浅析数字电影母版收缴介质及其技术格式

李聿为

中央宣传部电影数字节目管理中心，北京 100866

1 背景

数字电影母版收缴工作对于我国电影数字节目存储应用有着重要意义，一直由国家电影管理部门统筹规划实施，取得了良好的工作成效。随着以HD D5、HDCAM SR 等国外技术为主的视频磁带停产，其市场存量也已消耗殆尽，亟需将数字电影母版收缴介质及其技术格式进行及时厘清，深入研究收缴技术方案设计规划，为保障我国数字电影母版收缴工作有序落地实施提供有效技术支撑。

我国数字电影母版收缴工作主要依据《数字母版有偿收集暂行规定》，目前规定收缴介质为送审合格的电影片数字母版，如视频磁带或DCP 硬盘，但是规定中没有明确具体技术参数细节[1]。《数字电影存档母版技术规范》于2021年颁布实施，对于数字电影母版收缴有较高的参考价值，提出了采用JPEG 2000第一部分的无损压缩进行存档母版保存，但是没有给出介质的视频质量比较及其制作成本、技术寿命的关键指标[2]。国外相关研究主要集中在技术封装格式及其编码，其中SMPTE 标准《互操作母版格式核心约束》（ST 2067-2:2020 -SMPTE Standard -In-teroperable Master Format — Core Constraints）规范了数字电影存档母版图像总体技术要求，但是没有进行详细全指标体系比对[3]。

因此，鉴于国内外数字电影母版收缴技术研究缺少相对详细技术参数设定以及针对指标比对详细测评的现状，本文从数字电影母版收缴介质的技术体系代次、寿命、成本及影片画面编码质量测评研究入手，给出数字电影母版收缴介质选型应考量的技术原则及关键指标，进行数字电影母版收缴格式的影片画面编码质量测评比对。针对我国数字电影存档母版保存的实际情况，特别是互操作母版格式（Interoperable Master Format，IMF）等技术格式应用还有待进一步推广应用，其宜作为将来数字电影存档母版的技术演进方向，本文重点考虑目前实际已在广泛应用的视频磁带和DCP 优劣，提出一套数字电影母版收缴介质及其封装编码格式的技术实用方案，供业界参考借鉴。

2 收缴介质技术指标对比

适用数字电影母版存档的收缴介质主要有硬盘、蓝光光盘、LTO 磁带、视频磁带[4][5]，笔者着重对各种介质读写速率、存储容量的大小等性能指标以及经济成本、介质的技术代次更迭等方面做了详细分析。

2.1 硬盘

硬盘主要分为机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。

（1）机械硬盘作为传统存储设备之一，具有容量大、成本低的特点，在大文件存储方面具有一定的优势。

机械硬盘量通常可以提供数百GB 到数TB 的存储空间，目前单盘最大容量达到20TB 以上，选择单盘容量为6TB～10TB，转速7200rpm 的机械硬盘，可以满足大文件存储的需求。机械硬盘的成本较低，可以提供一种经济实惠的存储解决方案。此外，机械硬盘的数据读写速度在进行大文件存储时，速度可以满足一般应用的需求。机械硬盘可以使用SATA（Serial ATA）或SAS（Serial Attached SCSI）接口直接连接计算机或其他设备上，通过简单的拷贝和传输操作即可进行文件的读写，具有即插即用的便利性，读写操作更加灵活和便捷。

（2）固态硬盘采用闪存存储技术，没有机械部件，读写速度远远快于机械硬盘[6]。由于支持随机访问且几乎不会出现延迟，固态硬盘能够在毫秒级别进行数据读写。

近年来固态硬盘发展迅速，价格不断下降，容量、性能、长期存储特性等不断提升。在读写速度上，固态硬盘速度按照PCIe 5.0 标准，其理论速度可达32GB/s，即便在实测时受到不同接口或文件特性限制，其性能已经远远超出LTO 磁带、蓝光光盘、视频磁带等其他介质。由于不具备机械运动和旋转磁盘，固态硬盘对震动和冲击具有更好的抵抗能力，面对外界的碰撞和振动，固态硬盘体现出高可靠性。固态硬盘内置用于检测和纠正存储器中的位错误的高级错误校验和纠正（Error Checking and Correcting，ECC）技术，体现了固态硬盘具有更好的数据保护能力[7]。2TB 左右的移动固态硬盘寿命通常在5～10 年，能够满足数字电影母版收缴介质性价比及可长期存储的基本要求。国内固态硬盘国产化先行厂商在研究和开发方面投入大量资源，提高了固态硬盘的性能和稳定性，在产能上已具备相当规模，并逐渐形成全面追赶的良好态势。

2.2 蓝光光盘

蓝光光盘作为一种光存储介质，具有高密度、高抗干扰性和高耐久性的特点。蓝光光盘单盘最大容量可达500GB 以上，六层结构设计，具有抗热、抗湿环境的能力，以及长期保存数据的耐久性。国外以索尼、松下蓝光光盘为主，国内以华录、紫晶存储等蓝光光盘为主，国内也有部分创业公司正在拓展自主产业链，通过国际蓝光联盟（Blu-Ray Disc Association，BDA）认证，在大容量蓝光光盘制造领域已具备了满足行业标准的自主生产技术能力。

作为现阶段常用的光存储介质，蓝光光盘具备安全可靠性高、存储寿命长、非接触式读写等特点[8]。其存储时长为所有介质当中最长的，可达50年左右。因此，相较于磁存储和电存储，蓝光光盘的可靠性更高[9]。作为一种被动存储介质，蓝光光盘不需要外部电源供应，其能耗主要来自光驱读取和写入数据时所需的功率[10]，因此在使用中的能耗相对较低。通过对三种存储介质的能耗对比（表1）可知：机械硬盘的能耗大于固态硬盘，蓝光光盘的能耗最小。在相同容量下，蓝光光盘相比机械硬盘的能耗降低90%以上，空间占用节省60%以上。尽管蓝光光盘的读写性能适中，但由于市场主要由索尼、松下等国外公司占据，且成本长期居高不下，性能也受限于光驱技术的代次更迭标准体系。国内光盘生产企业主要集中在光盘制造环节，目前尚无打通全部生产链条的企业能够规模化供给全国产化的蓝光一体化存储产品。

表1 机械硬盘、固态硬盘和蓝光光盘能耗对比表

2.3 LTO 磁带

作为可长期存储的数据介质，LTO 磁带已经广泛用于各个行业。由于结合了线性多通道和双向磁带格式的优点，配备了先进的服务系统，LTO 磁带常被应用于控制和管理磁带读写过程中的各项操作，采用硬件数据压缩、优化磁道面设计和高效率纠错技术等方式以提高磁带的能力和性能[11]。

LTO 磁带的存储时长约为30 年。根据资料显示，最新推出的LTO Ultrium 9 第九代开放线性磁带，通过应用新的专利技术可提供18TB 的原生数据或45TB 的压缩数据，相比上一代LTO Ultrium 8 系列磁带性能提高了50%，最高读写速度可达400MB/s，但与硬盘相比尚存在一定差距。LTO 磁带单TB 成本在四种存储介质中最便宜，甚至随着代次更迭会更低。尽管整体能耗较低，但LTO 磁带需要专用磁带机设备进行读取，随着LTO 磁带代次的更迭，相应磁带机设备也需要进行升级更换，且每代磁带机最大向下兼容为两代读、一代写。因此升级更换新一代磁带机需要额外的更换成本。由于技术门槛和市场竞争等因素，目前暂时没有国产化LTO 磁带产品，该领域仍主要由IBM、昆腾（Quantum）、惠普（HP）、戴尔（Dell）等国外厂商主导。

2.4 视频磁带

视频磁带主要指HDCAM SR、HD D5 等专用视频磁带，目前主要由索尼、松下等公司占据，且目前该类存储介质已停产[12]，国内仅有很少存量可供使用一段时间，挖掘可替代的技术解决方案已势在必行，国家相关管理单位已经在组织力量进行专门方案研究及技术攻关。替代方案可针对性对标参考视频磁带的质量，其中HDCAM SR 视频核心编码主要采用MPEG-4 Studio Profile 标准算法，HD D5 视频核心编码主要采用MPEG-2 帧内算法，具有较高压缩效率和图像质量。考虑到目前视频磁带所面临的国外垄断、价格昂贵等现状，国内相关企业也做过仿照式攻关，但应根据技术趋势进行适时的技术路线调整，以免造成不必要的研发代价。

3 收缴总体要求

数字电影母版收缴介质选型的总体原则主要包括：（1）解决收缴工作的“卡脖子”问题，从技术角度选出不依赖于某一特定厂家的介质选型方案；（2）综合考虑经济成本、代次更迭、使用寿命、读写性能和存储量等其他相关因素，选定寿命长、代次更迭稳定、成本可控的有效介质。

3.1 技术依赖因素

视频磁带、蓝光光盘受限于技术壁垒，且主流品牌的视频磁带均已停产，不能作为最佳选择。硬盘及LTO 磁带通常依据国际标准生产，不受某一两家公司的限制。考虑到大部分LTO 磁带生产线主要布局在国外，除了在东南亚设有生产线外，东芝已在我国广东省筹划建立了全新硬盘生产线，因此建议将硬盘和LTO 磁带两种作为优先选择。由此来看，介质选型考虑顺位为：硬盘、LTO 磁带、蓝光光盘、视频磁带（已停产）。

3.2 其他因素

（1）硬盘成本最高，但技术寿命适中，其本身代次更迭为向下兼容形式。

（2）LTO 磁带成本最低，技术寿命较长，但代次更迭为两代读、一代写，不能实现完全向下兼容，随着LTO 技术的更新和升级，大约每隔2～3 年会进行一次更新迭代升级，每两次迭代升级后为了保证数据在新代次设备上的可读性，历史数据需进行全量迁移，而且需要专用的读写设备，成本耗费较大。

（3）蓝光光盘成本适中，技术寿命最长，技术代次更迭可向下兼容。

综合以上分析，本文推荐选择硬盘作为数字电影母版收缴技术介质，虽然有一定成本，但考虑其读写性能最快、寿命较长，且代次更迭完全向下兼容，不需要专用的读写设备，随着技术的更迭单TB 容量成本呈较快下降趋势，成本可控，是目前较适合的可替代磁带进行存储的介质选择方案。

4 收缴格式解析

在数字电影母版收缴工作过程中的另一个核心关键问题在于收缴母版技术格式的确定。对于技术格式的选型应遵循以下基本原则。

（1）具有长久的生命力，不受限于某一家特定公司技术的专利，具有开放性，可通过标准的加密手段保障母版内容安全。

（2）采用高质量视频编解码技术，在电影行业内已有广泛应用；具有可拓展性，可通过技术标准的延伸或不同档次适配不断升级数字电影母版技术规格质量。

（3）具有可匹配专用的制作、播放软硬件设备，具有可操作性，能够通过易于得到的软硬件设备或公共服务制作收缴技术文件，且成本适中。

（4）视频质量应不低于影院播放格式，且与HDCAM SR 等行业惯用介质相比，应具有不断更新迭代能力。

在明确总体选型原则的基础上，笔者首先从技术格式特别是视频核心编码技术细节进行理论分析，其次从实验角度搭建相关测试环境验证分析结论，针对DCP 与视频磁带图像质量进行主观评价。通过实验数据分析对比，最终选出较为合理的数字电影母版收缴技术格式。

DCP 采用JPEG 2000 进行视频编码[13]，具备容纳高码率、高分辨率（HR）、广色域（WCG）、高帧率（HFR）[14]等符合影院级质量要求的显著特征优势[15]。其最大优势在于可以支持分辨率、帧率的技术延伸，在未来规模化应用4K/8K、HFR 等高新技术格式的电影场景中，JPEG 2000 有着更广泛、更适配、更契合的使用成效[16][17][18][19]。HDCAM SR 采用MPEG-4 Studio Profile 进行视频编码，Studio Profile 是专为影视制片制定的技术标准，同样支持码率至1.2Gbps。

本文采用图像序列帧PSNR 值客观比对（图1），反馈同源DCI StEM 标准测试序列按照MPEG-4 Studio Profile 440Mb/s、JPEG 2000 250Mb/s 不同编码方式的影片画面质量客观指标差异。此外，截取影片画面质量差异明显部分，例如雨夜镜头画面暗部等，做进一步主观感受说明。

图1 DCP 与HDCAM SR 视频磁带画面质量对比实验工艺图

笔者采用与DCI StEM 标准测试序列源TIFF 序列帧进行测定对比，分别对标准测试序列中的日光景、傍晚景、暖夜景、冷夜景、雨夜景进行PSNR 值计算[20]，通过DCP 和HDCAM SR 磁带输出的TIFF 帧 在不同场景下的画面对比及相应PSNR 值如图2 至图6所示；计算与DCI StEM 源TIFF 帧的平均、最大及最小PSNR 值，结果如表2所示。

图2 单帧日光景画面DCP、HDCAM SR 磁带TIFF 帧对比图

图3 单帧傍晚景画面DCP、HDCAM SR 磁带TIFF 帧对比图

图4 单帧暖夜景画面DCP、HDCAM SR 磁带TIFF 帧对比图

图5 单帧冷夜景画面DCP、HDCAM SR 磁带TIFF 帧对比图

图6 单帧雨夜景画面DCP、HDCAM SR 磁带TIFF 帧对比图

表2 多场景DCP、磁带PSNR 值对比表

通过系列技术测试结果表明，DCP 在容纳亮度层次细节方面表现突出，整体画质更细腻、层次更丰富。尤其是在画面暗部表现方面，DCP 能够保留更多细节。

在进行视频质量主观感受比对分析时，笔者选用Barco 4K 放映机专业设备播放DCP、HDCAM SR磁带视频输出的视频。在日景光线亮度高的场景下，DCP 和HDCAM SR 磁带视频画面基本差别不是特别明显，但在画面场景亮度不高的场景下，DCP 在容纳亮度层次细节方面表现突出，且保留了更丰富的画面细节，色彩层次感更加明显。图7 中，a 处窗户边框轮廓、b 处男主角左半边脸面部细节以及c 处男主角手部握伞的手指细节，相比HDCAM SR 磁带输出的视频画面，DCP 画面包含了更丰富的画面细节，特别是b 处，HDCAM SR 磁带视频画面中呈现大面积黑色，细节直接丢失了，而DCP 画面还能清晰地看到皮肤、眼睛的轮廓。图8 中，a 处墙脚轮廓、b 处房顶瓦片轮廓，相比HDCAM SR 磁带视频画面，DCP画面同样也包含了更丰富的墙壁和瓦片画面细节。

图8 单帧雨夜景画面2 HDCAM SR 磁带（左图）、DCP（右图）单帧对比图

笔者通过对DCP 与HDCAM SR 磁带的视频质量做了理论分析及详细测定实验，并结合选用Barco 4K 放映机播放视频进行视频质量主观对比，得出如下结论：总体上DCP 视频质量优于HDCAM SR 磁带视频质量，特别是在光线较暗的场景下DCP 视频图像失真更少。因此在进行视频存储时选择DCP 作为数字电影母版收缴技术格式较为合理。此外，DCP已在电影行业广泛应用，具有相当的开放性，制作软件设备可选范围也较大，视频编码质量为影院级，有一套完整的加密技术保障母版内容安全，成本可控。

5 结论与展望

经过综合考量，依据本文客观测定结果，本文建议采用硬盘作为数字电影母版收缴的技术介质，采用DCP 作为数字电影母版收缴的技术格式。但是仍有一些问题需要行业统筹解决：第一，目前DCP 制作成本较高，虽有送缴补偿，但还不足以适配市场行情，建议加大母版收缴扶持力度；第二，目前母版收缴有赖于片方自觉性，公共服务设施手段也较匮乏，建议加大母版收缴公共服务平台建设工程扶持力度，包括母版云传输、母版库平台等；第三，DCP 的技术核心被国外厂商垄断，为防止产生“卡脖子”问题，建议加大DCP 产业生态国产化支持力度，包括加快DCP 制作软硬件设备国产化；第四，在解决现有问题的基础之上，跟踪国内外数字电影存档母版保存技术最新进展，宜重点跟踪JPEG 2000 第一部分无损压缩技术，为将来数字电影母版存档技术体系演进做好预研基础。