数字影院关键技术国产化可行性研究

牛小明

（中央宣传部电影数字节目管理中心，北京100866）

1 背景

目前数字影院技术主要遵循DCI、SMPTE等国外组织制定的一系列标准，其中最广为人知的DCI 1.2数字影院技术规范体系框架制定于2008年。十几年之间，虽然国内还未有成体系技术标准框架可以取代，但是国内技术界已经在部分关键技术自主研发方面取得一定突破，尤其是图像编码、加密算法、LED显示系统等方面都已取得了实质性进展。国内已经建立了具有自主知识产权的AVS/AVS2/AVS3系列标准体系，主要对标国外H.264/H.265/H.266相关标准体系。 国密算法主要采用椭圆曲线加密、杂凑等核心技术，建立了对标AES/RSA/SHA的SM1/SM2/SM3系列标准体系，并且逐步被ISO组织采纳。LED显示系统自主研发进展迅速，国内已有产品可达到行业标准要求，可以直接对标三星公司的Cine ma LED系统。

2 数字影院关键技术国产化可行性分析

本文主要就与图像编码、加密算法和显示系统三方面相关的国产化可行性进行重点讨论和分析，因为这三方面技术水平的提高能够给观影质量和内容安全带来更多提升，更能够体现我国数字影院国产化技术水准，也更具备可操作性。

2.1 图像编码国产化

图像编码是数字影院相关技术当中影响最终观影质量的核心关键要素之一，其编码方式直接决定了影片画面的技术质量。目前DCI标准中数字影院的图像编码采用JPEG 2000算法，主要原因在于其支持更高分辨率、帧内编码、去方块效应、免收专利费、2K/4K渐进解码等。但是JPEG 2000算法也有其相应不足，计算复杂度较高，特别是转化为硬件实现时成本居高不下，目前涉及基于JPEG 2000 IP核的FPGA公板均价格不菲，且主要供应商均为国外厂商。另外，国际上H.26X系列标准也发展迅速，至今已从H.264、H.265演进至H.266。虽然H.26X系列标准主要以IPB编码模式为主，但是也支持全I帧模式编码。全I帧编码模式仅考虑空间冗余，不考虑时间冗余，类似于JPEG 2000的图像编码模式。已有研究表明，H.264全I帧编码在较高分辨率下，与JPEG 2000的编码质量相差并不大。

而在国内的情况是，AVS标准从2003年开始推出第一代AVS1，截止2020年已陆续推出AVS＋、AVS2、AVS3三代技术体系框架。从第一代技术起，AVS主要对标的目标就是H.26 X系列标准。最新一代的AVS3标准支持很多先进特性，比如:将在增强档次加入AI智能编码技术，预计编码效率将会比H.266提升20%左右。国家对于AVS标准从政策、产业都给予了重点支持，目前AVS标准羽翼渐丰，已经在高清产业、超高清产业、家庭影院等领域实现了广泛应用。产业生态也越来越丰富，包括国产芯片终端都有丰富支持。

AVS2也支持全I帧编码，其编码工具也已开源，具备进行数字影院图像编码的可能性。本文就AVS2全I帧编码模式与JPEG 2000进行了比对，结果如表1和图1所示。

表1 测试序列帧技术参数

图1 AVS2全I帧与JPEG 2000编码比对

综合分析实验结果，AVS2全I帧编码与JPEG 2000编码就图像失真率来讲差别不大。JPEG 2000编码的PSNR曲线更为平缓，AVS2全I帧编码的PSNR曲线与码率递增接近线性关系。

鉴于以上结果，我们可以确认的是，AVS2可以达到与JPEG 2000数字影院图像编码同等质量。原因主要有三方面，第一:全I帧帧内编码模式下AVS2编码后图像客观质量和JPEG 2000基本相当；第二:AVS2的编码器已经开源，开发方为北京大学团队，为AVS2引入数字影院提供了相当的便利条件；第三:AVS2的解码芯片已经量产，主要供货商为华为，芯片型号是海思Hi3796 MV200，为AVS2的生态推广提供了基础。

同时我们应当注意到，要真正将AVS2应用于数字影院图像编码，仍有两方面问题需要解决，第一:AVS2编码如何封装到MXF文件当中，目前仍没有太多标准文档可以参考；第二:AVS2全I帧编码图像还应做主观评测。

2.2 加密算法国产化

加密算法是数字影院安全技术中的核心关键，其底层技术的选型直接决定着版权安全和文化安全的落实实效。目前DCI标准体系中采用AES算法进行内容加密，采用RSA算法进行密钥再加密，采用SHA系列算法进行信息摘要。所选算法均源自美国技术体系，这些算法也都入选了ISO标准。

2019年10月26日颁布的《中华人民共和国密码法》，为我国积极稳妥推进密码技术体系国产化提供了法律依据。其中多条内容均指出，应加快推进各行业密码标准再造。国密算法也应运而生，发展至今已经推出了SM1、SM2、SM3、SM4、SM9，其中和数字影院加密密切相关的是SM1、SM2和SM3。SM1对标AES算法，用于内容分组加密，算法没有公开，但可以通过加密芯片的接口进行调用。SM2对标RSA算法，用于密钥再加密，已顺利获批成为ISO标准。SM3对标SHA算法，用于信息摘要，也已顺利获批成为ISO标准。

SM1算法可以完成数据内容的对称加解密，分组长度为128bit，密钥长度为128bit，保护强度和加解密性能基本与AES相当，算法不公开，以IP核形式存在于专用芯片中，能够抵御穷举搜索、差分、线性等专用于破解分组加密的恶意攻击。SM2算法主要采用类似椭圆曲线三次方程表达技术，实现非对称加密。由于基于ECC，签名速度和秘钥生成速度都快于RSA 2048，密钥长度为256bit，短于RSA 2048。由于基本原理为基于椭圆曲线上点群离散对数难题实现加解密，从数学原理上来讲解决该问题要远比大数质因子分解更为复杂，因此其安全强度要远高于RSA 2048，约等同于RSA 3072的安全强度。SM3主要由中国科学院王云院士设计，采用杂凑算法实现信息摘要，长度为256位，安全强度与SHA－256基本等同，复杂度略高于SHA－256。

采用国密系列算法SM1、SM2、SM3有三点优势，第一:SM系列算法复杂度、加解密性能整体高于DCI加密体系，尤其是SM2算法安全和性能超过RSA很多；第二:有利于后续迭代升级，不必受国外算法更新周期限制，完全由我国团队研发，可真正保障可管可控；第三:采用完全自主知识产权的加解密算法，可以真正保障版权安全和文化安全落地实施。同时我们应考虑到国密算法落地实施到数字影院加密体系后，必然带来配套软件、硬件芯片的更新换代，要制定好技术实施路线。

2.3 显示系统国产化

显示系统关系着数字影院内容的最终呈现结果，是整个数字影院体系质量的最终保障。目前DCI标准主要采用投射式放映系统作为数字影院显示终端，相关产品专利主要由国外公司提供的DLP技术所主导把控。投射式显示系统的优点是画面整体感觉晶莹剔透，由于是反射光显影，更接近人眼在真实世界当中的视觉感受。目前有氙灯光源和激光光源两种，激光光源在色彩还原、亮度、饱和度以及故障率上有较大优势。但是投射式最大的问题在于光效损失，普通电影播放时投射到银幕经再次反射后一般只剩光源亮度的50%左右。立体电影普通光源光效损失一般会超过70%，激光光源光效损失一般也会超过60%。亮度不足的问题，影响了观众观影感受，观影时间稍长眼睛很容易疲劳。

国际上基于LED的可直视显示系统已经有了快速发展，韩国三星公司陆续推出了宽度为10米、14米的Onyx Cinema LED系列产品，引起了全球注意。Onyx系统目前宽度最大可达14米，亮度远高于传统的投射式放映显示系统，分辨率为4K，支持HDR，配合Onyx Sound还音系统给观众可以带来较好的视听感受，并且通过了DCI相关认证。国内的LED各大厂家也不甘落后，纷纷开始推出自己的微间距大尺寸可用于数字影院的显示屏幕系统。例如:深圳市洲明科技有限公司的Unilumin UCA41产品已于今年通过了DCI认证，成为国内首款通过国际认证的LED产品。LED显示系统最大优势就是高亮度、高宽容度，由于亮度高其色彩还原度也更好。

三星Onyx系统与洲明Unilu min系统参数对比如表2所示:

表2 三星和洲明LED产品参数对比

图2 洲明UC－A41产品应用场景

基于LED的可直视显示系统国产技术与传统投射式放映系统相比，主要有两点优势，第一:可从根本上解决传统电影放映带来的亮度不足问题，通过提质升级让观众享受更好的观影体验。第二:采用国产LED技术，可以实现“弯道超车”战略。因为在传统投射式专利上已经被国外从上游进行了控制，终端也为科视、巴可、NEC等投影机厂商所垄断。只有通过正在快速发展的“LED弯道”，才能实现超越，使我国电影放映处于世界领先水平。同时我们还要解决LED屏幕大规模生产良品率、具备声音穿透能力的LED屏幕等关键核心问题，才能使国产LED选型产品真正落地于数字影院的大规模应用推广。

图3 三星Onyx影厅

3 数字影院国产化技术框架

经过上述章节的论述，AVS标准技术、国密算法和国产LED显示系统经过技术组合，可以成为一种更适合我国国情和安全要求的数字影院总体技术框架，如图4所示。

图4 数字影院国产化替代总体技术方案框架

该技术方案框架主要采用AVS2、SM1、SM2、SM3和LED显示系统等具备国产化优势的自主知识产权技术。图像编码部分为AVS2全I帧压缩，内容加密算法为SM1，密钥再加密和摘要算法为SM2和SM3，链路加密算法为SM1，显示系统为国产品牌LED显示系统，封装打包仍然采用MXF。

该技术方案框架具备一定优势，在绝大部分关键底层技术方面具有可管可控的自主知识产权。采用国密算法可以获得更自主可控的安全保障，采用LED显示系统可以获得亮度更高、宽容度更高、分辨率更高、色彩范围更广的观影体验，采用AVS2全I帧压缩可以获得不低于JEPG 2000编码的图像质量。

4 结论与展望

综合以上数据分析和方案设想，数字影院技术进行国产化是可行的，将带来知识产权更可控、成本更可控、版权安全和文化安全更有保障等优点。笔者希望本文能够“抛砖引玉”，为业内单位及人员在涉及相关研究和实际工作时，提供一定程度的参考和借鉴。