漫话电影影像技术进步历程的基本特征_中国电影科技网 - 科技前沿
关于我们 | 联系我们   注册 中文|ENG
您现在的位置:首页 >> 科技前沿 >> 科技论文
科技前沿
科技动态
科技成果
科技论文
行业数据

漫话电影影像技术进步历程的基本特征
——图像函数自变量的逐步离散化
2016-06-23 | 访问次数: | 新闻来源:

  孙延禄

  【摘要】本文论述了活动影像视觉信息的多维性及多维信号记录的基本规律,从图像函数自变量的逐步离散化角度,回顾了电影影像技术的进步历程,并对未来发展方向作了展望。

  【关键词】 活动影像 彩色影像 多维图像函数 模拟电影 数字电影 3D电影

  前言

  电影作为一项纪录与再现活动影像的伟大发明诞生于19世纪末,至今已有120年的历史。回顾这一百多年的活动影像技术进步历程,我们可以发现有一条红线贯穿其中,就是:描述活动影像的图像函数的(在自然状态下本是连续的)多个自变量,随着技术进步的步伐,在影像记录过程中逐个被当作离散量来处理。也可以说,按照时间顺序每进行一次自变量的离散化,电影影像技术就经历一次质的飞跃,越上一个新台阶。

  下面我们先阐明活动影像视觉信息的多维性及多维信号记录的基本规律;在此基础上,顺序描述电影影像技术的逐步演进过程,阐明多维图像函数自变量离散化是电影影像技术进步的基本特征及由此伴生的新问题。最后,对电影影像技术的发展方向作出估计。

  一、活动影像视觉信息的多维性及多维信号记录的基本规律

  人类用自身的感觉器官接受从外部世界发来的多种信息。这些信息的大部分(90——95%)为由视觉器官接收的视觉信息。图像技术通过多维信号把视觉信息物化,即把视觉信息表示为记录载体的某种物理状态。通常,利用一个具有三个或更多自变量的函数来描述它。

  视觉信息通过光学信号传递(所谓光学信号即带有被观看物体视觉信息的电磁波)。该信号以一个三维空间坐标x,y,z及时间坐标t的函数来描述。为了在载体上记录视觉信息,光学信号应被转换成适于记录、加工和再现的形态。

  光学系统使光学信号直接变为影像。该影像或者直接与记录载体相匹配,或者与某种传感器相匹配,后者给出适合在载体上记录的新信号。

  光学系统是按以下方法变换光学信号的,即在影像空间产生物体的实像( 即景物的三维光学模型),在置于三维光学模型截面处的二维载体或传感器表面上转换为物体的影像。在上述影像中完全失去了光学模型沿第三个空间坐标z的信息。

  信息载体(或传感器)把光波随时间的变化加以平均,因此影像以沿载体(或传感器)表面的光强度分布来表征。但光波随时间振动的信息在影像中表现为光的频谱成分(即光强度与光波的波长λ有关)。这一关系决定主观感觉到的物体影像的颜色。

  因此,如果物体是静止的,则其影像由具有三个自变量的函数F(x′,y′, λ)来表征,其中:因变量F——影像的照度或亮度;自变量 x′, y′——影像载体(传感器)表面的空间坐标;自变量λ——光波的波长。如果影像随时间移动或改变,则表征影像的函数亦与时间t相关。这时的光学信号则需要用四维函数F(x′,y′, λ, t )来描述。其中:自变量t——时间。

  下面我们来分析传统胶片电影将四维信号F(x′,y′, λ, t ) 沿感光载体的二维坐标进行记录的变换过程。摄影物镜把影像沿空间坐标 x′, y′展开并只沿上述两坐标进行模拟纪录( 即连续展开纪录)。这时再把影像按波长λ及时间t沿载体的相同的二维坐标连续展开已不再可能。实践证明,只有采用以下方法才有可能在二维载体上记录影像的运动信息及色彩信息,即把影像按其波长及时间先进行离散化处理,并设法将经离散化处理的影像按一定要求布置,铺排于信息载体上。

  将多维信号记录于维度有限的载体时,需要遵循的基本规律是:

  1≤ I ≤3

  0≤ J ≤I

  L= N-J                                     (1)

  其中:  I ——记录载体的维数; J ——连续展开的自变量个数;N——信号的维数; L——需对其进行离散化处理和布置铺排的自变量数目。

  下面我们按彩色电影图像函数F(x′,y′, λ, t ) 的四个自变量先后逐步实现离散化的历史进程进行描述。

  二、从黑白照相到黑白电影

  众所周知,传统电影技术是在照相技术的基础上研发成功的。照相技术初级阶段所表现的是黑白影像。为了获得黑白影像,必需设法摆脱F(x′,y′, λ, t ) 中的自变量λ对记录影像的影响,采用的办法是:利用全色感光材料及快速动作的快门。这样一来,图像函数的自变量个数就减少了一个,成为三维函数F(x′,y′,  t )。如上一节所述,为了在二维记录载体上记录三维信号,必须将三个自变量中的任何一个离散化,因此可以有多种技术方案产生(限于篇幅,本文不再展开讨论)。

  我们要关注的是: 在传统电影系统中,采用了把时间变量t 离散化的办法,即将函数F(x′,y′,  t )转换成F(x′,y′,  t* )。其中t*代表经过离散化处理的时间变量(即时间t的抽样值序列)。按时间离散化的影像F(x′,y′)沿电影胶片长度方向依次排列,其间距应当足够在其区间内布置由物镜按空间坐标x′,y′展开的整个影像。其结果是:沿着信息载体的二维方向实现了(用三维函数描述的)影像的“离散+模拟”记录。

  可以把时间变量t离散化后再加以记录的生理光学依据是:视觉系统的时间分辨能力。即一个闪烁的光源当其闪烁频率增至某一值时,会产生稳定的融合感觉。这一频率值就被称为“临界融合频率”。如果相继出现的光刺激交替地成像在视网膜的不同部位,而且间隔的时间又足够短暂(<120ms),则观察者所感知到的是刺激光在这两个不同部位之间的表观运动,它与真实运动的感觉并无不同。

  根据有关理论研究,传统胶片电影系统的从摄影到放映的全部影像变换过程可用一个等效方框图(图1)来表示。

图1

  图中K1, K2, K3——空间频率滤波器;F1,F2——时间频率滤波器;D——按时间自变量t进行离散化处理的装置。其中K1,F1和D均属于摄影过程;K2 属于洗印过程;而K3和F2则属于放映过程。在传统电影系统的输入端,起空间滤波器作用的是摄影物镜及电影胶片;起时间滤波器作用的则是摄影机的遮光器及电影胶片;起离散化处理装置作用的则是摄影机的间歇输片机构和遮光器。而在输出端起空间滤波器作用的是放映物镜;起时间滤波器作用的则是电影放映机的遮光器及人的视觉系统。

  从理论上说,电影系统的构成,应当确保观众在观看电影影像时看不出影像的离散化痕迹。在现行电影系统中,时间自变量的抽样频率就是换幅频率(亦称帧率)γ 。根据著名的抽样定理,影像函数只有在满足以下两个条件时才能被准确还原:(1)在被记录的原始影像函数中不包含有大于二分之一抽样频率(即γ/2)的时间频率成分;(2)在系统的输出端应当采用合格的时间滤波器,以使大于γ/2的时间频率成分不能通过。如果满足不了上述两个条件,则在再现的影像中就不可避免地包含着由于自变量t离散化引起的失真(常表现为影像闪烁、影像运动的不连续。频闪效应等,详见[1])。

  1932年美国首先把24幅/秒定为有声电影的换幅频率标准。以后这个标准逐渐被世界各国所采用,并一直沿用到今天。80多年前定出的标准主要基于保证还音质量要求,对于保证再现影像技术质量方面并没有进行系统的研究与实验。

  多年来,大量的理论研究与实验均表明:消除时间自变量t离散化失真的有效措施均与提高换幅频率密切相关。提高换幅频率的研究和试验目前仍是电影科研的热点课题之一。

  三、从黑白电影到彩色电影

  为了能在二维载体上记录彩色活动影像函数F(x′,y′, λ, t ) ,必须在自变量t 离散化后,继续在三维函数F(x′,y′, λ ) 的三个自变量中再挑选一个并将它也离散化。虽然从理论上说,从三个自变量中任选一个均可(限于篇幅,此处不再展开讨论),彩色电影的发明者们最终选择了光波波长λ作为进一步离散化处理的对象并一直沿用至今。

  可以把光波波长作为进一步离散化处理的依据正是人类视觉系统的色视觉原理。人眼能对波长在380nm到780nm,频率在4.3 × 1014Hz 到 7.5 × 1014Hz的电磁辐射产生响应。人眼视网膜是外来光辐射的接收器,大致可分为三层。在其最里层分布有两种感光细胞——杆体细胞和锥体细胞。杆体细胞能感受弱光刺激,但不能分辨颜色;锥体细胞能感受强光刺激,同时还具有分辨颜色的能力。现代科学实验已于1965年证实:锥体细胞确有三种类型。它们分别对长的、中等的和短的波长的光特别敏感。实验证明,存在有三种固定波长的单色辐射(即基色),它们能单独激励三组锥体细胞中的一组。但与此同时每一组锥体细胞的光谱灵敏度却都包含有一定宽度的波长范围。

  实验还证明:颜色的感觉不仅和外来的物理因素有关,而且还与生理因素有关。颜色感觉产生与大脑。每一种主观感知的颜色均决定于由三组锥体细胞发出的信号强度的比例。因此可以说,大脑在视觉系统出口端起一种特殊滤波器的作用,它并不重建已被离散抽样的光谱,而是产生出连续的色彩系列。由于人的视觉系统只包含三种感色中心并能把辐射的光谱变换为主观感知的种种颜色,这就为彩色影像函数自变量 λ的离散化提供了生理依据。

  在把光波波长λ离散抽样为三基色波长(国际上已标准化为700nm——红色;546nm——绿色;435nm——蓝色)的基础上,实现胶片彩色电影的方法有两种:即加色法电影与减色法电影。以胶片为媒体的加色法电影系统(详见[2])尽管在色彩传递方面有一定优势,但由于它需要使用特殊的电影摄影机和放映机,胶片消耗量增大,用外色罩法改善色彩传递质量的工艺过程十分繁琐等原因,仅在最早期的彩色电影中使用过,很快就被以多层彩色胶片为媒体的减色法电影系统所取代。采用多层彩色胶片,实现了黑白电影与彩色电影设备的兼容,大大降低了制片和放映的成本。

  多层彩色胶片是按减色法原理构造的。它含有三个分别对红、绿、蓝色光敏感的感光层。在拍摄及照相加工后,形成由染料构成的底片影像。其中每层的染料颜色分别是红、绿、蓝三基色的补色,即青、品红和黄。底片在照相加工后,得到原景物的补色负像。用上述底片在具有相似结构的彩色正片上翻印出的正片影像,仍然由分布在三个感光层内的青、品红和黄色染料构成,只不过每个感光层的影像浓淡程度 均与底片相应各层相反而已。当以白光照射此正片时,即获得与原景物相似的色彩。这里所以说是“相似的色彩”,是因为底片上生成的补色染料往往和理论上要求的有较大差距——即补色染料对理论上应当完全通过的光谱成分产生不应有的吸收,因此再现的彩色影像总伴有不应有的色彩失真。

  总而言之,虽然将图像函数自变量λ离散化并把三基色的分色乳剂层重叠放置,实现了彩色影像的“离散+模拟”记录,促成了彩色电影的诞生,但以多层彩色胶片为媒体的减色法彩色电影的色彩传递质量并不能令人满意。如何进一步提高彩色电影的色彩传递质量一直是电影科研的热点课题之一。

  四、从胶片电影到数字电影

  20世纪70年代末,数字图像技术逐渐在照相技术与电影技术中得到应用。这是一次重大的技术变革,对照相和电影产业的升级产生了深远影响。

  彩色活动影像函数F(x′,y′, λ, t )在时间自变量t 和光波波长自变量λ被离散化处理后,即由四维函数变为二维函数F(x′,y′),它是表示空间坐标与亮度关系的连续函数,称为模拟图像。为了能利用数字计算机处理电影影像,以大幅度提高图像处理的速度和精确度,将模拟图像的自变量x′,y′离散化 将其转化为数字图像十分必要。

  数字化过程就是将一幅模拟图像在二维空间位置上变换成一组离散值,这一过程称为抽样。这些离散值被称为样本。每个样本的灰度级可以在一个连续范围内取任意值。量化是进一步将这些样本在取值上进行离散化。所以量化就是指把灰度级分成K层,并要求任一点的灰度级只取其中的一个值。在计算机中,通常用二进制来计数,所以K取为2的整数幂,即:

  K = 2n   (2)

  其中K——图像的样本值数量,n——量化深度(或比特深度)。

  例如,当n = 8时, K = 256级。

  抽样和量化是用数字化的设备(如CCD和CMOS光电转换器件)来完成的。它把二维影像分成为众多等距离的抽样点,得到一个M×N的点阵。每个点上的灰度只能是量化K层中的一个灰度级。M、N和K的值必须足够大,对这些数值的唯一约束是由它们再现图像时,所产生的失真不超过视觉系统的容忍范围。通常,抽样和量化越精细 ,再现的影像质量就越好。但M、N和K的增加若超过了影像接受者分辨能力,就没有任何意义,并且M、N和K越大,处理的计算量也越大,影像的制作成本也越高。

  如上所述,影像数字化后,得到一个M×N点阵列,其中每个点的灰度级是一个2的n次幂的整数,所以数字图像是一个整数阵列。在数学上就可以用一个矩阵F来表示。数字图像中的每一个像元就是矩阵中相应的元素,矩阵中的每个数字代表图像在相应点的灰度级,如式(3)所示:

  

  对于数字电影来说,DCI数字电影系统规范(DCSS)明确规定了图像结构模式:即2K(2048×1080) 和4K( 4096×2160)两种。其中2K图像的水平抽样点数M=2048;垂直抽样点数N=1080,总像素数M×N= 2048×1080≈220万。4K图像的水平抽样点数M=4096;垂直抽样点数N=2160,总像素数M×N=4096×2160≈880万。 DCI数字电影系统规范还明确规定: 数字电影图像中每个颜色分量的量化深度n为12比特,因而每个像素的总量化深度为12×3=36比特。

  这样,彩色活动影像函数F(x′,y′, λ, t )就实现了四个自变量的全部离散化。函数式变成为F(x′*,y′*, λ*, t*)。其中自变量x′*,y′*, λ*, t*代表各自变量离散值的序列。生成于摄像机光电转换器感光表面的模拟光学信号就转变为离散的数字电信号。

  数字信号的特征是无论从时间上或大小上看都是离散的,或者说都是不连续的。传递、加工和处理这种信号的电路(即数字电路)具有以下特点:(1)在数字电路中一般都采用二进制,因此凡元件具有的两个稳定状态都可用来表示二进制的两个数码,故其基本单元电路简单,对电路中各元件精度要求不很严格,允许元件参数有较大的分散性,只要能区分两种截然不同的状态即可。这对于实现数字电路集成化十分有利; (2)抗干扰能力强,精度高。由于传递,加工和处理的是二值信息,不易受外界的干扰。另外,还可以用增加二进制数的位数来提高电路的精度。(3)数字信号便于长期储存。(4)保密性好,便于进行加密处理。〔5〕通用性强,可以采用标准化的逻辑部件来构成各种数字系统。此外,与模拟处理相比,数字信号处理算法的实现手段多,它既可以用硬件设备来实现,也可以在计算机上用软件来完成。

  图像信号数字化使电影影像技术得以和现代计算机技术,数字通信技术相沟通,从而驶上了图像处理的高效率、高品质的道路。电影影像技术水平因此就上了一个大台阶,跃升到一个从未有过的新高度。

  在数字电影的摄制过程中,通过采用校色矩阵,很容易使数字摄像机内的光电转换器的三色感光层的光谱特性曲线,接近于人眼三组感色中心的(含有负值区段的)光谱响应曲线,从而明显改善色彩传递质量。在数字电影的后期制作过程中,由于影像函数自变量x′*,y′*都是离散值,容易实现影像色彩的局部调整。数字图像技术为电影影像特效制作开辟了广阔的新途径。通过专门编写的数字图像处理软件,可作出影像的旋转、翘曲、歪斜、压缩或拉伸、着色或变色、模糊、叠化以及图像合成等用传统方法难于完成的特殊视觉效果。

  在数字电影的放映过程中,由于使用了数字微反射镜器件(DMD)及加色法投影,便于在系统的出口端采用三个单色激光光源 。由于激光具有诸多优点:(1)激光发射光谱为线谱,色彩分辨率高,色饱和度高,能显示十分鲜艳的颜色;(2) 激光可供选择的谱线波长很丰富,可以构成大色域的色度三角形,从而可显示更丰富的色彩;(3)激光方向性好,容易实现高清晰度显示;(4)激光强度高,可实现高亮度,大屏幕显示。数字电影的放映质量得以显著提高。

  总而言之,彩色活动影像函数F(x′,y′, λ, t )实现了四个自变量的全部离散化后,影像载体已不再是电影胶片,胶片电影时代就此终结,数字电影时代应运而生。数字技术使电影的制作、发行,放映和管理的各个环节都有了质的飞跃。电影的表现能力得以显著增强,电影产业结构也必然会有大的调整,对未来的发展提供了不可估量的机遇。

  五、对发展方向的估计

  电影技术的基本发展规律是通过人造手段提取(包括拍摄与计算机生成)并再现所记录景物的活动影像,以及声音等其他感官信息,使观众对其感受的效果逐步逼近于现实生活中的实际感受。

  当然,对于艺术电影来说,还应当根据艺术表现的需要,使观众所感受的不同信息有不同程度的夸张或抑制。从这一观点出发,电影技术虽然已经有了一百多年的发展历史,特别是近年来,随着电影的数字化及与计算机技术的结合使电影的表现力明显增强。但目前仅从影像的再现来看,还远未完全达到上述理想目标。“电影”和“现实”(不论在影像的空间再现方面,还是在运动再现或色彩再现方面)还有着相当的差距。因此,面向未来尚有无数科技高峰和新领域有待电影科技工作者去攀登和开拓。

  从历史发展角度来看,逐步实现彩色活动影像函数F(x′,y′, λ, t )自变量的离散化,确实促进了电影技术的不断进步。但与离散化相伴而生的离散化失真问题也不容忽视。如何消除和控制由这些自变量离散化所引起的时间再现失真,空间再现失真以及色彩再现失真,自然就成为必须深入研究的课题。

  回顾100多年来电影影像技术的进步史,图像函数从F(x′,y′, λ, t )已变成了F(x′*,y′*, λ*, t *),四个自变量均已被离散化,自变量离散化的潜能均已被挖尽。那末,下一步又该如何发展呢?“山穷水复疑无路,柳暗花明又一村[3]”,这里自然会想到利用传统(也是现行)摄影技术的不足。正如我们在本文第一节内所提到的,利用现行摄影方法所获得的影像是平面影像,其中已丢失了景物空间沿深度方向z的有关信息。因此,电影影像下一步的提升目标必然是设法找回景物沿深度方向的信息——这就是三维立体电影。

  现行数字电影的基本形态仍然是2D平面电影。虽然为了增强观看电影时的三维纵深感,基于双眼视差原理的3D数字电影(Stereoscopic Digital Cinema )目前正在电影市场上走红。但应当承认利用此原理构成的3D电影(严格来说,应该称其为S3D电影,以便与今后的新型三维电影相区分)具有许多先天性的缺陷,其中最主要的有两点:(1)违反自然规律,观看此种立体电影时,本来应当相互协调一致的眼的“调节功能”和“汇聚功能”却相互背离,从而造成眼部疲劳和疼痛不适等效果;(2)多数情况下,观看此种立体电影时需佩戴特种眼镜,引起不适和不便。(本文不再展开讨论,有关内容详见[4])。基于以上观点,只能认为现行立体电影仅是三维电影的初级阶段或过渡阶段。多年来,各电影技术发达国家都在寻找和研究,实现没有上述缺陷的真正三维显示的新途径和新方法(参见[5])。例如,美国的麻省理工学院(MIT)长年来一直设有专门机构从事全息显示技术应用于影视产业的研究,并已在计算全息技术方面取得了不少成果。想必我国的科技界也会重视这一迷人的热点研究方向。

  作为本文的结束语,笔者认为:实现真正三维影像显示是电影影像技术继续升级所面临的一座必须翻越的高峰。“三万里河东入海,五千仞岳上摩天”[6], 前进的道路虽然曲折坎坷,但相信总有一天电影影像技术会再上一个大台阶,达到下一个光辉顶点。

  参考文献

  [1]孙延禄,“电影换幅频率的演进趋势”,电影技术,1993,No.3,4

  [2]孙延禄,“漫话提高电影画面色彩再现质量的可能性”,现代电影技术,2008,No.9,10

  [3]陆游,“游山西村”中诗句

  [4]孙延禄, “ 从模拟人眼立体视觉功能的差异看3D影像技术的类别与未来”, 现代电影技术 2012.No.1

  [5]孙延禄 “我国巨幕电影研发历程回顾及漫话未来的终极电影体验”,现代电影技术, 2012,No.7

  [6]陆游,“秋夜将晓出篱门迎凉有感二首-其二”中诗句

 下载专区 -  会员注册 -  关于我们 -  联系我们 
 
京ICP备05029147号-1
京公网安备11010802012615号
中国电影科学技术研究所 国家广电总局电影技术质量检测所
版权所有,未经许可不得转载