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数字电影关键技术研究 摘要 数字技术早在上世纪8 0 年代就已经应用到电影制作中，但是直 到近几年才出现真正意义上的数字电影【l 】。真正意义上的数字电影必 须在拍摄、制作、发行和放映过程中全面实现数字化，彻底取代传统 的胶片电影工艺。随着信息技术的飞速发展，尤其是海量数据存储、 图像编码以及计算机网络等技术的发展，为数字电影制作奠定了坚实 的理论基础。为了促进数字电影制作的实际应用，本文主要对数字电 影制作阶段的关键技术进行了深入研究。研究内容如下： 本文参考d c iv 1 0 数字电影规范，研究了数字电影系统的整体 架构，并重点研究了数字电影系统的数字电影制作流程，对流程中的 图像压缩和文件打包展开了深入研究，并制作符合d c iv 1 0 规范的 数字电影图像压缩及打包的软件，该软件主要实现功f i g - 1 ) 对图像素材文件进行j p e g 2 0 0 0 压缩及m x f 打包。 2 ) 对压缩后的图像码流进行m x f 打包。 3 ) 对声音素材文件进行m x f 打包。 4 ) 对视音频m x f 文件进行组织和编辑，生成合成播放列表和 打包列表，与视音频m x f 文件一起组成数字电影发行包d c p 。 5 ) 解析合成播放列表和打包列表，显示列表中的视音频m x f 文 件信息，并且可以对其进行编辑修改。 经测试表明，由该软件生成的数字电影发行包可以在杜比、g d c 、 q u v i s 公司的数字电影播放服务器上被正确解码以及流畅播放。 对于一部两小时数字电影的十几万帧图像，采用j p e g 2 0 0 0 编码 标准，压缩耗时一个月左右，时间过长，所以本文在数字电影图像压 缩部分采用分布式计算技术，架构分布式图像压缩系统，并且对该系 统进行了监控，由监控结果分析系统运行瓶颈，并且提出系统后期改 进方向。 根据电影对画质的要求，压缩后的图像经解码重建后与原始图像 相比，对于人眼视觉来说差异应该较小，所以对压缩后的图像进行质 量评价显得尤为重要。本文首先研究分析目前应用较广的图像质量评 价方法，然后根据数字电影图像的独特性，研究一种能有效反映d c i 数字电影图像质量的客观评价方法。 本文最后对3 d 图形技术展开研究，并基于d i r e c t 3 d 提供的图形 接口，用软件实现3 d 虚拟场景编辑器，该软件主要实现对场景中对 象的选中、平移、旋转、缩放及属性修改等功能。 关键词：数字电影j p e g 2 0 0 0 分布式m x f 质量评价d i r e c t 3 d t h ek e yt e c h n o l o g i e sr e s e a r ch o nd i g i t a l f i l m a b s t r a c t d i g i t a lt e c h n o l o g yh a db e e na p p l i e dt om o v i ep r o d u c t i o nb e f o r e 1 9 8 0 s ，b u tu n t i lr e c e n t l yr e a ld i g i t a lf i l mh a sa p p e a r e d 1 i nr e a ld i g i t a l f i l m ，s h o o t i n g ，p o s t - p r o d u c t i o n ，d i s t r i b u t i o na n dp r o j e c t i n g m u s tb e t h o r o u g h l yd i g i t i z e d a f t e rt h a t ，t r a d i t i o n a lf i l mw i l lb er e p l a c e dw i t h d i g i t a lf i l m w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ， e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to fm a s sd a t as t o r a g e ，i m a g ec o d i n g a n d c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，d i g i t a lf i l mp r o d u c t i o nh a dg a i n e ds o l i d t h e o r e t i c a lb a s i s i no r d e rt op r o m o t et h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fd i g i t a l f i l mp r o d u c t i o n ，t h i sp a p e rp r i m a r i l yf o c u s e so nd e e pr e s e a r c ho nk e y t e c h n o l o g i e so fd i g i t a lf i l mp r o d u c t i o n r e s e a r c ha sf o l l o w s ： b a s e do nd c iv1 0s p e c i f i c a t i o n ，t h i sp a p e rm a k e sr e s e a r c ho nt h e o v e r a l la r c h i t e c t u r eo fd i g i t a lc i n e m as y s t e m ，a n dp u t se m p h a s i su p o n r e s e a r c ho nd i g i t a lf i l mp r o d u c t i o np r o c e s si nt h ed i g i t a lc i n e m as y s t e m ， a n dm a k e sd e e pr e s e a r c ho ni m a g ec o m p r e s s i o na n df i l ew r a p p i n g ，a n d m a k e sas o f t w a r et oi m p l e m e n td i g i t a lf i l mi m a g ec o m p r e s s i o na n df i l e w r a p p i n gw h i c hi sf i tt od c iv 1 0s p e c i f i c a t i o n t h em a i nf u n c t i o n so f t h i ss o f t w a r ei sa sf o l l o w s ： 1 ) a p p l yj p e g 2 0 0 0i m a g ec o m p r e s s i o na n dm x fw r a p p i n gt o p i c t u r ef i l e s 2 ) a p p l ym x fw r a p p i n gt oc o m p r e s s e di m a g ec o d es t r e a m 3 ) a p p l y m x f w r a p p i n gt os o u n d f i l e s 4 ) c o m p o s i t i o np l a yl i s ta n dp a c k i n gl i s tw h i c ha r e c r e a t e db y o r g a n i z i n ga n de d i t i n gt h ev i d e o a u d i om x f f i l e sc o m p o s et h ed i g i t a l c i n e m ap a c k a g e ( d c p ) w i t hv i d e o a u d i om x ff i l e si nal i n e 5 ) r e s o l v ec p la n dp k lt od i s p l a y v i d e o a u d i om x ff i l e s i n f o 彻a t i o ni nt h el i s t sw h i c hc a nb em o d i f i e d t h r o u g ht e s t i n g ，t h ed c p w h i c hi sg e n e r a t e db yt h es o f t w a r ei nt h i s p a p e rc o u l db ec o r r e c t l yd e c o d e db yd i g i t a lc i n e m ap l a y i n gs e r v e r so f d o l b y ，g d ca n dq u v i s ，a n dp r o j e c t e ds m o o t h l y i tc o s t so n em o n t ht oc o m p r e s sm o r et h a n10 0 ，0 0 0i m a g e so fa t w o h o u rf i l mw i t hj p e g 2 0 0 0c o d i n gs t a n d a r d i t st o ol o n g t h e r e f o r e ， t h i sp a p e ra p p l i e sd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gt e c h n o l o g yt ot h ed i g i t a lc i n e m a i m a g ec o m p r e s s i o n ，b u i l d s d i s t r i b u t e d i m a g ec o m p r e s s i o ns y s t e m , m o n i t o r st h eo p e r a t i o no ft h i ss y s t e m , a n da n a l y z e st h em o n i t o r i n gr e s u l t s t of i n dt h es y s t e mb o t t l e n e c k sa n dp r o p o s es y s t e mi m p r o v e m e n t s d u et ot h eh i g hr e q u e s to ff i l mi m a g eq u a l i t y ，t h ei m a g ew h i c hi s r e c o n s t r u c t e db yd e c o d i n gt h ec o m p r e s s e di m a g em u s th a v es i m i l a r q u a l i t yt o h u m a nv i s u a l s y s t e mc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a li m a g e c o n s e q u e n t l y , t h ee v a l u a t i o no fc o m p r e s s e di m a g eq u a l i t yi sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t t h i sp a p e rf i r s t s t u d i e st h ec u r r e n te v a l u a t i o nm e t h o d so f i m a g eq u a l i t yw i d e l yu s e d ，a n dt h e ns t u d i e sa l lo b j e c t i v ei m a g eq u a l i t y e v a l u a t i o nm e t h o dw h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e f l e c tt h ed c id i g i t a lc i n e m a i m a g eq u a l i t ya c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fd i g i t a lf i l mi m a g e f i n a l l y , t h i sp a p e rt a k e sr e s e a r c ho n3 dg r a p h i c st e c h n o l o g ya n d m a k e sa3 dv i r t u a ls c e n ee d i t o rb a s e do nd i r e c t 3 dg r a p h i c a li n t e r f a c e s t h i se d i t o rc a ns e l e c tt h ea c t i v er o l ei nt h es c e n e ，w h i c hc a nb et r a n s l a t e d , r o t a t e da n ds c a l e d ，w h o s ep r o p e r t yc a nb em o d i f i e da sw e l l k e y w o r d s ：d i g i t a lf i l m ，j p e 9 2 0 0 0 ，p a r a l l e lc o m p r e s s i o n ，m x f , q u a l i t y e v a l u a t i o n ，d i r e c t 3 d 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 卜千 一 | i 鳃 日期： 汐d 六7 p 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：左垒r 期：竺：! ：兰! ! 三 新虢j 瑙磁 慨塑4 业 北京邮电大学硕上研究生学位论文数字电影关键技术研究 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 1 1 1 数字电影概述 一、数字电影概念及特点 随着数字技术的飞速发展，电影经过百年磨砺，已经向数字化发展，传统的 胶片电影正向新兴的数字电影加速转变。数字电影为电影的发展提供了新的舞 台，完整意义上的数字电影，是指从电影制作工艺、制作方式到发行及传播方式 上全面数字化【l 】。 与传统胶片电影相比，数字电影最大的特点是不再以胶片为载体，以拷贝为 发行方式，而是以数字文件形式发行，通过硬盘、宽带网络或国际卫星发送到世 界各地的影院放映。因此，数字电影最大程度解决了电影制作和发行过程的损失 问题，不仅避免了电影降级问题，即传统电影从原始拍摄的素材到拷贝发行经过 多次翻制及电影放映多次后出现的画面、声带划伤问题，数字电影即使反复放映 也丝毫不影响音画质量。 数字电影也避免了运输、污染及盗版问题。电影胶片采用大量的化学洗印工 艺，消耗大量的胶片，在美国，一部大片上映一场就需要几千份拷贝，放映过后 会销毁拷贝，不仅造成运输问题，也污染环境，而数字电影只需要一块或几块硬 盘而已，有利于环保。通过加密或者有条件接收技术，数字电影还具备强大的防 盗版能力。 数字电影降低了电影拍摄成本。胶片电影在拍摄过程中，无法直接观看拍摄 效果，有问题必须重拍，造成电影拍摄成本较高，如果采用数字摄像机拍摄，现 场即可观看拍摄效果，并可进行同期数字编辑，可降低电影拍摄成本。 而且数字电影作为一种新的电影技术，可打破传统胶片电影的局限，不仅可 用于影院放映，也可用于家庭影院以及公司展示。 二、d c i 规范的意义 为了促进数字电影的发展进程，需要制定一个统一的数字电影标准，用来规 范数字电影的各个环节。因此好莱坞七大电影制片公司，沃尔特迪斯尼、二十 世纪福克斯、米高梅、派拉蒙电影、索尼电影娱乐、环球电影和华纳兄弟于2 0 0 2 年3 月共同出资建立数字电影倡导组织( d c i ，d i g i t a lc i n e m ai n i t i a t i v e s ) ，并于 2 0 0 5 年7 月颁布了数字电影技术规范1 0 版本( d c iv 1 o ) 1 2 】。d c i 规范推出以 后，全球数字影院取得了突破性的进展。所以根据d c i 规范研究数字电影关键 北京邮电大学硕士研究生学位论文数字电影关键技术研究 技术可以使中国的数字电影与国际接轨。 三、数字电影系统构成 一个完整的数字电影系统主要由数字节目源获取、数字节目制作、数字节目 传输、影院节目接收与放映四个环节组成【3 。5 1 ，如图1 1 所示。在节目制作环节 中，根据d c iv i 0 规范主要包含以下阶段： l 、电影节目的后期处理，包括非线性编辑、调光、校色、声画合成、字幕 混叠、特效生成等。 2 、生成数字源母版( d s m ，d i g i t a ls o u r c em a s t e r ) 与数字电影发行母版 ( d c d m ，d i g i t a lc i n e m ad i s t r i b u t i o nm a s t e r ) 。 3 、对d c d m 进行j p e g 2 0 0 0 图像编码。 4 、a e s l 2 8 ( 密钥长度为1 2 8 b i t 的高级加密算法) 数据加密。 5 、m x f x m l 打包封装，生成数字电影数据包( d c p ，d i g i t a lc i n e m a p a c k a g e ) ，用于发行。m x f ( m a t e r i a le x c h a n g ef o r m a t ) 表示素材交换格式，x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 表示可扩展标记语言。 困l 固 匝卜匡囹蚪翌团恒砸啦盈耀丹匿耕吲黼h 孵觥机l 臣到ll t 圃i 数字节目源获取 数字节目制作i 数字节目传输；影院节目接收与放映 图1 1 数字电影系统框图 1 1 2 数字电影关键技术概述 数字电影关键技术主要是指数字电影系统的四个环节涉及的相关技术，如数 字母版制作相关技术、j p e g 2 0 0 0 图像编码相关技术、m x f x m l 打包封装相关 技术、多媒体信息传输相关技术、信息安全相关技术以及数字电影放映相关技术 等。本文主要研究数字电影制作软件( 包括图像压缩、打包、编辑视音频m x f 文件并生成数字电影发行包) 、分布式图像压缩系统及其监控和对该系统压缩后 的图像采用的质量评价方法。 1 ) 数字电影制作软件 数字电影制作软件必须实现图像压缩和打包，并且可以对视音频m x f 文件 进行组织编辑，最后生成数字电影发行包。 为了达到甚至超越胶片电影的图像质量，数字电影要求图像具有高分辨率以 及高比特深度。根据d c i 规范，一部9 0 分钟的电影有十几万帧图像，如果不进 行压缩，需要的存储空间大约为几t b ，数据量很大，难以直接拿到影院放映， 所以需要在保证图像质量的前提下进行图像压缩。 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 数字电影关键技术研究 数字电影制作完成之后可能会通过多种不同的方式送到电影院放映，例如通 过光盘、硬盘、网络、卫星等媒介，因此有必要采用一种通用的支持所有这些存 储传输环境的文件格式。d c i 采用了统一的m x f 文件格式作为数字电影发行包 的格式。 2 ) 分布式压缩 如果一台计算机单独压缩一部数字电影，则时间很长，如果采用分布式计算 技术可以大大缩短数字电影图像压缩时间，压缩时间与分布式系统规模有关。为 了保证系统的可控性和透明性，必须对该系统进行监测。 3 ) 图像质量评价 由于电影对画质要求较高，所以必须对压缩后的图像进行质量评价来测试图 像压缩系统的可用性，判断图像质量是否可以接受，采用的压缩方法是否可行。 1 2 论文的主要内容、目标和意义 1 2 1 论文研究内容 本文源于与北京电影学院的合作项目喇i 数字电影制作系统，主要针对 数字电影关键技术进行研究，包括数字电影软件制作系统实现( 包括j p e g 2 0 0 0 图像压缩技术研究和m x f x m l 打包封装技术研究等) 、分布式图像压缩系统研 究及实现、压缩后图像质量评价方法研究及实现。 1 2 2 论文研究目标 本文根据d c iv i 0 规范设计一个数字电影制作系统，用户可以使用该系统 对视频d c d m 进行j p e g 2 0 0 0 图像编码并打包成m x f 文件，将音频文件打包成 m x f 文件，然后对视音频m x f 文件进行组织编辑生成合成播放列表和打包列 表，视音频m x f 文件和合成播放列表以及打包列表共同构成用于发行的数字电 影数据包。该系统可以只用于打包，而对d c d m 进行j p e g 2 0 0 0 图像编码部分 应用分布式技术，从而缩短数字电影制作时间，并对该分布式图像压缩系统进行 监测，对压缩后生成图像进行质量评价。 1 2 3 论文研究意义 数字电影是现代电影技术的发展方向，研究数字电影涉及的关键技术对于促 进与推动国内数字电影产业的健康、快速、有序发展具有极其深远的意义。 3 北京邮电大学硕i 二研究生学位论文 数字电影关键技术研究 1 3 论文组织结构 本文在对数字电影关键技术研究完成之后，展开对3 d 虚拟场景编辑与移动 展示系统的研究与开发，论文的具体结构和安排如下： 第一章绪论。该章介绍了数字电影概念及特点，数字电影标准( d c i 规范) ， 完整数字电影系统的构成，数字电影的几个关键技术，本文的研究内容、目标和 意义以及本文的组织结构。 第二章d c i 数字电影制作系统。该章主要介绍了d c i 数字电影制作系统框 架，数字电影图像压缩，数字电影文件打包以及d c i 数字电影制作系统软件实 现。 第三章分布式d c i 数字电影图像压缩系统及系统监测。该章主要介绍了分 布式图像压缩系统的搭建流程、工作原理以及系统性能监测。 第四章d c i 数字电影图像质量客观评价。该章主要研究了常用的图像质量 客观评价方法，并研究一种能有效反映d c i 数字电影图像质量的客观评价方法。 第五章3 d 虚拟场景编辑与展示系统研究与开发。该章主要介绍了利用 d i r e c t 3 d 图形接口进行3 d 虚拟场景编辑与展示系统的研究与开发。 第六章总结与展望。该章对工作进行了总结，并指出了下一步的改进意见 和研究方向。 4 北京邮电大学硕十研究生学位论文 数字电影关键技术研究 第二章d c i 数字电影制作系统 2 1d c i 数字电影制作系统框架 d c i 数字电影制作系统如图2 - 1 所示。 | d s m 像hd c d m 图像h 口霉h 僦卜 合成 打包 播放 列表 列表 ( p k l ) m x f 文 ( c p l ) d c d m 声音 _ 件打包 图2 - 1d c i 数字电影制作系统流程图 该系统工作流程如下： 1 ) 将数字源母版d s m 转换成数字电影发行母版d c d m ，由于d s m 中的图 像格式多种多样，为了便于后期制作，必须转换成具有统一格式的d c d m 。d c i 规范对d c d m 图像的大小、彩色空间以及像素比特深度都做了统一规定，所以 需要对d s m 图像的大小、彩色空间和像素比特深度进行调整从而转换成 d c d m 舢5 1 。 2 ) 对d c d m 图像进行j p e g 2 0 0 0 压缩，将j p e g 2 0 0 0 码流进行m x f 文件 打包，生成视频m x f 文件。对d c d m 声音进行m x f 文件打包，生成音频m x f 文件。 3 ) 对视音频m x f 文件进行组织编辑制作x m l 格式的合成播放列表和打包 列表，视音频m x f 文件以及合成播放列表和打包列表共同构成传送给数字电影 播放服务器的数字电影发行数据包d c p 。 2 2 数字电影图像压缩 2 2 1d c i 规范对数字电影图像的要求 d c i 规范规定了两种屏幕尺寸：2 0 4 8 1 0 8 0 ( 2 k 模式) 和4 0 9 6 2 1 6 0 ( 4 k 模式) ，并且规定色彩空间为x y z ，像素比特精度为每分量1 2 比特，像素存 储深度为每分量1 6 比特。那么根据d c i 规范，一部2 小时的2 k 模式、2 4 帧 5 北京邮电大学硕上研究生学位论文数字电影关键技术研究 秒的数字电影，需要存储空间为2 0 4 8 1 0 8 0 1 6 3 2 4 6 0 1 2 0 8 = 2 t b ，可见其图 像数据量相当庞大，不利于数字电影的发行和放映，所以需要对数字电影进行图 像压缩。由于在电影制作及后期处理时，每一帧图像都需要单独编辑，在电影放 映中也可能需要从任一帧切入开始播放，所以数字电影的每一帧都是独立的，图 像压缩只能采用帧内编码，不能进行帧间编码。d c i 规范规定数字电影图像压缩 采用j p e g 2 0 0 0 标准的第一部分，并且根据数字电影对图像质量的要求调整了具 体压缩流程。 2 2 2j p e g 2 0 0 0 编码标准的优势 j p e g 2 0 0 0 是由i s o ( 国际标准化组织) 和i e c ( 国际电工协会) 联合开发 的新兴图像压缩标准。j p e g 2 0 0 0 因为采用了离散小波变换和最新的嵌入式编码 技术，所以具备了传统的j p e g 所无法比拟的优势。它具有以下主要特点i t , - 7 ： 1 ) 良好的低比特率压缩性能，其压缩率比j p e g 高约3 0 左右： 2 ) 支持无损和有损压缩； 3 ) 按图像质量或分辨率渐进传输； 质量( 像素精度) 渐进，随着数据的接收，图像质量越来越高。 分辨率渐进，随着数据的接收，图像精度越来越高。 空间位置渐进，图像序列能够近似光栅形式传输，从上到下，这种方式用 于存储有限的接收器的接收。 图像分量渐进，j p e g 2 0 0 0 支持多达1 6 3 8 4 个分量。 4 ) 对码流的随机存取和感兴趣区域( r o i ) 的编码； 5 ) 较强的抗误码性能。 j p e g 2 0 0 0 应用于数字电影图像编码，有如下优势3 。5 1 ： 1 ) j p e g 2 0 0 0 标准的第一部分是免专利费的，可以减少数字电影图像压缩成 本。 2 ) j p e g 2 0 0 0 能支持3 5 m m 胶片电影效果所需要的图像尺寸与像素比特深 度。 3 ) j p e g 2 0 0 0 基于小波变换编码的压缩方法符合人类视觉对图像的再认知， 只要不划分拼接块( d c i 规定不划分拼接块) ，解压后的重建图像就不会出现块 效应。 4 ) j p e g 2 0 0 0 支持任意分量数据( 不管使用何种彩色空间) 的压缩，所以它 支持d c i 规定采用的与设备无关的x y z 彩色空间。 5 ) j p e g 2 0 0 0 标准利用小波变换的多分辨可分级性以及渐进传输特性使2 k 模式的图像数据是4 k 模式图像低一级分辨率的图像数据，可实现数字电影2 k 模式和4 k 模式的兼容。 6 北京邮电大学硕上研究生学位论文数字电影关键技术研究 6 ) 根据电影对画质的要求，可以灵活修改j p e g 2 0 0 0 编码流程及参数，使 其更适合数字电影图像压缩。 2 2 3d c i 对j p e g 2 0 0 0 编码流程的修改 根据电影对画质的要求，d c i 规范对j p e g 2 0 0 0 压缩流程的调整如下【5 】： 1 ) 不划分拼接块，因为数字电影图像经j p e g 2 0 0 0 压缩再解码后的重建图 像不能出现块效应。 2 ) 每帧图像的三个分量压缩过程完全相同，因为数字电影中彩色分量和亮 度分量同样重要。 3 ) 不进行感兴趣区域编码，因为数字电影图像的每个像素点都很重要。 4 ) 采用有损压缩不可逆9 7 小波变换，因为数字电影图像数据量非常 大，无损压缩对降低码率效果不明显。 5 ) d c i 规范规定2 k 模式图像的小波变换次数不多于5 次，而4 k 模式图像 的小波变换不多于6 次，且4 k 模式至少进行一次小波变换。 6 ) 离散小波变换后每个子带需要划分成编码块，后续处理将以编码块为单 位进行，d c i 规定编码块大小为3 2 x 3 2 。 7 ) 对于压缩后的数据需要进行码流组织，d c i 规定2 k 模式下，应按“分 量位置分辨率质量层( c o m p o n e n tp o s i t i o nr e s o l u t i o nl a y e r ，c p r l ) 顺序对 压缩码流进行组织。为了和2 k 模式兼容，4 k 模式下的码流组织遵循以下原则： 假设4 k 模式小波变换次数为n ，需要进行两次码流组织，首先对前n 1 级小波 变换系数编码后的所有数据按c p r l 顺序组织码流，将它们放在码流前面；再对 第n 级小波变换系数编码后的所有数据按c p r l 顺序组织码流，将它们放在码 流的后面，组成完整4 k 码流。 2 3 数字电影文件打包 掣竺堕h 堕堰 图2 - 2 数字电影的j p e g 2 0 0 0 编码流程图 2 3 1d c i 数字电影打包流程 由于之前a v i c a 、d o l b y 、e v s 、g d c 和q u v i s 等数字电影服务器供应商支 持的打包文件格式不同，各制片公司必须以不同的打包编码方式( 不同的发行母 版) 发行数字影片节目，发行成本高，难度大。同时每家设备供应商使用的加密 7 北京邮电大学硕：t 研究生学位论文数字电影关键技术研究 和数字版权管理方式不同，这样不仅给发行打包带来了困难，而且很难保证安全 性。根据d c i 规范采用m x f x m l 打包封装技术，上述问题就可迎刃而解。 m x f x m l 打包封装技术就是将数字电影的视音频数据打成d c p 包。一个 用于发行的送往数字影院进行播放的完整的d c p 要包含以下文件：视频m x f 文件、音频m x f 文件、合成播放列表( c o m p o s i t i o np l a y l i s t , c p l ) 及打包列表 ( p a c k i n gl i s t ) 。其中，视音频m x f 文件是要解码播放的内容，而合成播放列 表的内容定义了多个视音频文件之间的播放顺序，打包列表的作用则是在播放端 对整个d c p 包的完整性进行检查。合成播放列表中规定了影片的播放顺序、声 音或图像等轨迹文件的同步点等，它适用于数字影院的文件打包和解包播放。 根据d c i 规范，d c d m 中的图像部分经由j p e g 2 0 0 0 压缩之后得到了j p c 码流，对j p c 码流进行m x f 文件打包获得视频m x f 文件。d c d m 中的声音部 分为w a v 格式的声音文件，无需压缩，直接进行m x f 文件打包，得到音频m x f 文件。然后对视频m x f 文件和音频m x f 文件提取相应信息，生成合成播放列 表。视频m x f 文件、音频m x f 文件及合成播放列表组成了一个合成体，对合 成体的信息进行提取和组织，得到打包列表。以上的视音频m x f 文件结合合成 播放列表及打包列表构成一个数字电影发行数据包d c p 。d c i 数字电影打包流 程图如图2 3 所示。 i 图像j p c 码流 _ - 舾文件打包 _ _ _ _ - _ - 。_ 。_ - _ 。_ 。_ - 。_ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 二三堕三斗文件打包 图2 - 3d c i 数字电影打包流程图 2 3 2m x f 文件打包 d c i 采用了统一的m x f ( 素材交换格式，m a t e r i a le x c h a n g ef o r m a t ) 文件格 式作为数字电影的视、音频文件打包格式。m x f 文件格式是由美国电影与电视 工程师协会( s m p t e ，t h es o c i e t yo f m o t i o np i c t u r ea n dt e l e v i s i o ne n g i n e e r s ) 组 织定义的一种专业音视频媒体文件格式。m x f 主要应用于影视行业媒体制作、 编辑、发行和存储等环节，使用统一规定的m x f 文件交换格式可以使播放设备 之间的节目文件交换做到与压缩无关，即一个发行母版能够在不同的数字电影 播放服务器上播放。 m x f 文件通常被视为一种“容器”文件格式，也就是说m x f 文件格式与内 容数据的格式无关，它只是一个外壳格式，只是这得益于m x f 底层使用了k l v ( 键一长度一值) 三元组编码方式。m x f 文件通常包含文件头、文件体和文件尾 等几个部分。个m x f 文件的基本结构【8 】如图2 _ 4 所示。 8 北京邮电大学硕上研究生学位论文 数字电影关键技术研究 文件头文件体文件尾 厂、r、 前沿包头元数据索引表文件体内容后沿 图2 - 4m x f 文件基本结构睁j 文件头标记文件的起始，同时通过“元数据 的机制提供文件的整体信息； 文件体是文件的主体部分，它包含了图像、声音和其他节目数据等素材，这些素 材也就是用于数字电影播放的数据，它们存放在一个“容器 中，在m x f 中 称为通用容器，j p e g 2 0 0 0 格式的图像数据就是放在通用容器中；文件尾则标记 了文件的结束【引。 m x f 文件的文件头中包含包头元数据。元数据是有关数据的数据，它是对 数据的描述性数据。m x f 文件中的元数据可能承载下列信息：文件结构；主体 内容的格式；关键词或标题；字幕；基准信息数；编辑说明；位置、时间、日期 及版本号等等【习。 m x f 文件中的元数据分为两种：结构性元数据和描述性元数据。其中，结 构性元数据主要用来描述不同素材的格式以及它们之间在时间线上的关系。例 如，它定义了一个时间线上不同轨道的同步信息、图像大小、音频采样率、图像 宽高比等参数。也就是说，它用来描述m x f 文件的文件体中的内容。描述性元 数据则包含除了m x f 文件自身结构之外的附加信息。这些信息可以是为了用户 使用或者是机器使用而附加的信息。描述性元数据是以“插件”机制放入m x f 文件中的，因为在不同用户、不同使用环境下要插入的描述性元数据不尽相同， 这种插件机制保证了新的元数据放入文件中后不会引起硬件设备的随之改变。结 构性元数据一定会存在于m x f 文件中，而描述性元数据则不同。描述性元数据 的放入是由应用需求决定的，在一些简单应用中，文件中也可以不存在描述性元 数据【5 1 。 m x f 文件中所有要素和数据都使用k l v 编码方式。m x f 是不同类型的连 续的k l v 序列的组合，包括：音频、视频、文件头和所有的索引数据等。k l v 代表键值( k e y ) ，长度( l e n g t h ) 和取值( v a l u e ) 。其中，v a l u e 表示用户数据， l e n g t h 则表示v a l u e 的长度，k e y 表示用户数据类型，即v a l u e 的类型。使用这 种编码方式最大的好处就是表示特定含义的键值不会和用户数据产生歧义。如果 想把音频和视频放入一个文件中，k l v 将会如图2 5 一样组织数据流的结构【。 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文数字电影关键技术研究 图2 - 5k l v 编码结构嘲 k l v 打包方式提供了一种分割用户数据和确认用户数据类型( k e y ) 的方式 【1 2 1 。s m p t e 3 3 6 m t 8 1 定义了k l v 的应用规范。用这种机制来封装各个独立素材有 如下优点：如果解码器无法识别这个k l v 编码包的k e y ，那么解码器就会跳过 这个k e y 所标识的信息，而l e n g t h 参数会告诉解码器需要跳过多少个字节，从 而找到下一个k e y 继续进行分析。 在m x f 文件中称文件体中素材存放的容器为通用容器，它是为了音视频流 的互换性而定义的，在通用容器中相邻图像帧的图像格式可以不同，兼容性好。 通用容器由一系列连续相邻的内容包组成，这些内容包中存放的可以包括系统要 素、图像素材、声音素材、节目数据或者是前面几者的混合体。 将j p e g 2 0 0 0 码流映射到通用容器中的映射方法主要有两种，一种是把每一 个单独的码流作为一帧进行处理基于帧的打包方式，另一种是把码流序列作 为一个剪辑片断进行处理基于剪辑片断的打包方式【l 。使用第一种映射方式 的通用容器可以由一个或多个k l v 编码包组成，每一个v a l u e 中包含的是一帧 图像的压缩码流。如图2 6 所示。 p i c t u r ei t e mp i c t u r ei t e m vv 图2 - 6 基于帧的k l v 包在通用容器中的排列方式f 5 1 使用第二种映射方式的通用容器只由一个k l v 编码包组成，v a l u e 中包含的 是一个j p e g 2 0 0 0 码流序列。如图2 7 所示。 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文数字电影关键技术研究 p i c t u i t e m v 图2 - 7 基于剪辑的k l v 包在通用容器中的排列方式【5 l 如果需要加入声音、字幕等其它素材，那么这些数据都要使用与图像相同的 映射方式放入通用容器中。 m x f 文件结构还提供索引表来快速定位独立帧的视频及相关音频；定义了 分段模式来保证文件传输过程中的恢复；提供了全球唯一识别码( u m i d ，u n i q u e m a t e r i a li d e n t i f i e r ) 支持等等。这些特性使m x f 有更多的应用空间。 m x f 主要用来交换媒体资源，为数据的发送者和接收者建立不同数据格式 转换的通用标准。m x f 既支持流媒体传输又支持文件的传输，所以它可以改善 网络环境因缺乏标准的文件格式而受阻碍的局面。因为m x f 是一个外壳格式而 不是压缩格式，媒体素材内部的格式与其采用的编码方式密切相关，所以一个 m x f 文件只能被支持该压缩格式的解码器识别。 2 3 3 合成播放列表与打包列表制作 d c i 规范要求数字电影发行包d c p 中的合成播放列表与打包列表采用x m l 格式。x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 即可扩展标记语言，它与h t m l 一 样，都是s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ，标准通用标记语言) 。x m l 是i n t e r n e t 环境中跨平台的，依赖于内容的技术，是当前处理结构化文档信息的 有力工具。扩展标记语言x m l 是一种简单的数据存储语言，使用一系列简单的 标记描述数据，而这些标记可以用方便的方式建立，虽然x m l 比二进制数据要 占用更多的空间，但x m l 极其简单易于掌握和使用。x m l 的简单使其易于在 任何应用程序中读写数据，这使x m l 很快成为数据交换的唯一公共语言。x m l 提供了一种结构化的数据表示方式，使得用户界面分离于结构化数据，是w e b 上表示结构化信息的一种标准文本格式。x m l 文档被看作是文档的数据库化和 数据的文档化【1 6 】。 制作完成各个素材的相应视音频m x f 文件后，需要将其组织起来并有序地 播放。合成播放列表( c o m p o s i t i o np l a yl i s t ，c p l ) 即负责组织各个素材的相应 视音频m x f 文件并安排播放顺序。 数字电影打包系统中最基本的要素是轨道文件，一个轨道文件主要包括电影 北京邮电大学硕上研究生学位论文数字电影关键技术研究 的基本内容( 如图象、声音等) 和一些元数据( 说明电影基本内容的数据，如持 续时间等) ，根据内容不同可以分为图像轨道、声音轨道和字幕轨道。和传统胶 片电影中卷的概念类似，数字电影中的一卷由图像轨道文件、声音轨道文件和字 幕轨道文件组成，每卷大约1 0 - 2 0 分钟，一部电影可分为几卷，卷中所有这些文 件的组织结构由c p l 文件定义【1 7 1 ，c p l 文件是由有序的卷结构组成，每一卷都 与外部的轨道文件相关联，一卷中的图像轨道文件和声音轨道文件同时播放。如 图2 -