从IMAX电影技术看数字图像处理.ppt

Page 1 路安平 AddYourTextinhere AddYourTextinhere AddYourTextinhere 从IMAX电影技术 看数字图像处理 主讲人 路安平 张春游 李大鹏 Page 2 2020 3 14 3 跟我一起领略IMAX的魅力吧 温馨提示 您已驶入心情高速区 请戴好眼镜小心错过 2020 3 14 4 IMAX是神马东东 2020 3 14 5 IMAX是由加拿大IMAX公司所推出的一种巨型银幕电影 其英文缩写为ImageMaximum 意为影像最大化 也就是可以给观众呈现出比一般电影画面更大尺寸的画面 标准的IMAX电影银幕的尺寸为22 16米而一般的电影银幕也就3米多高 2020 3 14 6 IMAX的技术支持 相比于传统的35mm胶片影片 IMAX可以带来更大的画面尺寸和更细腻的清晰度 IMAX影片为了大幅提升画面的清晰度 而采用了特殊的65毫米底片及其专用摄影机摄制 然后冲印成70毫米胶片 因此 IMAX影片的每格画面的感光面积是普通35毫米胶片每格画面的10倍从而决定了在 巨幕 上投放出的影像比一般电影更清晰 更亮丽 2020 3 14 7 IMAX胶片与普通胶片比较 2020 3 14 8 IMAX3D 立体版本的IMAX技术 为营造出立体景深 IMAX3D采用了双摄影机及双投映机拍摄及放映 目前IMAX3D放映时采用偏振光式放映 观看时以配戴偏光眼镜来分析立体图像 多数IMAX3D影院采用线偏振镜片 而另外有的公司采用的是圆偏振眼镜 圆偏振眼睛受眼镜旋转角度影响较小 当观众歪头时基本不影响效果 而不像线偏振眼镜在观众歪头时会出现立体画面的虚影 2020 3 14 9 2020 3 14 10 1080P是啥意思 1080P是一种视频显示格式有效显示格式为 1920 1080 像素数达到207 36万 其数字1080则表示垂直方向有1080条扫描线 字母P意为逐行扫描 ProgressiveScan 因其分辨率高故画面清晰 是一般意义上高清 2020 3 14 11 蓝光影院 蓝光 Blu ray 是利用波长较短 405nm 的蓝色激光读取和写入数据 并因此而得名 而传统DVD需要用红色激光 波长为650nm 来读取或写入数据 通常来说波长越短的激光 能够在单位面积上记录或读取更多的信息 因此 蓝光极大地提高了光盘的存储容量 对于光存储产品来说 蓝光提供了一个跳跃式发展的机会由此而产生HD 高密度 2020 3 14 12 IMAX数字影院 数字版IMAX可免除了一般70毫米底片笨重的缺点 就如现今的数字影院一样 但是问题也随之产生 数字电影一个个像素堆积而成 屏幕越大像素痕就会越明显 坐在前面的观众看到的IAMX电影将会一片 马赛克 该怎么解决这个问题呢 我的拍档会在接下来给你们做详尽的解释 2020 3 14 13 IMAX放映机房 2020 3 14 14 IMAX影院构造 IMAX影院的构造也与普通电影院有很大的分别 根据形状的不同 IMAX银幕分为矩形幕和球形幕两种 球形幕的直径可达三十米 球形幕主要放映全天域电影 IMaxDome 此类电影采用 鱼眼 镜头拍摄 使得180度的景物能成像于平坦的胶片上 放映时再采用另一个鱼眼镜头即可让全景重现银幕 2020 3 14 15 IMAX的矩形幕和球形幕 2020 3 14 16 鱼眼镜头是一种焦距极短并且视角接近或等于180 的镜头 为使镜头达到最大的摄影视角 这种摄影镜头的前镜片直径呈抛物状向镜头前部凸出 与鱼的眼睛颇为相似 鱼眼镜头 因此而得名 众所周知视角越大 因光学原理产生的变形也就越强烈 为了达到180度的超大视角 鱼眼镜头即允许这种变形的合理存在 其结果是除了画面中心的景物保持不变 其他本应水平或垂直的景物都发生了相应的变化 它的视角力求达到或超出人眼所能看到的范围 因此 鱼眼镜头与人们眼中的真实世界的景象存在很大的差别 因为我们在实际生活中看见的景物是有规则的固定形态 而通过鱼眼镜头产生的画面效果则超出了这一范畴 2020 3 14 17 鱼眼镜头拍摄的景物 2020 3 14 18 IMAX瞄准中国市场 中国内地是IMAX发展最快的国际市场之一 现共有22家IMAX影院 另有27家已签约 是全球第二大市场 阿凡达 在中国14家IMAX影院上映总票房收入超过RMB1 6亿 占该片中国内地市场总票房的11 以上 平均每块屏幕票房超过RMB1000万 由冯小刚执导的 唐山大地震 是中国内地的第一部IMAXDMR影片 已于2010年7月同步发行 IMAX已与华谊兄弟签约3部DMR影片 2020 3 14 19 阿凡达 海报 2020 3 14 20 唐山大地震 剧照 2020 3 14 21 中国最早的IMAX影院出现在上海 上海科技馆同时安装了IMAX3D 矩形幕 和IMAX球幕系统 分别配备了441个座位和281个座位 除了上海科技馆和北京华星影院 黑龙江省科技馆 江苏省的南京青少年活动中心 苏州科技文化艺术中心 北京的中国电影博物馆 广东省东莞科技馆和上海的和平影都电影院也都在近年配置了IMAX放映厅 其中黑龙江省科技馆 南京青少年活动中心和东莞科技馆均为球幕系统 而和平影都则是国内第一家商业IMAX影院 2020 3 14 22 1 北京UME华星国际影城2 北京万达国际影城CBD店3 北京万达国际电影城石景山店4 上海和平影都5 上海正大星美国际电6 上海万达国际电影城五角场店7 杭州百老汇国际城8 杭州新远国际影城9 武汉环艺影10 苏州科文中心11 无锡大世界影城12 昆明百老汇影城13 天津中影国际影城14 重庆卢米埃金源影城15 长春万达欧亚国际电影城16 长沙万达国际电影城17 济南万达国际影城18 广州万达国际影城19 合肥万达国际影城20 青岛万达国际影城21 深圳UAKKMALL影城22 东莞万达国际影城 胶片 23 中国电影博物馆IMAX巨幕影厅 胶片 24 广东科学中心IMAX巨幕影厅 胶片 25 中国科技馆IMAX巨幕影厅 胶片 济南万达国际影城在万达广场娱乐楼五楼IMAX厅 2010年11月开业 屏幕面积231平方米 有360个座位有空大家可以去看看 2020 3 14 23 济南万达影城 2020 3 14 24 济南万达影城内部 2020 3 14 25 即将上映的金陵十三钗 2020 3 14 26 十三钗的宣传海报 但是十三钗没有IAMX版本 2020 3 14 27 最近大热的 金陵十三钗 制作方在宣传时 标榜会有IAX版本的 但是从技术上来说 十三钗 不是一部IMAX电影 只不过是在IAMX放映厅放映普通电影 所以诸君最好还是去看普通版的 因为IAMX要比普通的贵二分之一 好了接下来请我的拍档给大家介绍如何把普通电影通过后期制作变为IAMX电影 2020 3 14 28 跟我一起领略IMAX的魅力吧 认真的往下听下去 你会有收获 不管你们信不信 反正我相信 2020 3 14 29 和普通的影片比起来 Imax电影画面巨大 声效感强 会给人身临其境的感觉 但Imax电影的摄制由于设备 胶片等方面的原因使得摄制成的影片时间比较短 大概只有一个小时左右 比较适合制作一些科教 风光之类的影片 要想和时间比较长的故事片同步上映 必须借助于DMR技术 将普通的影片转化成Imax电影 2020 3 14 30 DMR的技术 DigitalRe masteringTechnology即数字再作技术 是IAMX电影的核心技术 它通过对普通的影片扫描 存储 插值 放大 去噪 增强等方法 从而将其转化为Imax影片格式 目前DMR的核心技术是保密的 但它的处理方式是公开的 Imax电影图像在扫描和插值放大过程中 必然会附加噪声 产生边缘信息丢失等现象 从而使得图像的质量大大降低 因此 DMR技术的核心就是去噪和增强 目前 对图像进行去噪和增强的方法很多 但通常的去噪增强方法往往会使图像变得模糊 噪音放大等现象 因此 我们需要寻求一种既可去噪 同时还能使边缘增强的图像处理方法 2020 3 14 31 上图是普通电影 下图是经过DMR技术处理后的IMAX版本 2020 3 14 32 IMAXDMR技术的基本任务 众所周知 像照片一样 35mm胶片片上的每幅影像都是由细微的颗粒构成的 由于这些颗粒足够的细小 在35mm的银幕上人眼分辨不出它们的存在 然而 如果把用35mm底片拍摄的影片直接放大成70mm15片孔的Imax影片 再放映在Imax影院的巨大银幕上 情况就大不一样了 在这种情况下 银幕图像的颗粒变粗 人眼就能明显看出这些颗粒的存原因是因为在这一过程中发生了两次放大 第一次放大是从35mm影片转换成70mm15片孔影片 画幅面积放大了10倍 35mm影片上的颗粒也被放大了10倍 第二次放大是70mmImax影片放映到Imax银幕上 画幅面积又放大了25万倍左右 虽然在35mm和70mm影片上单位面积的颗粒值是一样的 但是单位面积上的图像信息量发生了10倍的变化 也就是说在35mm影片上的一个颗粒 放大在70mm15片孔影片上占据了其10个颗粒 这样必然造成颗粒变粗 颗粒与颗粒之间的距离变大 因此 细化原有的颗粒 在原颗粒之间填充新的颗粒是ImaxDMR技术要实现的基本任务 2020 3 14 33 DMR技术的具体工艺步骤 首先先将要处理放大的35mm翻拍片逐格扫描转换成高分辨率的数字图像 并储存在工作站中 用一由数十台计算机组合而成的大型数字影像处理工作站 然后对相应的像素进行数学分析 取样 对比 放大 细化 填补等处理 使其能生成相当于Imax70mm15片孔影片的质量 然后再将处理完成的数字图像输出 转成65mm15片孔的底片 在这一过程中放大了的每一画格的像素 像素与像素之间 用对比 中和 彩色校正等方式创造性地细化原有的像素最后填充新的像素 使放大后画面的清晰度明显提高 而且保持前后画面结构 亮度 对比度 色调等一系列技术指标具有一致性和连续性 2020 3 14 34 成果累累 2002年以来 Imax利用DMR技术分别将故事片 阿波罗13 星球大战2 克隆人的袭击 黑客帝国2 重装上阵 和 黑客帝国3 矩阵革命 转换 制作成Imax版影片 并在北美的Imax影院进行了商业放映 受到了观众的好评和业界人士的关注 并取得了令人振奋的票房收入 2020 3 14 35 黑客帝国剧照 2020 3 14 36 DMR技术的局限性 用DMR技术虽然在影像放大 细化 填充 处理方面获得了重大突破 取得了令人瞩目的业绩 但它在技术层面还是存在一些问题 通过对比用65mm摄影机拍摄的不用DMR技术处理直接而直接将35mm影片放大而成的Imax影片和使用DMR技术将35mm影片放大而成的Imax影片进行的对比演示表明 第一 用DMR制作后的影片清晰度还不能足够高 虽然用DMR技术处理后的影像质量比没有用DMR技术处理直接放大的影像质量有明显的提高 但比用65mm底片拍摄的Imax影像质量仍有一定差距 前者仅相当于后者质量的80左右 2020 3 14 37 第二 如何对Imax电影数字图像进行放大 增强处理 从而用数字处理的方式将2DImax影片转换成3DImax影片 这些才应是Imax电影的发展方向 2020 3 14 38 DMR技术中数字处理方法 数字图像的处理方法一幅经过扫描的原始的Imax电影图像或者信号往往并不是我们所理想的 它会不可避免的产生各种各样的信号污染而这种信号污染产生的原因也是多种多样的 有机械的原因 有人为的原因 还有外部环境的原因 以及图像存储传输过程中的原因等等 而处理这种信号污染的方法也多种多样 有传统的傅立叶变换 直方图均衡 以及新出现的小波方法 2020 3 14 39 小链接 直方图均衡 直方图均衡 histogramequalization 直方图均衡化通常用来增加许多图像的全局对比度 尤其是当图像的有用数据的对比度相当接近的时候 通过这种方法 亮度可以更好地在直方图上分布 这样就可以用于增强局部的对比度而不影响整体的对比度 直方图均衡化通过有效地扩展常用的亮度来实现这种功能 这种方法对于背景和前景都太亮或者太暗的图像非常有用 这种方法的一个主要优势是它是一个相当直观的技术并且是可逆操作 缺点是它对处理的数据不加选择 它可能会增加背景噪声的对比度并且降低有用信号的对比度 2020 3 14 40 小波技术 小波技术是我们比较熟悉的的方法 有一维小波 二维小波以及各种在此基础上产生出来的各种各样的小波方法 综上所述 由于信号污染原因的复杂性 以及图像的格式 像素 分辨率 颜色等的不同 同样内容的一副图片或者信号经过处理往往会产生不同的效果 单纯的用某一个方法来处理都只能针对某一个特定的图像信号 而对于别的图像信号往往效果并不十分理想 因此 要针对图像信号处理的特点 在空间域和变换域同时进行处理 从而达到比较理想的处理效果 下面就以小波技术为例详述如何消除在DMR技术中的噪声 2020 3 14 41 2020 3 14 42 由于小波变换在频域和时域都能给图像去噪和边缘增强提供很好的局域性 即当想对某个区域进行操作时 别的区域不受其干扰 因而得到广泛应用 现今 已经有一些基于小波域的去噪和增强方法如利用连续空间之间小波系数的相关性在滤波过程中把噪声从有用的信息中区别出都提出了用概率密度模型从对噪声的观测中来估计原始 即不含噪声 图像 2020 3 14 43 其次用极大似然估计方法建立一种高斯概率密度模型 分别估计出噪声的先验信息 和边缘有关的小波系数方差及和噪声有关的小波系数方差 但这种方法的缺点是具体实现极大似然估计方法时 易出现迭代次数很多 计算量大 收敛性较差 甚至有时不能收敛等问题 总之利用小波技术将图像从空间域转换到变换域的方法从而达到对Imax电影图像去噪和边缘增强的双重效果 而这也是世界上普遍采用的最先进最有效的方法 2020 3 14 44 史上最好看的纪录片 海洋 剧照 2020 3 14 45 DMR技术是在后期制作中对胶片下功夫 使普通胶片经过小波分析 去噪 变成可以在IMAX大荧幕上放映的巨幕电影 但是可不可以在放映机上做文章 利用光线转合 人眼的视觉模糊 把普通数字电影转化为IMAX电影 下面就请我的拍档李大鹏同学给大家介绍DLP技术 2020 3 14 46 跟我一起领略IMAX的魅力吧 车辆行驶中请坐好抓好 前方到站 DLP技术的介绍 2020 3 14 47 DLP技术是神马东东 技术 总是在 需要 的催促下产生的 为解决大屏幕像素痕的问题 DLP技术应运而生DLP DigitalLightProcession 即为数字光处理 也就是说这种技术要先把影像信号经过数字处理 然后再把光投影出来 2020 3 14 48 DLP工作原理 2020 3 14 49 DLP技术概述 DLP技术采用光学半导体产生数字式多光源显示 核心是光学半导体 即数字显微镜装置或称为DLP芯片 是一个光开关器件 含有200万个规则排列相互铰接的微型显微镜 每个显微镜的大小仅相当于头发丝的五分之一 当DLP芯片与数字视频 光源和投影透镜彼此协调之后 显微镜可将全数字图像投射到屏幕上 2020 3 14 50 DLP技术的核心是由数以万计的镜片组成的数字显微镜系统 每块镜片之间的距离不到1微米 从而可以达到极高的占空因数 最大限度地缩小投影图像像素之间距离 可以生成无缝的数字化图片 在任何尺寸下都可以保持良好的锐度 不会出现其他技术造成的像素痕或 马赛克 那么下面我们一起来看一下DLP的具体工作过程 2020 3 14 51 DLP技术的工作过程 DMD器件是DLP的基础 一个DMD可被简单描述成为一个半导体光开关 一片微镜片表示一个象素 微镜片的转动受控于来自CMOSRAM的数字驱动信号 一旦接收到相应信号 镜片倾斜10 从而使入射光的反射方向改变 处于投影状态的微镜片被示为 开 并随来自SRAM的数字信号而倾斜 12 如显微镜片处于非投影状态 则被示为 关 并倾斜 12 与此同时 开 状态下被反射出去的入射光通过投影透镜将影像投影到屏幕上 而 关 状态下反射在微镜片上的入射光被光吸收器吸收 简而言之 DMD的工作原理就是借助微镜装置反射需要的光 同时通过光吸收器吸收不需要的光来实现影像的投影 而其光照方向则是借助静电作用 通过控制微镜片角度来实现的 2020 3 14 52 DLP技术的优势 1 抹去图象中的缺陷DMD微镜器件非凡的快速开关速度与双脉冲宽度调制的一种精确的图像颜色和灰度复制技术相结合 使图像可以随着窗口的刷新而更加清晰 通过增强对比度 描绘边界线以及分离单个颜色而将图像中的缺陷抹去 2 避免 纱门 效应在许多LCD投影图像中 我们会看到当一个图像尺寸增加时 LCD图像中的缝隙将变得更大 而在DLP投影机中则不会出现这样的情况 DMD镜面的大小和形状决定了这一切 每个镜片90 的面积动态地反射光线以生成一个投影图像 由于一个镜头与另一个镜头之间是如此的接近 所以图像看起来没有缝隙 DMD镜片体积微小 每一侧边的长度为16微米 相邻镜头之间的缝隙小于1微米 镜头是方形的 所以每一个镜片显示的内容要比实际图像更多 再加上当分辨率增加时大小及间距仍保持一致 因此无论分辨率如何变化 图像始终能够保持很高的清晰度 2020 3 14 53 DLP技术的优势 4 图象更加逼真自然 DLP不仅仅是简单地投影图像 它还对它们进行了复制 在它的处理过程中 首先将源图像数字化为8到10位每色的灰度图像 然后 这些二进制图像输入进DMD 在那里它们与来自光源并经过仔细过滤的彩色光相结合 这些图像离开DMD后就成像到屏幕上 保持了源图像所有的光亮和微妙之处 DLP独一无二的色彩过滤过程控制了投影图像的色彩纯度 此技术的数字化控制支持无限次的色彩复制 并确保了原始图像栩栩如生地再现 随着其它显示技术及摄影技术的出现 DLP使得那些无生命的图像拥有了逼真的色彩 5 可靠性高 DMD不仅通过了所有的标准半导体资格测试 系统制造非常严格 需要经过一连串的测试 所有元件均经过挑选证实可靠才能用作制造数码电子部分驱动DMD 而且还证明了在模拟操作环境中 它的生命期超过10万个小时 测试证明 DMD可以进行超过1700万亿次循环无故障运行 2020 3 14 54 名噪一时的 阿凡达 在北美上映时就采用了DLP技术 让画面逼真色彩清丽 仿佛置身于油画里 可以这样说 阿凡达 的票房奇迹有很大一部分归功于它采用的最先进的技术手段 2020 3 14 55 2020 3 14 56 DLP技术的分类 单片DLP系统 在一个单DMD投影系统中 需要用一个色轮来产生全彩色投影图像 色轮由红 绿 蓝滤组成 它以60Hz的频率转动 在这种结构中 DLP工作在顺序颜色模式 输入信号被转化为RGB数据 数据按顺序写入DMD的SRAM 白光光源通过聚焦透镜聚集焦在色轮上 通过色轮的光线然后成像在DMD的表面 当色轮旋转时 红 绿 蓝光顺序地射在DMD上 色轮和视频图像是顺序进行的 所以当红光射到DMD上时 镜片按照红色信息应该显示的位置和强度倾斜到 开 绿色和蓝色光及视频信号亦是如此工作 人体视觉系统集中红 绿 蓝信息并看到一个全彩色图像 通过投影透镜 在DMD表面形成的图像可以被投影到一个大屏幕上 2020 3 14 57 DLP技术的分类 双片DLP系统 这种系统利用了金属卤化物红光缺乏的特点 色轮不用红 绿 蓝滤光片 取而代之使用两个辅助颜色 品红和黄色 色轮的品红片段允许红光和蓝光通过 同时黄色片段可通过红色和绿色 结果是红光在所有时间内都通过 蓝色和绿色在品红 黄色色轮交替旋转中每种光实质上占用一半时间 一旦通过色轮 光线直接射到双色分光棱镜系统上 连续的红光被分离出来而射到专门用来处理红光和红色视频信号的DMD上 顺序的蓝色与绿色光投射到另一个DMD上 专门处理交替颜色 这一DMD由绿色和蓝色视频信号驱动 2020 3 14 58 DLP技术的分类 三片DLP系统是将白光通过棱镜系统分成三原色 这种方法使用三个DMD 一个DMD对应于一种原色 应用三片DLP投影系统的主要原因是为了增加亮度 通过三片DMD 来自每一原色的光可直接连续地投射到它自己的DMD上 结果更多的光线到达屏幕 给出一个更亮的投影图像 这种高效的三片投影系统被用在超大屏幕和高亮度应用领域 2020 3 14 59 DLP技术的潜在问题 任何技术都不可能完美无缺 在追求一方面时 必须以牺牲另一方面为代价 我们提到的DLP投影机弱点只有一个 即 彩虹效应 具体表现是色彩被简单地分离出明显的红 绿和蓝三种单色 看起来像雨后彩虹一样 2020 3 14 60 彩虹效应是由于用一个旋转色轮来调制图像色彩而产生的 同时因为有些人的视觉系统特别灵敏 能察觉出一种彩色转换到另一种彩色的过程 而不是像大多数人那样靠视觉暂留现象把几种单色混合成新的色彩 除了某些用户能把色彩分离出来 还有些用户可能因为色彩的迅速变化 而产生眼睛胀痛和头痛的情况 而LCD投影机和三片式DLP投影机都不会有这种现象 它们在物理结构上就是把三个固定的红 绿 蓝图像叠加而成 2020 3 14 61 彩虹效应的解决 但是由于人眼的构造 某些人能看出彩虹效应 甚至严重到画面几乎不能看 但是有些人只是偶尔会看到彩虹痕迹 对于后者来说 DLP的这一缺点就没有实用上的影响 更幸运的是大多数人既看不出彩虹痕迹 也不会被眼胀 头痛所困惑 请想想如果人人都能在DLP投影机上看到彩虹效应 DLP投影机也就失去了存在的机会 但不管怎样彩虹效应总是一个问题 德州仪器公司和用DLP技术制造投影机的厂商还是在尽力解决这一问题 第一代DLP投影机色轮每秒旋转60次 相当于帧频60Hz 或每分钟3600转 在色轮中 红 绿 蓝像素各一段 所以 每种颜色每秒刷新也是60次 这种第一代产品称为 1X 转速 第一代产品还有少数人能看到彩虹效应 改进的第二代产品的色轮转速上升到2X 即120Hz和7200RPM 能看到彩虹效应的人就更少了 今天 很多专为家庭影院市场设计的DLP投影机用六段色轮 色轮转一圈出现两次红 绿 蓝 且色轮又以120Hz或7