科教電影是影視藝術(shù)大家庭中的一員，與影視藝術(shù)的其他片種比起來，既有藝術(shù)的相同性，又有其相當(dāng)?shù)奶厥庑浴＿@種特殊性來源于科教電影的創(chuàng)作資源——包括從微觀世界到宏觀世界的自然科學(xué)領(lǐng)域。而科教電影同樣可以采取視覺藝術(shù)的方式向大眾敘述事物的科學(xué)本質(zhì)與內(nèi)容。作為中央新影集團(tuán)下的北京科學(xué)教育電影制片廠一直是我國(guó)生產(chǎn)科教片的重要基地，面臨數(shù)字影像技術(shù)的發(fā)展，越來越多的片子是采取數(shù)字拍攝為主。第28屆金雞獎(jiǎng)最佳科教片《變暖的地球》采用膠片、索尼F900R數(shù)字?jǐn)z影機(jī)、佳能EOS 5D Mark II數(shù)碼單反相機(jī)共同拍攝完成，本文以此探討數(shù)字影像技術(shù)在科教電影拍攝中的應(yīng)用。

什么是科教電影

科教電影是運(yùn)用電影的藝術(shù)和技術(shù)手段來表現(xiàn)其科技內(nèi)容。

科教電影的表現(xiàn)力十分豐富，由于影片用于進(jìn)行科技知識(shí)傳播，因而要求鏡頭嚴(yán)謹(jǐn)，畫面構(gòu)圖形象逼真，又要用電影技術(shù)手段真實(shí)反映自然界變化和表現(xiàn)其科技規(guī)律。所以，科教電影采用大量特殊技巧攝影，如逐格、顯微等拍攝手段，在二維畫面中壓縮時(shí)間和空間，拍出細(xì)胞裂變、細(xì)菌生成、植物和生物的生長(zhǎng)過程，還可以表現(xiàn)時(shí)空光影及氣候影響天空下云層變化等世間無窮的變化。這些技巧攝影不但能將這些過程真實(shí)、完整地拍攝下來，而且通過各種鏡頭的運(yùn)用，增加了視覺震撼力，產(chǎn)生意想不到的效果，豐富了科教電影的內(nèi)容。

數(shù)字技術(shù)流程提升畫質(zhì)

傳統(tǒng)科教電影的制作方式從前期拍攝到后期制作及發(fā)行放映，全部是使用電影膠片制作完成的，形成了一整套相應(yīng)的生產(chǎn)模式和與之配套的工作流程。電影膠片的前期拍攝是用各種類型的未曝光負(fù)片，經(jīng)曝光后生成影像，拍攝的效果只有沖洗完負(fù)片后才能知道，無疑加大拍攝風(fēng)險(xiǎn)。往往完成一個(gè)電影鏡頭，需要拍攝多次。而電影膠片屬感光材料，又不能重復(fù)使用，這必然增加拍攝成本。在傳統(tǒng)后期制作過程中（以35mm膠片為參考）：從拍攝負(fù)片原底到完成影片拷貝需要經(jīng)過三次印片機(jī)的光學(xué)復(fù)制，由于光學(xué)印制時(shí)散射效應(yīng)，復(fù)制過程會(huì)造成畫面分辨率的損失和衰減。35mm原底圖像素材的分辨率可以達(dá)到4K左右，經(jīng)過第一次印成翻正中間片分辨率已降低到2K，再次復(fù)制得到翻底中間片分辨率為1.6K，而用翻底制作的發(fā)行放映拷貝分辨率只有1.2K了。（參見圖1）所以相對(duì)于現(xiàn)代的電影數(shù)字技術(shù)，傳統(tǒng)的電影膠片制作工藝，對(duì)畫面質(zhì)量會(huì)有一定的影響。

隨著電影數(shù)字技術(shù)的不斷完善，數(shù)字中間片改變了傳統(tǒng)的后期制作方式?，F(xiàn)代數(shù)字工作站把傳統(tǒng)制作中的膠片畫面素材、聲畫合成、動(dòng)畫合成全部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換，并以數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行制作。經(jīng)過調(diào)色、配光、編剪制成數(shù)字中間片，由數(shù)字中間片制作數(shù)字拷貝和膠片拷貝，由于數(shù)字制作是以數(shù)字文件格式相互傳遞，不會(huì)產(chǎn)生分辨率和圖像質(zhì)量的損失，發(fā)行放映拷貝分辨率可達(dá)到1.6K－2K，大大提高影片圖像質(zhì)量（圖2）。

三種影像拍攝技術(shù)的比較

由于電影數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，不但帶來了后期制作工藝的改變，還給我們?cè)黾恿饲捌谂臄z方式的選擇。所以在我廠榮獲電影金雞獎(jiǎng)的重點(diǎn)科普影片《變暖的地球》拍攝中，我們既使用電影膠片，同時(shí)又使用高清數(shù)字?jǐn)z影機(jī)HDW-F900R和數(shù)碼單反相機(jī)佳能 EOS 5D Mark II，使影片的畫面質(zhì)量取得了很好的效果。

現(xiàn)將三種拍攝方式相互比較

圖像感應(yīng)器

現(xiàn)代數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和數(shù)碼單反相機(jī)使用最多的感應(yīng)器是CCD和CMOS，這是數(shù)碼單反相機(jī)和高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)成像的核心元件。圖像感應(yīng)器相當(dāng)于攝影機(jī)和膠片照相機(jī)底片畫幅，尺寸越大，有效像素就越高，接收捕捉的光信號(hào)就越多，圖像的色彩和層次就會(huì)更豐富。大尺寸圖像感應(yīng)器帶來更大的寬容度和動(dòng)態(tài)范圍，使亮部和暗部都會(huì)保留更豐富的層次。

現(xiàn)代數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和數(shù)碼單反相機(jī)使用最多的感應(yīng)器是CCD和CMOS，這是數(shù)碼單反相機(jī)和高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)成像的核心元件。圖像感應(yīng)器相當(dāng)于攝影機(jī)和膠片照相機(jī)底片畫幅，尺寸越大，有效像素就越高，接收捕捉的光信號(hào)就越多，圖像的色彩和層次就會(huì)更豐富。大尺寸圖像感應(yīng)器帶來更大的寬容度和動(dòng)態(tài)范圍，使亮部和暗部都會(huì)保留更豐富的層次。

2 佳能EOS 5D Mark II數(shù)碼單反相機(jī)采用全畫幅CMOS圖像感應(yīng)器，其成像器尺寸36×24mm，畫幅面積是電影超35mm負(fù)片畫幅面積的2倍。單張照片能達(dá)到2000萬像素，其高清視頻圖像也達(dá)到200多萬像素。

圖像記錄格式

佳能 EOS 5D Mark II數(shù)碼單反相機(jī)：采用CF高速卡記錄圖片和視頻圖像信息，其圖片采用RAW無壓縮圖像文件數(shù)據(jù)記錄格式或JPEG有限壓縮圖像文件數(shù)據(jù)記錄格式。每張圖片根據(jù)畫質(zhì)有不同設(shè)置，而其高清視頻可拍攝分辨率1920×1080的影片，記錄格式是采用了H.264的壓縮方式。由于記錄碼流低，在記錄高清視頻信號(hào)時(shí)，對(duì)CF卡記錄速度要求較高（30Mb／S）以上，如果速度低會(huì)造成畫面拖尾和丟幀現(xiàn)象。

高清數(shù)字?jǐn)z影機(jī)F900R：采用的是碼率144Mbps的HDCAM磁帶記錄，而且用了與電視攝像機(jī)相同的伽瑪。電視伽瑪可以在電視上看到正常對(duì)比度和彩色的圖像，適合電視的直播和制作。不過電視伽瑪分配給高電平的資源比較少，對(duì)畫面中高亮度部分的灰度層次有所損失。

電影膠片底片拍攝完成后，經(jīng)沖洗形成電影負(fù)片，掃描成2K／10比特DPX文件，進(jìn)行后期制作。

分辨率

佳能EOS 5D Markll數(shù)碼單反相機(jī)的單張圖片分辯率最高達(dá)到4k-5k（5616×3744），像素能達(dá)到2000萬。而其高清視頻分辨率理論上可達(dá)2K（1926×1080），但只有200多萬像素。這是因?yàn)檎掌鸵曨l的各自記錄格式不同，照片采用RAW或JPEG記錄格式，而視頻是采用H.264的頻間壓縮格式。電影35mm原始底片分辨率可達(dá)4k，1000多萬像素（忽略鏡頭分辨率）。索尼HDW－F900R視頻垂直分辨率是1080線，物理分辨率高達(dá)19206×1080，像素660萬。所以從理論和我們實(shí)際使用中，5D MarkⅡ單反相機(jī)圖片分辨率超過膠片35mm底片的分辨率，而其視頻的分辨率和F900R視頻分辨率還達(dá)不到膠片底片分辨率。

色彩還原

色域表示能夠再現(xiàn)色彩的范圍。色域越大，還原的色彩越接近自然界的真實(shí)色彩。因此，色域范圍大小對(duì)圖像質(zhì)量的影響表現(xiàn)在畫面色彩還原的真實(shí)程度。采用RGB三基色再現(xiàn)彩色時(shí)，三個(gè)基色坐標(biāo)組成的三角形就是這三種基色所定義的色域，其用彩色標(biāo)出的馬蹄形色度三角就是人眼能看到的色域。圖3是用CIE色度圖表示的彩色負(fù)片色域。

索尼HDW-F900R高清數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的色域范圍比電影負(fù)片色域范圍小，它只能支持高清電視色域。

佳能EOS 5D Mark II單反相機(jī)的色域范圍比電影負(fù)片色域范圍大，色彩更加艷麗。

寬容度

電影拍攝常用的彩色負(fù)片，以色溫劃分，可分為日光型如5246（ISO250D）和燈光型5213（ISO200T）；以感光度劃分，可分為低感光度5201（ISO50D）和高感光度5218（ISO500T）。其感光性能雖有差別，但都以表現(xiàn)18％灰階的正常曝光，為光圈級(jí)數(shù)中心點(diǎn)0或N。每增加或減少1擋光圈，曝光量增加1倍，也就是增加了原值的2倍。圖4是彩色負(fù)片的感光性能示意圖。從圖中可以看到，其帶斜率的R／G／B三條曲線直線部分就是彩色負(fù)片的寬容度?，F(xiàn)代彩色負(fù)片寬容度大約為11-12擋光圈，要使數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的寬容度達(dá)到膠片水平，至少要有10擋光圈的寬容度，更高的標(biāo)準(zhǔn)則是12-13擋光圈的寬容度。

對(duì)于索尼HDW-F900R數(shù)字?jǐn)z影機(jī)和佳能EOS 5D Mark II數(shù)碼單反相機(jī)，廠方給出技術(shù)指標(biāo)寬容度都是10擋光圈，是能夠達(dá)到膠片的寬容度水平。

《變暖的地球》的拍攝應(yīng)用

基于以上幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)相比較，我們拍攝《變暖的地球》這部影片主要使用電影膠片。由于數(shù)字?jǐn)z影機(jī)F900R是數(shù)字?jǐn)z像機(jī)向數(shù)字?jǐn)z影機(jī)轉(zhuǎn)型產(chǎn)品，屬數(shù)字?jǐn)z影機(jī)的早期機(jī)型，與電影膠片相比較畫面質(zhì)量有較大差距，缺少中間層次，寬容度和色彩還原都不能和膠片相比。所以我們?cè)谟捌兄饕褂迷摍C(jī)拍攝一些花絮和氣候特殊鏡頭。佳能EOS 5D Mark II數(shù)碼單反相機(jī)的視頻由于記錄碼流低也不能作為主機(jī)使用?？墒窃摍C(jī)的圖片拍攝功能非常好，完全可以和電影膠片相媲美，單張圖片的像素、色彩還原、寬容度等技術(shù)指標(biāo)都能與膠片技術(shù)指標(biāo)相符，甚至超過膠片。所以我們用佳能EOS 5D Mark II的圖片功能，在影片中大量拍攝云層變化、時(shí)空光影變化、冰雪溶化、潮起潮落和日出日落等逐格特技畫面鏡頭。

電影膠片是伊斯曼柯達(dá)公司這一百年老店仍然在堅(jiān)守的一塊陣地。公司在科研技術(shù)這一領(lǐng)域?qū)嵙π酆?，不斷推出新產(chǎn)品，新一代電影膠片顆粒更加細(xì)膩，畫面質(zhì)感更加完美。但是，隨著數(shù)字技術(shù)發(fā)展，電影膠片不斷受到數(shù)字?jǐn)z影機(jī)這種拍攝方式的沖擊。德國(guó)生產(chǎn)最新數(shù)字?jǐn)z影機(jī)ALEXA使用ARRIRAW格式，圖像分辨率可達(dá)2.6K，像素為2880×1620，寬容度14擋光圈，色彩還原等技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到電影膠片的要求。