Encoding （ADX）— Encoding Academy Printing Density（APD）Values：SMPTE ST 2065-3：2012 ［S］.The Society of Motion Picture and Television Engineers.2012：P.5。

⑥ISO Status M Density，适用于彩色负片、中间片的密度测量标准。

⑦该数据出自Science&Technology Council Image Interchange Framework Subcommittee. Academy Density Exchange Encoding（ADX）and the Spectral Responsivities Defining Academy Printing Density（APD）：S-2008-002 ［S］.Academy of Motion Picture Arts and Sciences（A.M.P.A.S.）.2010：P.27。