本文刊發(fā)于《現代電影技術》2025年第7期

專家點評

數字電影投影式放映機自2010年開始在全球影院大規(guī)模部署后，因其15年使用壽命限制即將迎來替換潮。同時，觀眾對觀影體驗的需求已從“看得到”升級為“看得好”，圖像高分辨率（HR）、高動態(tài)范圍（HDR）、高幀率（HFR）、廣色域（WCG）、沉浸式音頻（IA）等成為核心需求。LED電影放映系統(tǒng)憑借自發(fā)光特性，在色彩、對比度、畫面層次的表現均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)投影式放映機，同時具有節(jié)能環(huán)保、壽命長等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢推動LED 技術在電影領域加速滲透發(fā)展，成為支撐產業(yè)向高新技術格式、高質量升級的關鍵力量。論文《數字電影LED高新技術格式內容制作和還原技術解析與實現方法探討》系統(tǒng)分析了HDR、高幀率、高分辨率、沉浸聲等技術的底層邏輯，對比了不同HDR標準及放映系統(tǒng)特點，為行業(yè)提供了技術框架和落地案例，并形成“技術—研發(fā)—應用”閉環(huán)，為數字電影從常規(guī)技術格式向高新技術格式轉型升級提供范本，對推動我國電影技術自主創(chuàng)新意義重大。世界超高清視頻產業(yè)聯盟（UWA）主導的HDR Vivid和Audio Vivid標準已在多個領域得到廣泛應用，現正向電影領域拓展延伸。中國電影科學技術研究所牽頭組建UWA電影工作組，聚焦LED影院技術標準及生態(tài)建設。該論文與聯盟方向高度契合，為LED電影放映技術的規(guī)范化發(fā)展與應用提供有力支撐，將積極助力我國電影技術自主創(chuàng)新和全球超高清產業(yè)生態(tài)構建。

—— 張文剛

世界超高清視頻產業(yè)聯盟（UWA）秘書長

作 者 簡 介

董強國

中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所）檢測認證北方中心副主任，主要研究方向：電影技術。

中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所）黨委書記、所長，主要研究方向：電影技術。

龔 波

李虹珊

中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所）檢測認證南方中心高級工程師，主要研究方向：電影技術。

中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所）檢測認證北方中心工程師，主要研究方向：電影技術。

王薇娜

常婉晴

中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所）檢測認證南方中心干部，主要研究方向：電影技術。

摘要

本文首先對數字電影放映技術發(fā)展趨勢進行分析，結合LED電影放映系統(tǒng)的特點，對相關技術規(guī)范進行解讀，探討針對LED的高新技術格式內容制作和還原技術難點，提出一種專供LED電影放映系統(tǒng)的高新技術格式內容制作和還原技術，并研發(fā)出一套專供LED高新技術格式內容制作和還原的系統(tǒng)，該技術旨在提高LED電影放映系統(tǒng)的音視頻質量和觀影體驗，為國產LED電影放映技術的發(fā)展提供有力支撐。

關鍵詞

高動態(tài)范圍；高幀率；智能升幀；高碼率；沉浸式音頻

1引言

近幾年我國電影放映技術發(fā)展迅速，正經歷光源從氙燈到激光、分辨率從2K到4K、聲音制式從基于通道到基于對象、動態(tài)范圍從標準動態(tài)范圍（SDR）到高動態(tài)范圍（HDR）、放映機類型[1]從投影顯示到LED直顯的變革，數字電影放映技術正逐步邁向高新技術格式的發(fā)展階段。LED具有高亮度、高對比度、亮度色度均勻性好、抗光干擾性強、適用場景更廣泛等技術優(yōu)勢，一經推出便得到市場廣泛關注和認可，隨著LED技術發(fā)展和成本降低，其將成為下一代以HDR、高幀率（HFR）、高分辨率（HR）、沉浸式音頻（IA）、高碼率（HBR）等為核心特征的高新放映技術格式的最佳載體。

我國在LED電影放映領域已實現重大突破。繼2021年中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所）（以下簡稱“中國電影科研所”）與深圳市洲明科技股份有限公司（以下簡稱“洲明科技”）聯合研發(fā)的首個國產LED電影放映系統(tǒng)通過數字電影倡導組織（DCI[2]）認證后，深圳市時代華影科技股份有限公司、中影光峰激光影院技術（北京）有限公司、利亞德光電股份有限公司等廠家相繼推出了自研的國產LED電影放映系統(tǒng)。同時為徹底解決LED影廳主聲道聲像不一致的問題，2024年中國電影科研所聯合洲明科技實現全球首塊國產LED透聲屏電影放映系統(tǒng)通過DCI認證。迄今我國已有18家制造商生產的45個型號產品通過DCI認證，國內LED影廳安裝數量超過150個，已成為擁有LED電影放映系統(tǒng)制造廠家和放映影廳數量最多的國家。

近日，國家電影局發(fā)布《關于發(fā)展和規(guī)范數字電影LED（發(fā)光二極管）影廳的通知》，明確指出LED電影放映系統(tǒng)是電影放映技術的重大變革，是中國電影工業(yè)提質升級、實現高質量發(fā)展、推動實現電影強國目標的重要科技創(chuàng)新，同時對LED影廳的建設、運營和管理、產業(yè)扶持、保障放映質量[3]等方面提出了具體的要求和指導建議。隨著LED電影放映技術的不斷進步和市場的規(guī)?；l(fā)展，LED電影放映系統(tǒng)正逐漸成為行業(yè)的主流趨勢。

LED電影放映系統(tǒng)在高新技術格式放映領域的技術優(yōu)勢，可為觀眾帶來更加逼真、震撼、多樣的沉浸式觀影體驗。隨著LED影廳數量的增多，當前傳統(tǒng)的SDR制作方式已經難以滿足觀眾對高新技術格式內容制作和還原技術的需求。因此，如何基于LED的放映技術優(yōu)勢，研發(fā)出一套能夠滿足高質量制作和放映需求的高新技術格式內容制作和還原的技術方案，已成為當前數字電影技術研究的重要課題。本文基于這一背景，對數字電影LED高新技術格式內容制作和還原技術進行了深入分析和研究，旨在為國產LED電影放映技術的發(fā)展提供有力支撐。

2數字電影高新技術格式技術解析

數字電影高新技術格式是指HDR、HFR、HR、高碼率、沉浸式音頻等技術。本章節(jié)重點對高新技術格式技術的特點進行分析，為下一步實現高新技術格式內容制作與還原提供理論基礎。

2.1 高動態(tài)范圍（HDR）技術提高了影像寬容度分辨率，提升視覺質感和深度

HDR既涉及成像，也涉及顯示，在成像端使用光電轉換（OETF）曲線實現圖像的攝制，在顯示端使用電光轉換（EOTF）曲線實現從極暗到極亮的視覺效果，以更真實地還原人眼所見的亮度層次和色彩范圍。HDR技術的核心在于追求更廣的亮度范圍、更高的對比度、更豐富的色彩層次、更高的色深。當前常見的HDR格式有HDR10、Dolby Vision、HDR10+、HLG、HDR Vivid、DCI HDR。

（1）HDR10是一種開放格式，其基于感知量化器 (Perceptual Quantizer, PQ)的電光轉換函數（EOTF），使用靜態(tài)元數據，是應用最廣泛的HDR基礎格式，多數HDR顯示設備均兼容HDR10。

（2）Dolby Vision是杜比實驗室開發(fā)的HDR格式，同樣基于PQ電光轉換函數，使用動態(tài)元數據逐幀優(yōu)化技術，可實時動態(tài)色調映射，多應用在使用杜比技術制作的電影、電視端顯示系統(tǒng)中。

（3）HDR10+由三星、松下、20世紀?？怂梗ìF屬迪士尼）等公司推動，基于PQ電光轉換函數和動態(tài)元數據逐場景優(yōu)化技術，目前免版稅，多用于網絡流媒體。

（4）HLG由英國廣播公司（BBC）和日本廣播協(xié)會（NHK）聯合開發(fā)，使用HLG電光轉換函數，兼容性強，無元數據，可在SDR顯示設備上播放，且可呈現出類似HDR效果。

（5）HDR Vivid是世界超高清視頻產業(yè)聯盟（UWA）主導制定的HDR國產標準，其基于PQ電光轉換函數和動態(tài)元數據逐幀優(yōu)化技術。

（6）DCI HDR是根據現有數字電影高亮度和高對比度放映設備的技術特點，基于PQ 電光轉換函數，針對高端數字電影放映系統(tǒng)制定的技術規(guī)范。

上述格式在光電轉換/電光轉換特性、色深、色彩空間、元數據類型等方面的主要技術特點如表1所示。在數字電影LED高新技術格式內容制作中，HDR技術的實現依賴于前期拍攝或后期制作技術，在放映過程中需LED電影放映系統(tǒng)支持HDR內容的還原。

表1　HDR格式技術特點對比

2.2 高幀率（HFR）技術提高了影像的時間分辨率，為觀眾提供更為真實和連貫的觀影體驗

HFR技術是指數字電影制作和放映過程中，每秒播放畫面的幀數高于傳統(tǒng)24幀的播放速率。該技術主要用于解決影片播放過程中產生的運動模糊、3D閃爍、LED刷新頻閃等問題。HFR可顯著提升畫面的流暢度、減少動態(tài)模糊，為觀眾提供更為真實和連貫的觀影體驗。當前我國數字電影放映系統(tǒng)主要包括傳統(tǒng)投影式放映系統(tǒng)、Dolby Cinema電影放映系統(tǒng)、中影CINITY電影放映系統(tǒng)、IMAX電影放映系統(tǒng)、LED電影放映系統(tǒng)。傳統(tǒng)投影式放映系統(tǒng)以24 FPS的幀速率為主；Dolby Cinema和中影CINITY電影放映系統(tǒng)最高可支持120 FPS；IMAX電影放映系統(tǒng)最高可支持48 FPS；LED電影放映系統(tǒng)多數能夠支持48 FPS，少數可支持96 FPS和120 FPS，具體技術規(guī)格見表2。在數字電影LED高新技術格式內容制作中，HFR技術的實現依賴于前期拍攝或后期采用人工智能（AI）升幀制作技術，放映過程則需LED電影放映系統(tǒng)支持HFR內容的還原。

表2　各系統(tǒng)幀速率技術特點對比

2.3 高分辨率（HR）技術提升畫面細節(jié)和銳度

HR是指數字電影制作和放映過程中，影片畫面空間分辨率大于2048×1080的顯示技術。數字電影HR主要有兩種規(guī)格，一種為4096×2160（4K）像素，另一種為8192×4320（8K）像素。HR技術可顯著提升畫面的清晰度和細節(jié)表現力，使觀眾在觀影過程中能更清晰地看到影片中的每一個細節(jié)，增強觀影沉浸感和真實感。在數字電影LED高新技術格式內容制作中，HR技術的實現需要依賴于先進的拍攝設備或后期AI超分辨率制作技術；在放映過程中，LED電影放映系統(tǒng)應支持HR放映，以呈現出HR影片的最佳效果。

2.4 高碼率技術提升影像畫質

高碼率技術是指數字電影在制作和傳輸過程中采用較高的數據速率，從而保證影片聲畫質量。高碼率是確保HR、HDR、HFR呈現的基礎，分辨率越高，像素信息則越多，相應需要更高的碼率來有效承載這些信息，避免壓縮偽影的產生。HDR擴展了數字電影圖像的亮度和色彩空間，記錄更多的明暗和色彩細節(jié)需要遠超SDR的數據量。HFR為觀眾帶來更為逼真流暢的畫面，特別是在運動場景或快速搖臂鏡頭時，而幀率的提升需要高碼率為其提供必要的數據帶寬。在數字電影LED高新技術格式內容制作中，高碼率技術的實現依賴于高效的編碼技術和傳輸協(xié)議，以確保影片在制作、傳輸和放映過程中能夠保持高質量的聲畫效果。LED電影放映系統(tǒng)需具備足夠的解碼能力和數據處理能力，以支持高碼率影片的放映。

2.5 沉浸式音頻技術實現影廳環(huán)境下的沉浸聲還原

沉浸式音頻技術是一種基于聲床（Bed）+音頻對象+元數據的音頻處理技術。一部完整的沉浸聲影片呈現在觀眾面前，至少經歷制作、發(fā)行和放映三個環(huán)節(jié)。首先，需要通過沉浸式音頻制作工具對提供的聲音素材進行混錄制作。然后，將沉浸式音頻混錄內容編碼成符合美國電影電視工程師協(xié)會（Society of Motion Picture and Television Engineers, SMPTE） ST 2098-2碼流規(guī)范的沉浸式音頻碼流（IAB），并依據SMPTE規(guī)定的打包規(guī)范進行封裝[4,5]，形成沉浸式音頻發(fā)行數字電影數據包（DCP）。最后，使用支持IAB播放的集成媒體模塊（IMB）進行播放，通過沉浸式音頻處理器對IAB碼流進行解封裝、解碼，并最終渲染到相應的揚聲器系統(tǒng)中，實現影廳環(huán)境下的沉浸聲還原[6]。

3數字電影高新技術格式內容制作與還原實現技術要求和難點分析

為確保數字電影高新技術格式內容制作和還原技術[7]的全球通用性和技術合理性，需遵循全球統(tǒng)一的技術規(guī)范體系[8,9]。通過對高新技術格式技術、打包和LED電影放映技術的廣泛調研，我們對數字電影高新技術格式內容制作和還原的亮度、色度、分辨率、光電轉換/電光轉換特性、碼率、沉浸式音頻[10]等技術指標進行了規(guī)定，為下一步的系統(tǒng)研發(fā)實現提供技術參考，具體技術要求見表3。

表3　數字電影高新技術格式制作和還原主要指標技術要求

當前數字電影影片拍攝環(huán)節(jié)多數采用的傳統(tǒng)的技術格式（相關技術特點見表4），原生高新技術格式內容匱乏，給數字電影LED高新技術格式內容的供給帶來諸多挑戰(zhàn)。在影片內容暫未按照高新技術格式技術要求拍攝的情況下，如何實現高格內容的制作已成為亟待解決的問題。具體而言：（1）如何將圖像分辨率從2048×1080提升到4096×2160；（2）如何將幀速率從24 FPS提升到48 FPS；（3）如何將SDR（亮度、光電轉換/電光轉換特性、色彩還原等）映射到HDR；（4）如何制作、發(fā)行和還原國產沉浸式音頻內容；（5）在放映過程中，如何確保LED電影放映系統(tǒng)能夠準確還原高新技術格式內容的各項技術指標，包括亮度、色彩還原、明暗對比度、幀速率、沉浸式音頻等。

表4　傳統(tǒng)數字電影制作和還原主要指標技術要求

數字電影LED高新技術格式內容制作和還原技術存在多個急需解決的技術難點。因此，滿足高新技術格式內容制作與還原的技術要求，并有效攻克上述難點，是推動LED電影放映技術在高新技術格式領域深化應用、提升觀眾體驗的核心任務。

4數字電影高新技術格式內容制作和還原核心技術實現

隨著深度學習（DL）和人工智能技術的飛速發(fā)展，為高新技術格式內容的制作提供了有效的技術手段。中國電影科研所聚焦深度學習在超分辨率領域、人工智能在升幀領域的垂直應用，聯合深圳市瑞云科技股份有限公司研發(fā)了一套電影級超分辨率工具，可實現圖像分辨率從2048×1080（2K）轉換為4096×2160（4K）；研發(fā)出一套電影級AI升幀工具，能實現圖像幀速率從24 FPS提升至48 FPS。此外，中國電影科研所還聯合華夏電影發(fā)行有限責任公司（以下簡稱“華夏發(fā)行”）共同搭建了一套LED內容制作和監(jiān)看系統(tǒng)，一套國產沉浸式音頻制作、編碼和還原系統(tǒng)，實現了數字電影LED高新技術格式內容的制作與還原。

4.1 數字電影圖像超分辨率工具的技術實現

數字電影圖像超分辨率算法是一種利用低分辨率圖像中的信息，預估和推測原有圖像丟失細節(jié)，重構出高分辨率圖像的技術。常見的圖像超分辨率算法包括插值算法、基于邊緣的算法、基于統(tǒng)計的算法、基于深度學習的算法等四類。

中國電影科研所主導研發(fā)的數字電影圖像超分辨率工具應用了基于Transformer架構的圖像生成網絡，融合內容感知增強模塊與殘差反饋機制，提取圖像特征、預估圖像運動狀態(tài)，并對細節(jié)紋理進行增強重建。通過輸入大量數字電影圖像進行訓練，學習低分辨率圖像到高分辨率圖像的復雜映射關系，從而實現高質量的超分辨率重構，成功將低分辨率圖像提升為高分辨率圖像。該技術支持輸入2048×1080分辨率的TIFF格式電影級圖像，通過神經網絡模型進行推理計算，輸出4096×2160的高分辨率圖像，該工具的技術路線如圖1所示，通過該工具超分辨率前后的效果對比如圖2所示。通過深度學習優(yōu)化，該超分辨率工具在細節(jié)還原和色彩保真方面具有較好表現，顯著提升了圖像細節(jié)和清晰度，為觀眾帶來更為細膩、逼真的視覺體驗。

圖1　數字電影超分辨率工具技術路線

圖2　數字電影AI超分辨率效果對比

4.2 數字電影AI升幀工具的技術實現

數字電影AI升幀技術是利用人工智能算法，通過深度神經網絡（DNN）從大量視頻中學習復雜運動模式，捕捉非線性運動，識別遮擋與低紋理區(qū)域，保留圖像細節(jié)，從而生成中間幀的技術。常見的升幀算法包括光流算法、深度感知視頻幀插值（Depth?Aware Video Frame Interpolation, DAIN）算法、實時中間流估計（Real?Time Intermediate Flow Estimation, RIFE）算法、MedioIIO等，各AI升幀算法應用于快速運動視頻的效果如圖3所示。

圖3　AI插幀算法效果對比

中國電影科研所主導研制的數字電影AI升幀工具基于RIFE算法核心框架，結合雙向光流估計和幀間注意力機制，進一步增強運動理解與區(qū)域顯著性建模能力，通過對涵蓋多種場景和主題類型的大量電影幀序列進行海量訓練，智能分析圖像幀序列，在原始幀之間創(chuàng)造出視覺上連貫的高質量中間幀，實現24 FPS電影素材生成48 FPS的HFR電影內容，該工具技術路線如圖4所示。通過該技術，電影畫面流暢度大幅提升，動態(tài)場景更為平滑，有效減少了動態(tài)模糊與撕裂現象，為觀眾帶來更極致的觀影體驗。

圖4　數字電影AI升幀工具技術路線

4.3 數字電影高動態(tài)范圍（HDR）轉化工具的技術實現

數字電影HDR轉化技術是指將SDR電影內容，通過亮度、色度映射和細節(jié)增強技術，轉化為HDR電影內容，以整體提升電影內容的亮度、明暗對比度和色彩飽和度。

中國電影科研所聚焦SDR與HDR之間的亮度和色彩映射關系，通過色調映射和細節(jié)增強算法，轉化過程中保留更多明暗細節(jié)，從而增強圖像層次感和對比度。在動態(tài)范圍的映射方面，涉及亮度、光電轉換/電光轉換特性和色彩還原等多方面的調整和優(yōu)化，在專業(yè)調色軟件中嵌入用于編碼轉換的顏色查找表（LUT）和細節(jié)增強算法，以確保SDR內容能夠映射為色彩更加豐富、畫面更加逼真的HDR內容，并能在LED電影放映系統(tǒng)上準確還原。針對映射效果不理想的畫面可使用專業(yè)調色系統(tǒng)進行精細化調整，力圖為觀眾呈現出更加細膩真實的畫面效果。HDR轉化實現技術路線如圖5所示，HDR轉化效果如圖6所示。

圖5　HDR轉化技術路線

圖6　HDR轉化效果對比

4.4 數字電影LED高新技術格式圖像制作和還原系統(tǒng)的技術實現

數字電影LED高新技術格式圖像制作和還原技術涉及傳統(tǒng)影片內容向HFR、HR和HDR的轉換技術，以及LED電影放映系統(tǒng)涉及的高新技術格式影片還原技術。

在制作端，利用圖像超分辨率、升幀和HDR轉化技術，中國電影科研所聯合華夏發(fā)行搭建了數字電影LED高新技術格式圖像制作系統(tǒng)，能夠實現2048×1080（2K）分辨率向4096×2160 （4K）高分辨率轉換、24 FPS內容向48 FPS HFR內容轉換、SDR格式向HDR格式轉換；在LED電影放映系統(tǒng)的視頻處理器（IB）中嵌入兼容DCI HDR規(guī)范的電光轉換函數曲線和高新技術格式影片播放技術，實現數字電影高新技術格式影片內容的監(jiān)看和還原。在DCI HDR模式下實現了XYZ編碼、12 bit色彩深度、48 FPS、500 Mbps的HDR影片內容的播放和還原，數字電影LED高新技術格式圖像制作和還原系統(tǒng)架構如圖7所示，技術實現路線如圖8所示。

圖7　數字電影LED高新技術格式圖像制作和還原系統(tǒng)架構

圖8　數字電影LED高新技術格式圖像制作和還原技術實現路線

4.5 數字電影沉浸式音頻制作、編碼和還原技術實現

數字電影沉浸式音頻技術包含沉浸式音頻制作、編碼和封裝、沉浸式音頻還原技術。沉浸式音頻制作技術主要用于基于聲床+對象[13]+元數據的沉浸式音頻內容的制作和監(jiān)聽；沉浸式音頻編碼和封裝技術主要用于對沉浸式音頻文件的編碼和素材交換格式（MXF）封裝[14]；沉浸式音頻還原技術主要用于沉浸式音頻文件的播放、傳輸、解碼和渲染。

自2018年起，中國電影科研所便開始相關技術的研究工作，在遵循SMPTE有關沉浸式音頻規(guī)則的基礎上[15—17]，基于主流Protools音頻制作平臺，完成沉浸式音頻元數據制作插件和渲染工具的研發(fā)[18]；基于ST 2098-2沉浸式音頻碼流相關規(guī)范，完成沉浸式音頻文件的編碼和MXF封裝，數字電影沉浸式音頻制作、編碼和DCP封裝工具技術實現路線如圖9所示；基于SMPTE ST 429-14[19]數字同步信號和輔助數據傳輸協(xié)議，完成沉浸式音頻處理系統(tǒng)的研發(fā)工作，技術實現路線如圖10所示。

圖9　數字電影沉浸式音頻制作、編碼和DCP封裝工具研發(fā)技術實現路線

圖10　數字電影沉浸式音頻還原技術路線

5結語

隨著數字電影LED放映技術的快速發(fā)展，其高分辨、高亮度、高對比度、亮度色度均勻性好等技術優(yōu)勢，為高新技術格式影片進入影院提供了最佳的技術載體[20]。當前絕大多數影片的拍攝、制作和放映手段均以傳統(tǒng)常規(guī)技術格式為主，在遵循全球統(tǒng)一數字電影技術規(guī)范的基礎上，如何實現高新技術格式內容的制作和還原是電影行業(yè)面臨的關鍵技術挑戰(zhàn)。

通過持續(xù)的技術創(chuàng)新和標準化流程優(yōu)化，中國電影科研所已成功突破多項技術瓶頸，利用先進的深度學習和人工智能技術，完成電影級圖像超分辨率工具、AI升幀工具、HDR轉化工具、沉浸式音頻制作工具的研發(fā)，可用于傳統(tǒng)影片向高新技術格式影片的轉換。聯合華夏發(fā)行搭建的數字電影LED高新技術格式內容制版實驗室，已制作《封神2》《蛟龍行動》等多部院線影片的LED高新技術格式行業(yè)版本，為30多個LED影廳提供了上百次LED高新技術格式內容服務，成功實現了LED高新技術格式影片從制作到放映的全流程技術貫通，為電影行業(yè)的技術革新奠定了堅實基礎。未來，中國電影科研所將繼續(xù)深化相關研究，推動高新技術格式電影技術的普及與應用。

參考文獻

（向下滑動閱讀）

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