电影、电视与数字影院
高清晰度电视技术的发展使电影与电视这两种不同的活动图像载体开始走向融合，与此同时数字影院也进入了小规模市场试验的阶段。本文希望通过对35mm电影胶片、标准清晰度电视、高清晰度电视与数字影院的比较，从不同的角度分析这几种技术的性能和特点供读者参考。
技术标准- 电影行业采用美国电影电视工程师学会制定的SMPTE 111/194/195等标准或各国参照该标准制定的相关国家标准，这些标准定义了与35mm电影胶片有关的技术参数。
- 标准清晰度数字电视(SDTV)的技术标准是国际电信联盟制定的ITU-R601或各国参照该标准制定的相关国家标准，该标准实际上是原国际无线电咨询委员会的CCIR 601。
- 高清晰度数字电视(HDTV)的技术标准是国际电信联盟制定的ITU-R709或各国参照该标准制定的相关国家标准。
- SMPTE的数字影院工作组正在制定数字影院(Digital Cinema)的技术标准DC28 (Digital Cinema 28)，DC28工作组下设几个分组，分别负责制定与数字影院相关的各种技术标准。
- 35mm胶片
电影采用变形或非变形两种方式拍摄和放映35mm胶片。普通银幕和遮幅宽银幕影片在拍摄和放映时使用普通镜头，因此放映在银幕上的画面宽高比与胶片画面的宽高比相同；变形宽银幕影片在拍摄时使用了水平方向2:1压缩的变形镜头，放映时则使用水平方向1:2扩展的变形镜头，因此放映在银幕上的画面宽高比与胶片画面的宽高比是不同的。不论变形或非变形方式，胶片上允许记录画面的高度和宽度都是相同的，即每幅画面占用4个齿孔的高度大约18mm，在35mm宽度的方向上去掉两边的齿孔和音轨后只有21mm左右可用，因此不同宽高比格式在胶片上的画面宽度都是相同或几乎相同的，所不同的是画面尺寸高度以及画面之间的空隙部分。表1列出了35mm胶片的几种常用宽高比格式，目前使用最多的格式有三种:
1.普通银幕 (Normal) 1.37:1，其宽高比与标准清晰度电视的1.33:1 (4:3)非常接近。
2.宽银幕 (Widescreen) 1.85:1，也称为遮幅宽银幕，其宽高比与高清晰度电视的1.78: 1 (16:9)非常接近。
3.变形宽银幕 (Cinemascope) 2.35:1 (或2.4:1)，制定中的数字影院拟采用类似的比例。
表1. 35mm电影胶片宽高比 格式 银幕宽高比 胶片画面尺寸(mm) 普通银幕 1.37:1 20.9 x 15.2 宽银幕 (遮幅宽银幕) 1.66 1.66:1 20.9 x 12.6 宽银幕 (遮幅宽银幕) 1.75 1.75:1 20.9 x 11.9 宽银幕 (遮幅宽银幕) 1.85 1.85:1 20.9 x 11.3 变形宽银幕 (光学声) 2.35:1 21.3 x 18.2 - 电视
大部分标准清晰度电视采用4:3 (1.33:1)宽高比，但近年来在美国、欧洲和日本新开播的部分标准清晰度数字电视开始采用16:9 (1.78:1)，高清晰度电视统一采用16:9宽高比。
- 数字影院
正在制定中的DC28数字影院标准拟采用与变形宽银幕相近的2.4:1宽高比。
- 在电视屏幕上观看不同宽高比的电影
在4:3的电视屏幕上观看1.37:1的普通银幕电影时因两者的宽高比非常接近因此可以看到满幅面的画面；但1.85:1或2.35:1的宽银幕电影画面宽高比大于4:3的电视屏幕，为保证电影画面构图的完整性一般处理方式是采用所谓"信箱模式" (letter box model)，即在电视屏幕的水平方向上显示全部宽银幕图像内容而在屏幕的上下方各留部分黑边。
在16:9的电视屏幕上观看1.37:1的普通银幕电影时因电视屏幕的宽高比大于电影画面，一般的处理方式是在电视屏幕的两边各留部分黑边；在16:9电视屏幕上观看1.85:1的宽银幕电影时因两者的宽高比非常接近因此可以看到满幅面的画面；但2.35:1的宽银幕电影画面宽高比大于16:9的电视屏幕，所以一般仍然采用 "信箱模式"在电视屏幕的上下方各留部分黑边。
1.85:1的35mm电影胶片与16:9的2/3英寸CCD成像尺寸比较。从图中可以看到，因为35mm胶片的成像尺寸是2/3英寸CCD的两倍多，所以使用2/3英寸CCD摄像机时镜头焦距值只有35mm胶片的1/2.5(参见表2)，景深范围也比35mm胶片大了2.5倍(参见表3)。例如，要想得到与35mm胶片摄影机24mm焦距镜头F4光圈相同的视角和景深范围，摄像机镜头的焦距应设置为10mm (24mm的1/2.5)，光圈F 1.7 (F4的2.5倍)。在这里需要说明的是，焦距和景深范围只与成像尺寸有关，因此不论摄像机是标准清晰度还是高清晰度只要摄像机内使用的CCD尺寸相同其结果都是一样的。
| 1.85:1 胶片 | 2.4:1 胶片 | 2/3” CCD | |
|---|---|---|---|
| 焦距 | 17.5mm | 35mm | 7mm |
| 21mm | 40mm | 9mm | |
| 24mm | 50mm | 10mm | |
| 50mm | 100mm | 21mm |
| 1.85:1 胶片 | 2.4:1 胶片 | 2/3” CCD | |
|---|---|---|---|
| 光圈 | 2 | 2.8 | 0.8 |
| 2.8 | 4 | 1.2 | |
| 4 | 5.6 | 1.7 | |
| 5.6 | 8 | 2.3 | |
| 8 | 11 | 3.3 | |
| 11 | 16 | 4.6 | |
| 16 | 22 | 6.7 |
清晰度
清晰度的表示方法
有两种方式经常用于图像清晰度的描述，一种是像素数量(或线条数)，例如，1K清晰度表示1,024个像素；另一种是调制传输函数(MTF-Modulation Transfer Function)。在电视技术中还经常用电视线(TV Line)或带宽(Band Width)来描述水平清晰度，实际上可以把电视线和带宽分别看作像素数量和MTF在电视技术中的专用表述。像素数量表达的是绝对值，它的优点是简单直观，缺点是无法描述清晰度变化的趋势；MTF表达的是两个变量间的相对关系，可以非常清楚地描述清晰度的变化，缺点是不如前者简明。
| 拍摄/记录媒体 | 水平清晰度 | 带宽(Y/B-Y/R-Y) | |
|---|---|---|---|
| 像素 | 电视线 | ||
| 35mm胶片 | |||
| 素材负片 (Negative Film Stock) | 4K | ||
| 翻正片 (IP-Interpositive) | 2K | ||
| 发行拷贝 (Film Print) | 1K | ||
| 高清晰度电视 HDTV | |||
| 摄像机 | 2K | 1080 | 37/37/37MHz(R/G/B) |
| 传输/制作 | 1.55K | 870 | 3015/15MHz |
| 播出/发行 | 1.55K | 870 | 3015/15MHz |
| HDCAM录像机 | 1.25K | 700 | 24/7.5/7.5MHz |
| DVCPRO HD录像机 | 1K | 580 | 20/10/10MHz |
| 标准清晰度电视 16:9 | |||
| 摄像机 | 1K | 560 | 9/9/9MHz |
| 制作/传输 | 0.64K | 360 | 6/3/3MHz |
| 播出/发行 | 0.64K | 360 | 6/3/3MHz |
| 标准清晰度电视 4:3 | |||
| 摄像机 | 1K | 750 | 9/9/9MHz |
| 制作/传输 | 0.64K | 480 | 6/3/3MHz |
| 播出/发行 | 0.64K | 480 | 6/3/3MHz |
35mm胶片的清晰度
35mm胶片的清晰度与复印次数密切相关，由于胶片接触复印时的光散射等原因复印版的清晰度低于原版，一般复印版的清晰度只相当于原版的60-70%。拍摄电影时使用的负片(Negative Film Stock)经显影、定影处理后其水平清晰度可达4K以上，素材负片经剪接后通过光学复印得到的正片称为翻正片或中间正片(Interpositive)，翻正片的清晰度仍然可以达到2K以上，翻正片经过光学复印后得到的负片称为翻底片或中间底片(Internegative)，清晰度低于2K。从图6可以看到，光学复印的过程相当于低通滤波器，复印的次数越多清晰度越低。
因为每次复印都会对胶片造成机械摩擦和损伤，为了保护母版并得到足够数量的发行放映拷贝(Film Print或Copy Print，Release Print)就必须控制每次复印的数量而增加复印的次数，所以实际上在电影院看到的发行拷贝至少是经过5次复印的，其清晰度只有拍摄时素材负片的20-30%，即1K左右。因此，在讨论胶片的清晰度时必须明确其复印的次数。
电视的清晰度
不论是高清晰度还是标准清晰度电视，现代电视摄像机使用最多的摄像器件是电荷耦合器件(CCD)，CCD是一种有限像素摄像器件，因此其清晰度受到像素数量的限制。目前高清晰度摄像机使用的CCD水平方向像素大约是2,000个，标准清晰度摄像机大约1,000个。因此，高清晰度摄像机能够达到的水平清晰度为2K，标准清晰度摄像机是1K。不过，由于传输带宽的限制高清晰度摄像机输出信号的清晰度只有1.55K，标准清晰度摄像机只有0.64K。由于技术水平的限制目前实用的高清晰度录像机采用了带宽限制技术，例如Sony HDCAM记录的电视信号水平清晰度大约相当于1.25K。
从图7可以看到，在相当于20-30MHz的区间35mm发行放映拷贝的调制度比高清晰度电视低，在超过30MHz的区间胶片仍然有输出但高清晰度电视的输出急剧地下降为零，这也是胶片的图像看起来虽然不如高清晰度电视清晰但比较柔和而高清晰度电视的图像虽然很锐利但感觉比较硬的原因之一。
清晰度与彩色
彩色胶片的R、G、B三种基色分辨率是不同的，也就是说R、G、B三种颜色的清晰度不同。一般彩色胶片的蓝色(B)分辨率最高，绿色(G)次之，红色(R)最低。电视摄像机R、G、B三种基色使用的CCD像素数量完全相同，因此R、G、B的带宽即分辨率是相同的。在传输和记录时为了节省带宽采用了宽带亮度信号窄带色差信号的方式，即亮度信号清晰度最高，红和蓝色差信号清晰度低，这也是胶片与电视的主要差别之一。
灵敏度和信噪比
胶片与电视摄像机的灵敏度和信噪比比较
胶片的灵敏度与感光乳剂的配方有关，电视摄像机的灵敏度则主要取决于CCD摄像器件。胶片的噪波来自感光乳剂颗粒，在其它条件相同的情况下胶片面积越大感光乳剂颗粒的可见程度越低，也就是颗粒噪波越小；电视摄像机的噪波主要来自摄像器件CCD，CCD的随机热噪波在频率轴上的分布是均匀的，呈现出所谓的白噪波特征。胶片的颗粒噪波和CCD噪波在时间和空间上的分布都是随机的，因此虽然两者产生的原因不同，但它们对图像产生的干扰是相似的。
| 胶片格式 | EXR-5245 | EXR-5296 |
|---|---|---|
| (50 ASA) | (500 ASA) | |
| 16mm | -42 | -37 |
| Super 16 | -44 | -39 |
| 35mm | -49 | -44 |
| Super 35 | -50 | -45 |
电影行业一般用感光度(Exposure Index)表示胶片的灵敏度，用颗粒度(Granularity Index)表示胶片特有的颗粒噪波；而在电视技术中则使用在特定条件下(照度2000 Lux / 89.9%反射率)的光圈值表示摄像机的灵敏度，用信噪比表示摄像机特有的随机噪波。
灵敏度与信噪比的关系
一般来说胶片的灵敏度越高颗粒噪波也越大，但胶片的灵敏度不能由用户随意改变；摄像机的灵敏度(即增益)是可以调整的，但灵敏度(增益)越高噪波电平也越高，所以在摄像机技术中灵敏度和信噪比是一对相互关联的指标，即讨论灵敏度时必须设置一个约束条件－噪波电平，否则任何有关灵敏度的指标都是没有意义的。
Sony高清晰度摄录一体机HDW-F900摄像机部分的灵敏度和信噪比与35mm参考胶片的对照。为便于比较，表中摄像机的灵敏度是用胶片的感光度表示的。从表中可以看到，当HDW-F900摄像机的增益设置为0dB时其灵敏度相当于胶片300 ASA的感光度；从-6dB到+12dB改变增益设置时摄像机的灵敏度相当于胶片150 ASA至1200 ASA。从表中还可以看到，EXR-5245 (50 ASA) 35mm胶片的颗粒噪波电平是49dB，与摄像机+6dB增益设置时的信噪比(48dB)差不多；当摄像机的增益设置为0dB或+3dB时HDW-F900的噪波电平比EXR-5245 (50 ASA) 35mm胶片的颗粒噪波电平低。
| 增益设置 (dB) | 感光度 (ASA) | 信噪比 (dB) | 参考胶片 (35mm) |
|---|---|---|---|
| -6 | 156 | 60 | |
| -3 | 220 | 57 | |
| 0 | 312 | 54 | (正常设置) |
| +3 | 440 | 51 | |
| 信噪比49dB | |||
| EXR-5245 | |||
| (50 ASA) | |||
| +6 | 624 | 48 | |
| +9 | 880 | 45 | |
| 信噪比44dB | |||
| EXR-5296 | |||
| (500 ASA) | |||
| +12 | 1148 | 42 |
注: HDW-F900的灵敏度: 2000Lux照度/89.9%反射率时光圈值F10
宽容度和动态范围胶片的曝光宽容度(Exposure Latitude)表示胶片的安全曝光范围，摄像机的动态范围(Dynamic Range)表示摄像器件的线性范围，两者都是能够得到可用图像的光输入极限范围值。
胶片的宽容度
一般用镜头光圈值表示胶片的宽容度。镜头光圈每增大1级则光通量增加到原值的2倍，例如假设光圈F11时光通量为1，光圈增大1级至F8时光通量是2，光圈增大2级至F5.6时光通量增加到4，光圈F4时光通量是8。负片正常曝光时表现的亮度变化范围大约是7级光圈，相当于对比度130:1。负片总的动态范围是9至10级光圈，相当于对比度500:1至1,000:1，换言之负片的宽容度是在正常曝光值的基础上增加2至3级光圈，即胶片接受正常曝光值4至8倍的光通量时仍然能表现出被摄物体的灰度等级。
胶片的伽玛特性
图10是负片的伽玛特性曲线，从图中可以看到，胶片中间大部分的光敏特性是线性的，但暗部和高亮度部分的灵敏度都比中间部分低。一般把胶片的暗部曲线称为趾部，高亮度部分的曲线称为肩部，因为趾部和肩部的灵敏度都比中间部分低，所以暗部和高亮度部分的对比度被压缩了。实际上中等亮度部分40%的灰度层次占用的胶片密度资源超过了70%，暗部30%的灰度层次只用了不到15%，而高亮度部分30%的灰度层次也只用了不到15%。例如，正常曝光时胶片的密度已经超过了最大值的85%，在此基础上再增大2至3级光圈即光通量增加到正常曝光值的4至8倍时胶片的密度只增加了不到15%。
图11是负片与正片伽玛特性的比较。正片与负片的特性基本相同，两者的主要区别是正片的密度比负片大得多，正片的这种特性能够满足影院放映时所需要的高对比度要求。
摄像机的动态范围
在电视技术中一般用分贝表示摄像器件的动态范围，用百分比表示摄像机的动态范围。以Sony的HDW-F900高清晰度摄像机为例，在隔行扫描模式下CCD的动态范围大约是70dB，相当于对比度1,500:1或10.5级光圈的亮度变化范围。HDW-F900把相当于8级光圈250:1对比度的CCD动态范围用于正常拍摄，其余的2.5级光圈用于表现相当于正常光通量6倍的高亮度，在摄像机技术中把这种能够重现6倍正常光通量的能力称为600%动态范围。
HDW-F900的CCD在逐行扫描模式下的动态范围是64dB，比隔行扫描降低了6dB，相当于对比度700:1或9.5级光圈的亮度变化范围。在逐行扫描模式下HDW-F900仍然把相当于8级光圈250:1对比度的CCD动态范围用于正常拍摄，其余的1.5级光圈用于表现相当于正常光通量3倍的高亮度，因此HDW-F900在逐行扫描模式时的动态范围是300%。
摄像机的伽玛特性
在饱和点之前CCD呈现理想的线性光电转换特性，摄像机内部把CCD的动态范围分为暗部、中部和高亮度三个部分分别处理，如图13所示。经过处理的摄像机伽玛特性呈现与胶片非常相似的非线性特征，特别是对比度被压缩了的高亮度部分与胶片的肩部特性几乎是相同的，在摄像机技术中把高亮度部分的斜率处理称为拐点(Knee Point)处理。现代摄像机采用了精密的数字处理电路，摄像师可以通过设置菜单精确地分段调整摄像机的伽玛特性以实现不同的拍摄意图。
胶片与摄像机的比较
1. 彩色负片正常曝光时可以表现相当于7级光圈的亮度变化范围， HDW-F900高清晰度摄像机正常拍摄时表现的亮度变化范围相当于8级光圈，因此在正常拍摄时摄像机的性能优于彩色负片。
2. 负片表现高亮度景物的宽容度是2至3级光圈，相当于动态范围400%至800%，HDW-F900摄像机隔行扫描模式时的动态范围是600%，相当于宽容度2.5级光圈，因此摄像机隔行扫描模式时的动态范围与负片基本相同。
3. HDW-F900设置为逐行扫描模式时的动态范围是300%，相当于宽容度1.5级光圈，因此逐行模式时摄像机的动态范围比负片低。
彩色还原基于三基色原理再现彩色的系统能够重现的彩色区域是由CIE色度图上R、G和B三种基色的坐标定义的，北美地区标准清晰度电视采用的是SMPTE标准，欧洲和亚洲则使用EBU标准，从表7和图14可以看到，EBU标准再现的彩色区域比SMPTE标准大一些。
ITU-R709规定的高清晰度电视彩色标准与EBU非常接近，唯一的区别是G的X轴色坐标值比EBU大0.01，即HDTV的彩色还原区域比EBU略小。不过目前世界上各主要生产厂商并没有符合ITU-R709标准的产品供应市场，实际上各厂家供应北美地区的高清晰度电视产品大多仍然采用SMPTE标准，供应欧洲和亚洲的采用EBU标准。
胶片的彩色还原区域比电视大，特别是绿色基色的坐标值与电视有比较大的差别。
| SMPTE | EBU | HDTV | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| x | y | x | y | x | y | |
| R | 0.630 | 0.340 | 0.640 | 0.330 | 0.640 | 0.330 |
| G | 0.310 | 0.595 | 0.290 | 0.600 | 0.300 | 0.600 |
| B | 0.155 | 0.070 | 0.150 | 0.060 | 0.150 | 0.060 |
图15分别示出了电影胶片与电视制作流程的比较，从图中可以看到电视制作的流程比使用胶片的电影简单。
从电影胶片的制作流程可以看到，用素材负片经过光学复印得到的翻正片(中间正片)密度比较低但能够重现的灰度层次范围比较宽，影院放映用的发行拷贝密度比较高但能够重现的灰度范围比翻正片低，因此把胶片转换成标准清晰度或高清晰度电视的时候应使用翻正片(IP)，无法取得翻正片时至少应使用翻底片(中间底片)，影院放映用的发行拷贝是不适用于电视电影转换的，因为发行拷贝的清晰度、灰度层次都比翻正片差得多。
制作、播出、发行和放映过程中的图像质量损失胶片
电影胶片在制作、播出、发行和放映过程中会产生下述图像质量损失:
- 胶片固有的颗粒噪波
- 每次复印时因摩擦等机械原因对胶片原版和复制版造成的划伤
- 每次放映时因放映机输片机构与胶片的摩擦都会增加发行拷贝的划痕数量并使齿孔的磨损增大，齿孔磨损引起的定位误差会造成放映图像的抖动。廉价的低质量放映机对胶片的损伤更大
- 尘土颗粒在胶片表面的累积
- 因保存不当使胶片产生的霉变
- 接触复印时光散射造成的清晰度下降
- 胶片冲印时的不可预见因素，如冲印时药液温度变化和PH值误差等
胶片的上述损伤有些是可以通过一些工艺减轻或消除的，例如可以通过清洗等方法去掉胶片表面的尘土，采用专用的化学药液减轻划痕的可见程度等等。
电视
数字电视在制作和播出过程中产生的图像质量损失主要表现在以下几个方面:
- 摄像机CCD的随机噪波
- 模拟、数字转换时产生的量化噪波
- 采用数字压缩技术记录、重放电视信号时因编/解码(压缩/解压)造成的图像质量损失。压缩比越大，编解码次数越多图像质量的损失越大
- 记录和制作设备带宽限制造成的水平清晰度下降
综上所述，与胶片相比数字电视在制作和播出等环节影响图像质量的因素比较少。
数字影院SMPTE的数字影院工作组DC28正在制定数字影院的技术标准，DC28下设几个分组，分别负责制定相关的标准。
DC28.0 Technical Committee - 技术委员会
DC28.1 Steering - 统筹指导
DC28.2 Mastering - 母版制作
DC28.3 Compression - 压缩
DC28.4 Condition Access - 加密(有条件接收)
DC28.5 Transport - 传输
DC28.6 Audio - 音频
DC28.7 Theatre System - 剧院系统
DC28.8 Projection - 投影
- 母版清晰度 - 最低2K: 2,464 x 1,024，标准4K: 4,928 x 2,048
- 画面宽高比 - 2.4:1
- 帧频 - 24帧或更高
- 扫描方式 - 逐行扫描
- 彩色还原 - 与彩色胶片类似的扩展色域
- 声音 - 12声道，取样频率48KHz，量化24比特
- 服务器 - MPEG压缩，码率100Mbps以上
- 影院投影机 - 清晰度4K x 2K，对比度1,500:1，亮度输出12,000流明以上
从拟议中的部分数字影院技术标准可以看到，大部分数字影院的技术标准都超过了当前的技术水平，特别是高亮度投影机的亮度、清晰度和彩色还原等指标是现有技术无法实现的，需要开发新的技术和器件，所以实现真正的数字影院还需要一定的时间。
由于数字影院的标准还未完成，目前试验运行的数字影院实际上使用的是当前的成熟技术:
- 母版清晰度 - 采用1080/24P高清晰度电视标准。1080/24P摄像机端的清晰度是1,9201,080，传输水平清晰度1.55K，与数字影院的2K清晰度相近
- 声音 - 5.1声道
- 服务器 - 采用小波压缩方式，码率50Mbps
- 影院投影机 - 目前采用DLP器件的投影机水平清晰度为1,280像素，亮度10,000流明，最高对比度500 - 1,000:1
需要说明的是，因为数字影院的技术标准尚未正式发布，所以有关上述数字影院标准的部分内容只供参考，其参数可能还会有变化。
结论与胶片相比数字电视在制作和播出等环节影响图像质量的因素要少得多，所以尽管在素材负片或中间正片阶段35mm胶片的清晰度高于高清晰度电视，但数字电视播出版的图像质量却比大多数影院放映的发行拷贝好。对美国试验运行的数字影院观众所作的调查也证实了上述结论，尽管这些数字影院使用的是清晰度比35mm胶片低的高清晰度电视技术, 但这些观众普遍认为他们并没有察觉数字影像比胶片的清晰度低，大多数观众表示他们从来没有在传统影院看到过这种完全没有划伤和灰尘的干净图像。
如果把已经有百年历史的电影胶片比作年富力强的中年人，那么高清晰度电视就是风华正茂的青年，而真正的数字影院还只是襁褓中的婴儿，需要数年的时间才可能把这个梦想变成现实。