吳 兵丁友東(.上海大學(xué)上海電影學(xué)院,上海,0007;.泰山學(xué)院文學(xué)與傳媒學(xué)院,山東泰安,7000)
珍貴電影檔案搶救性數(shù)字修復(fù)平臺(tái)研究*
吳兵1丁友東2
(1.上海大學(xué)上海電影學(xué)院,上海,200072;2.泰山學(xué)院文學(xué)與傳媒學(xué)院,山東泰安,271000)
電影檔案是利用攝像設(shè)備將影像記錄在膠片、錄像帶等存儲(chǔ)介質(zhì)上的檔案。目前許多珍貴電影檔案正面臨無法讀取的危險(xiǎn),亟待搶救。文章介紹了我國(guó)電影檔案的保存現(xiàn)狀,提出了電影檔案的搶救策略,構(gòu)建了電影檔案搶救平臺(tái)和搶救流程,為規(guī)范化、規(guī)?;瘬尵入娪皺n案提供了技術(shù)保障方面的參考。
電影檔案膠片數(shù)字化保存檔案修復(fù)
電檔案是利用攝錄像設(shè)備將影像記錄在膠片等載體上的檔案,它記錄著人類社會(huì)的發(fā)展和變遷。中國(guó)的電影檔案從誕生距今已有上百年,在這百年文化積淀中,保留下來的許多彌足寶貴的影像資料,記錄了歷史的變遷、人民的智慧和藝術(shù)的結(jié)晶,傳承了一個(gè)民族的文明和歷史,具有很高的歷史文化和教育價(jià)值。
目前我國(guó)電影檔案主要以膠片形式存儲(chǔ),由于膠片介質(zhì)極易損毀,這些檔案正處于瀕臨消亡的危險(xiǎn)境地,亟待搶救。上海大學(xué)與上海電影技術(shù)廠聯(lián)合承擔(dān)上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目《中國(guó)珍貴歷史影像資料搶救性數(shù)字修復(fù)平臺(tái)》(項(xiàng)目編號(hào):14511108400)對(duì)電影檔案的數(shù)字化修復(fù)開展了卓有成效的研究,提出電影檔案數(shù)字化修復(fù)的流程和策略,成功搭建電影檔案數(shù)字化修復(fù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)電影檔案的自動(dòng)化、規(guī)模化搶救。
我國(guó)的電影檔案主要保存在各類檔案館、圖書館以及部分影視制作部門,保存的形式以膠片為主。膠片材料的保存十分不易,對(duì)室內(nèi)溫濕度要求特別高,依據(jù)柯達(dá)公司標(biāo)準(zhǔn),理想的保存溫度是在零下10℃到零下20℃之間,室內(nèi)濕度應(yīng)維持在35%到45%[1]。國(guó)內(nèi)的保存機(jī)構(gòu)很難達(dá)到這樣的保存要求,即便是被譽(yù)為中國(guó)電影“國(guó)庫”的中國(guó)電影資料館也只能將溫度控制在10℃左右,其他機(jī)構(gòu)的保存條件則更不理想。
因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)加上倉庫保存條件惡劣等因素而導(dǎo)致膠片損傷。例如,膠片由于氧化會(huì)產(chǎn)生影像的褪色閃爍;片基材料受到腐蝕產(chǎn)生變形、粘連;潮濕的環(huán)境會(huì)使霉菌繁殖造成感光層脫落。除去環(huán)境因素,當(dāng)這些膠片再次利用時(shí),在播放、轉(zhuǎn)印過程中同樣存在著灰塵臟點(diǎn)、摩擦劃痕、畫面閃爍、臟點(diǎn)增多、顏色退化等危險(xiǎn)。據(jù)中國(guó)電影資料館統(tǒng)計(jì),從1905年到1949年,全國(guó)共拍攝了1625部電影,而館內(nèi)只保存了252部電影影片。同時(shí)館內(nèi)還保存著從1922年至今的3萬多部國(guó)產(chǎn)電影和60多萬部拷貝素材[2-4]。很多珍貴影片都難以避免地出現(xiàn)了霉斑、污染、褪色、斷裂甚至丟幀等損傷。
電影膠片的保存修復(fù)工作從電影誕生起就開始了,然而傳統(tǒng)的人工進(jìn)行物理或化學(xué)修復(fù)的效果非常有限,只能對(duì)小的臟點(diǎn)、劃痕等損傷進(jìn)行簡(jiǎn)單修復(fù),對(duì)于大多數(shù)稍微復(fù)雜的損傷就無能為力,而且人工手動(dòng)修復(fù)過程中極易對(duì)膠片產(chǎn)生二次傷害,不能實(shí)現(xiàn)修復(fù)和保護(hù)膠片的目的[5]。
二十世紀(jì)九十年代以來,人們逐漸步入數(shù)字時(shí)代,社會(huì)生活的各個(gè)方面都在進(jìn)行數(shù)字變革。數(shù)字修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于膠片保存和修復(fù)有著以下無可比擬的優(yōu)勢(shì):
2.1安全存儲(chǔ)
雖然還沒有一種永久性保護(hù)電影底片的方法,但將膠片的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ),可以很好地解決膠片的蛻化、變質(zhì)等問題,而且對(duì)于存儲(chǔ)環(huán)境要求不高,極大地節(jié)省了存儲(chǔ)場(chǎng)地和設(shè)備。
2.2高效修復(fù)
膠片影像都難以避免地出現(xiàn)了霉斑、污染、褪色、斷裂甚至丟幀等損傷。將電影轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后,可以利用高性能影片修復(fù)軟件對(duì)這些損傷進(jìn)行修復(fù),達(dá)到傳統(tǒng)方法無法完成的修復(fù)效果,而且運(yùn)用自動(dòng)程序算法,可以顯著提升工作效率。
2.3方便獲取
電影檔案的方便獲取對(duì)電影保護(hù)工作至關(guān)重要,只有通過放映和觀看才能增強(qiáng)公眾對(duì)電影檔案重要性的認(rèn)識(shí),提高影像的知名度,并能獲得更多資金支持。數(shù)字化資源可以非常方便地利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳播和獲取,對(duì)電影檔案保護(hù)工作無疑是很大的促進(jìn)。
為了安全保存和有效利用電影檔案,在查閱國(guó)際影片檔案聯(lián)合會(huì)和國(guó)際電工委員會(huì)制定的關(guān)于視聽覺檔案保護(hù)的原則、策略、規(guī)范、指導(dǎo)方針等基礎(chǔ)上,本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)檔案保存實(shí)際,提出如下策略:
3.1安全存儲(chǔ)影像檔案數(shù)據(jù)
存儲(chǔ)視頻的規(guī)格為分辨率1920×1080,10bit,YUV4:2:2或RGB4:4:4,幀 速 24fps,保 存 為SMPTE標(biāo)準(zhǔn)的DPX格式圖像數(shù)據(jù)文件,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用大容量磁盤陣列(RAID);至少生成兩份數(shù)字副本并異地存儲(chǔ);定期檢查數(shù)據(jù)完整性;確保在存儲(chǔ)介質(zhì)、文件格式或播放設(shè)備淘汰前將影像信息轉(zhuǎn)移到新的介質(zhì)或系統(tǒng)中。
3.2保留電影檔案的原貌
按照“修舊如舊”的原則,在膠片檔案轉(zhuǎn)錄成數(shù)字內(nèi)容時(shí),應(yīng)避免原畫面受到任何人為加工或“改善”處理;完整轉(zhuǎn)錄檔案中的所有信息,包含電影檔案中保留的同時(shí)代的畫面色彩與風(fēng)格。
3.3妥善保管原始載體和設(shè)備
盡管電影檔案載體的壽命不能無限期延伸,但膠片在理論上可以保存上千年,應(yīng)盡力維護(hù)其原始性狀;即便已經(jīng)將影片信息轉(zhuǎn)換、遷移,仍應(yīng)該確保原始載體與播放系統(tǒng)免受損壞。
3.4準(zhǔn)確記錄檔案保存性元數(shù)據(jù)
對(duì)電影檔案進(jìn)行數(shù)字化時(shí),應(yīng)準(zhǔn)確記錄和保存檔案元數(shù)據(jù)。作為保存和管理電影檔案的重要依據(jù),保存性元數(shù)據(jù)應(yīng)包括如下完整內(nèi)容:原始載體的類型、格式以及保存狀況;原始影片的錄放設(shè)備及參數(shù);文件格式信息、采樣參數(shù)以及采樣設(shè)備;參與過程的操作者;數(shù)字化時(shí)間;校驗(yàn)——通過數(shù)字簽名檢驗(yàn)文件真實(shí)性;從屬信息來源的詳細(xì)介紹等。
3.5多渠道合作籌措資金
電影檔案的修復(fù)耗資巨大,但回報(bào)甚少。作為電影本身來講,只有被人們看到才能顯現(xiàn)它的價(jià)值。應(yīng)通過公益與商業(yè)相結(jié)合的方式收回成本。此外,也可以開發(fā)關(guān)于影片的衍生產(chǎn)品,如出售DVD、制作圖書或是周邊紀(jì)念品等。要想獲得進(jìn)一步發(fā)展,就必須盡可能多地集合社會(huì)力量。
4.1系統(tǒng)功能框架
簡(jiǎn)單地講,電影檔案數(shù)字修復(fù)是把膠片存儲(chǔ)的模擬信號(hào)展開并數(shù)字化轉(zhuǎn)碼、維修、合成及輸出的工作。根據(jù)電影檔案搶救保護(hù)的策略,結(jié)合電影檔案固有的特點(diǎn),數(shù)字修復(fù)的系統(tǒng)框架可以用圖1表示。
圖1 電影檔案數(shù)字修復(fù)系統(tǒng)框架圖
膠片獲取模塊是指進(jìn)行數(shù)字修復(fù)之前要處理的部分,首先需要對(duì)膠片進(jìn)行人工檢測(cè)和物理修復(fù),然后通過膠轉(zhuǎn)磁或者高清掃描儀把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。此階段的目的是獲得數(shù)字格式的視頻信號(hào),為數(shù)字化修復(fù)提供原材料。
在數(shù)字修復(fù)之前,需加入一個(gè)預(yù)處理工作,叫作膠片準(zhǔn)備模塊。該階段的工作是把數(shù)字視頻信號(hào)讀取成單幀的數(shù)字圖像,同時(shí)初步判斷圖像序列中損壞類型,簡(jiǎn)單分析損壞狀態(tài),為下一步損傷檢測(cè)和損傷修復(fù)階段提供初始數(shù)據(jù)。
經(jīng)過前期工作后,就進(jìn)入真正的數(shù)字修復(fù)模塊,一般包括損傷檢測(cè)、損傷確認(rèn)以及損傷去除三個(gè)子模塊。此模塊也是本項(xiàng)目研究的核心部分,數(shù)字修復(fù)即對(duì)膠片檔案出現(xiàn)的閃爍、斑塊、劃痕、噪聲、抖動(dòng)等五類損傷進(jìn)行有效處理。
其中損傷檢測(cè)以各類損傷的不同特性為依據(jù),構(gòu)建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢測(cè)。該模塊檢測(cè)的效果將直接決定后面損傷去除的成果,因此它在數(shù)字修復(fù)模塊中是最重要的部分。損傷確認(rèn)模塊包括人工確認(rèn)和計(jì)算機(jī)自動(dòng)確認(rèn)兩類,此模塊結(jié)合了人工修復(fù)和自動(dòng)修復(fù)的算法,因此存在人機(jī)交互的情況。而損傷去除模塊內(nèi)容相比前兩個(gè)模塊要簡(jiǎn)單,在檢測(cè)到的損傷區(qū)域內(nèi),以符合信噪比值和人眼視覺特性為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)區(qū)域的像素進(jìn)行插值和填充。
與此同時(shí),數(shù)字電影檔案模塊將匯總以上各模塊的操作數(shù)據(jù)和結(jié)果,并對(duì)各操作模塊傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和調(diào)整。最終,修復(fù)后的數(shù)據(jù)將會(huì)存儲(chǔ)到磁盤陣列中,并根據(jù)需要進(jìn)行高品質(zhì)打印輸出。
4.2損傷處理流程
據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)前存在的膠片損傷類型最多達(dá)150多種[6],而最常見的損傷類型絕大部分可以歸納為五類,分別是劃痕、斑點(diǎn)、閃爍、抖動(dòng)和噪聲。依據(jù)修復(fù)這五類損傷的順序,我們提出圖2所示的損傷處理流程圖。
由于不同損傷修復(fù)的先后順序會(huì)對(duì)修復(fù)結(jié)果產(chǎn)生很大影響,我們的排序以對(duì)后續(xù)損傷修復(fù)干擾的多少為原則,對(duì)于后續(xù)修復(fù)模塊影響小并且可以優(yōu)化后續(xù)修復(fù)效果的步驟排在前面,對(duì)后續(xù)修復(fù)影像大且會(huì)減弱后續(xù)修復(fù)效果的排在后面。在此過程中,我們把幀間閃爍模塊列為首先需要修復(fù)的模塊,因?yàn)榻?jīng)過閃爍修復(fù)模塊的處理,計(jì)算機(jī)能夠得到更為精確的局部運(yùn)動(dòng)矢量和全局運(yùn)動(dòng)矢量數(shù)據(jù),同時(shí)后續(xù)的噪聲、劃痕特別是斑點(diǎn)修復(fù)環(huán)節(jié)中錯(cuò)誤檢測(cè)的可能性將大大降低。
然后,按劃痕、斑塊、噪聲修復(fù)模塊的順序開展修復(fù)工作,其中劃痕和斑塊是在單幀畫面內(nèi)部進(jìn)行局部處理,而噪聲是出現(xiàn)在所有畫面中,噪聲修復(fù)會(huì)影響到全部畫面的像素信息,即它的處理會(huì)影響到之后的修復(fù)模塊,所以噪聲處理模塊應(yīng)放在斑點(diǎn)和劃痕這些局部處理模塊之后開展。最后一步是幀間抖動(dòng)去除模塊,它相對(duì)其他模塊更易對(duì)全局畫面產(chǎn)生影響,同時(shí)它也更不易受到其他損傷修復(fù)模塊的影響,因此我們把該模塊放在最后處理。
圖2 電影檔案數(shù)字修復(fù)流程圖
圖3 電影檔案數(shù)字修復(fù)系統(tǒng)用戶界面
4.3修復(fù)平臺(tái)用戶界面
下圖為修復(fù)平臺(tái)系統(tǒng)界面,本系統(tǒng)使用C++編寫,采用C/S結(jié)構(gòu),輸入輸出圖片格式為DPX,為方便用戶操作,各修復(fù)功能模塊集成在一個(gè)面板,用戶只需要設(shè)置影片的起始和結(jié)束幀,導(dǎo)入影像片段,然后選擇需要修復(fù)的損傷類型,簡(jiǎn)單設(shè)置修復(fù)參數(shù),點(diǎn)擊開始修復(fù)按鈕即可完成自動(dòng)修復(fù)。
根據(jù)上海大學(xué)數(shù)字媒體實(shí)驗(yàn)室針對(duì)上海電影技術(shù)廠在實(shí)際影片修復(fù)過程中遇到的疑難問題,本文針對(duì)性地提出高性能的解決方案。
5.1影片大面積破損
電影檔案中破損的程度決定了修復(fù)的難度,傳統(tǒng)的斑點(diǎn)、劃痕等檢測(cè)和修補(bǔ)方法可以對(duì)小范圍的簡(jiǎn)單破損進(jìn)行有效處理,但是對(duì)于混雜了多種降質(zhì)因素且范圍較大的破損處理則無能為力。例如摻雜了劃痕、霉斑等眾多問題的幀以及存在大面積“賽璐珞”劃痕的片段。
這些問題通過目前空間域上局部插值和時(shí)間域上拷貝粘貼等處理方式都無法有效解決,而通過人工修復(fù)又非常耗時(shí)耗力,因此亟須利用時(shí)空上下文信息高效地重建破損區(qū)域。根據(jù)修復(fù)流程,我們將整個(gè)大面積破損修復(fù)過程分為兩個(gè)主要的階段:檢測(cè)定位和時(shí)空域重建。檢測(cè)定位主要是通過分析破損的原因,指出相關(guān)的降質(zhì)因素,準(zhǔn)確地定位待修補(bǔ)的破損區(qū)域;時(shí)空域重建主要是借助已知的上下文信息,通過時(shí)域和空域上重建方法,實(shí)現(xiàn)破損區(qū)域的高效修復(fù)。圖4顯示了修復(fù)結(jié)果,可以看到大塊的損傷得到了較好修復(fù)。
5.2影片褪色閃爍
電影膠片隨著時(shí)間的推移,不斷地氧化會(huì)使顏色發(fā)生退化,這種退化在每一膠片幀上均不同,因此造成了電影播放時(shí)的閃爍問題。傳統(tǒng)的方法通過顏色或亮度均衡化處理來解決閃爍問題,但這種簡(jiǎn)單的處理無法實(shí)現(xiàn)整個(gè)電影幀序列顏色上的一致,亟待一種新的顏色或亮度調(diào)節(jié)方法來解決這個(gè)問題。
我們借助顏色變換、轉(zhuǎn)移等樣例驅(qū)動(dòng)的技術(shù),利用樣例幀構(gòu)建約束條件,優(yōu)化求解后實(shí)現(xiàn)電影幀顏色和亮度的穩(wěn)定;在時(shí)域上,通過上下文信息,在顏色傳遞過程中,將樣例顏色分布約束到整個(gè)電影片段,使整個(gè)影像片段均保持與樣例幀一致的顏色和亮度分布,可以在播放時(shí)保證顏色和亮度的穩(wěn)定流暢,從而解決影片的閃爍問題。圖5顯示修復(fù)結(jié)果,可以看到閃爍現(xiàn)象很好地消除。
5.3影片的缼格黑幀
圖4(a)包含大面積損傷的幀,(b)為算法修復(fù)后的幀。[樣例取自電影《山間鈴響馬幫來》,由上海電影制片廠提供]
圖5(a)存在色彩退化的幀,(b)為算法修復(fù)后色彩還原的幀。[樣例取自動(dòng)畫片《沒頭腦和不高興》,由上海美術(shù)電影制片廠提供]
圖6(a)為原始幀,第二幀缺失。(b)第二幀通過算法自動(dòng)生成。
圖7(a)為存在抖動(dòng)幀,(b)為算法去除抖動(dòng)后的幀。[樣例取自電影《七月流火》,由上海電影制片廠提供]
有些電影檔案存在嚴(yán)重的丟幀現(xiàn)象,這會(huì)導(dǎo)致電影在時(shí)間上的不同步,因此時(shí)常在丟幀處用黑格來替代丟失的幀,避免電影播放在時(shí)間軸上的不一致。但是,增加黑幀雖然可以達(dá)成時(shí)域上的同步,但其影片幀的內(nèi)容并沒有增加,人們?cè)陔娪安シ胚^程中會(huì)感受到短暫的停頓,當(dāng)丟失幀較多或低幀率播放時(shí)會(huì)有明顯的黑幀跳躍問題,使人們的觀影感受大幅降低。傳統(tǒng)的黑幀補(bǔ)償方法就是前后幀之間的插值,但直接的插值方法是兩幀之間的線性取值,但這會(huì)導(dǎo)致畫面模糊,因此亟需改進(jìn)這種簡(jiǎn)單的線性插值方式。
我們利用光流法初步預(yù)估景物之間的運(yùn)動(dòng),并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建其運(yùn)動(dòng)梯度模型,實(shí)現(xiàn)自然流暢的運(yùn)動(dòng)路徑信息重構(gòu)。將上述重構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路徑條件作為相關(guān)的插值約束,將其引入整個(gè)插值求解過程,最終完成合適幀率條件下的帶約束插值,進(jìn)一步提高插值結(jié)果的時(shí)空連貫性。圖6中間幀為算法自動(dòng)插幀圖像,提高了畫面流暢性。
5.4鏡頭畫面抖動(dòng)去除
電影檔案在拍攝過程中經(jīng)常出現(xiàn)鏡頭抖動(dòng)現(xiàn)象,這也是由于當(dāng)時(shí)的拍攝條件、拍攝器材、拍攝手法等不足所造成的。近年來隨著拍攝設(shè)備的不斷更新,鏡頭抖動(dòng)不穩(wěn)定已經(jīng)不是當(dāng)前的制約因素了,但是對(duì)于舊影片來說這種抖動(dòng)問題依然存在,而且是影響數(shù)字化修復(fù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一,希望今后能夠借助去抖動(dòng)技術(shù)進(jìn)一步提高用戶的觀影感受。目前理論界對(duì)于手持設(shè)備的去抖動(dòng)研究已有一定的積累,很多攝像設(shè)備上都集成了防止鏡頭抖動(dòng)的元器件,但應(yīng)用在舊膠片檔案上并不合適,亟需提出與膠片檔案相對(duì)應(yīng)的鏡頭去抖動(dòng)方法。
我們首先借助運(yùn)動(dòng)的上下文信息,通過運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)保持的特征點(diǎn)匹配,準(zhǔn)確定位具有穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)關(guān)系的對(duì)象。根據(jù)已有運(yùn)動(dòng)信息,在關(guān)鍵幀間建立運(yùn)動(dòng)相關(guān)的約束關(guān)系,通過能量求解方式獲得最終的穩(wěn)定畫面。最后,由于結(jié)果的尺度不一致,需要做進(jìn)一步的規(guī)整裁剪,以便統(tǒng)一整個(gè)電影幀片段的尺度。圖7為抖動(dòng)祛除的效果。
電影檔案是一代代的影視工作者智慧和心血的結(jié)晶,對(duì)人類社會(huì)文明進(jìn)步起著重要的引導(dǎo)作用,也對(duì)人類發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。因此,電影檔案數(shù)字化修復(fù)是一項(xiàng)非常有意義的工作,同時(shí),數(shù)字影像修復(fù)技術(shù)的研究也為如計(jì)算機(jī)視覺,影視特效、視音頻壓縮等研究提供參考。目前,電影數(shù)字化修復(fù)正處于起步階段,還存在諸多問題,相信隨著人們研究的不斷深入,電影檔案數(shù)字化修復(fù)將取得更大的成果。
*本文系2015年度山東省藝術(shù)科學(xué)重點(diǎn)課題“基于時(shí)空上下文重建的影視文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)”(項(xiàng)目編號(hào):1506329)的研究成果之一。
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吳兵,上海大學(xué)博士、講師,主要研究方向?yàn)槲幕z產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)。
丁友東,上海大學(xué)上海電影學(xué)院副院長(zhǎng)、教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)閿?shù)字媒體技術(shù)、聲像檔案保護(hù)。
Study on Digital Restoration Platform of Precious Film Archive
Wu Bing,DingYoudong
(1.Shanghai Film Academy of Shanghai University,Shanghai,200072;
2.Literature and Communication Institute of Taishan University,Taian,Shandong,271000)Abstract:Film archive is a type of archive in which a magnetic recording is made on film or video tape by using Camera equipment.At the present time,film archive is at an endangered stage of unable to read and need urgent rescue.This article introduces the current situation of film archives kept in our country,it also puts forward rescuing strategies,which is,building a salvage platform and establishes workflow for the salvage of film archive,so as to provide technical support for realizing standardization and large scale salvation.
Image Archive;Film;Digital Preservation;Archives Restoration
G273.3