牛小明

（中央宣傳部電影數(shù)字節(jié)目管理中心，北京100866）

1 背景

目前數(shù)字影院技術(shù)主要遵循DCI、SMPTE等國(guó)外組織制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)，其中最廣為人知的DCI 1.2數(shù)字影院技術(shù)規(guī)范體系框架制定于2008年。十幾年之間，雖然國(guó)內(nèi)還未有成體系技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)框架可以取代，但是國(guó)內(nèi)技術(shù)界已經(jīng)在部分關(guān)鍵技術(shù)自主研發(fā)方面取得一定突破，尤其是圖像編碼、加密算法、LED顯示系統(tǒng)等方面都已取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。國(guó)內(nèi)已經(jīng)建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的AVS/AVS2/AVS3系列標(biāo)準(zhǔn)體系，主要對(duì)標(biāo)國(guó)外H.264/H.265/H.266相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。 國(guó)密算法主要采用橢圓曲線(xiàn)加密、雜湊等核心技術(shù)，建立了對(duì)標(biāo)AES/RSA/SHA的SM1/SM2/SM3系列標(biāo)準(zhǔn)體系，并且逐步被ISO組織采納。LED顯示系統(tǒng)自主研發(fā)進(jìn)展迅速，國(guó)內(nèi)已有產(chǎn)品可達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以直接對(duì)標(biāo)三星公司的Cine ma LED系統(tǒng)。

2 數(shù)字影院關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化可行性分析

本文主要就與圖像編碼、加密算法和顯示系統(tǒng)三方面相關(guān)的國(guó)產(chǎn)化可行性進(jìn)行重點(diǎn)討論和分析，因?yàn)檫@三方面技術(shù)水平的提高能夠給觀影質(zhì)量和內(nèi)容安全帶來(lái)更多提升，更能夠體現(xiàn)我國(guó)數(shù)字影院國(guó)產(chǎn)化技術(shù)水準(zhǔn)，也更具備可操作性。

2.1 圖像編碼國(guó)產(chǎn)化

圖像編碼是數(shù)字影院相關(guān)技術(shù)當(dāng)中影響最終觀影質(zhì)量的核心關(guān)鍵要素之一，其編碼方式直接決定了影片畫(huà)面的技術(shù)質(zhì)量。目前DCI標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)字影院的圖像編碼采用JPEG 2000算法，主要原因在于其支持更高分辨率、幀內(nèi)編碼、去方塊效應(yīng)、免收專(zhuān)利費(fèi)、2K/4K漸進(jìn)解碼等。但是JPEG 2000算法也有其相應(yīng)不足，計(jì)算復(fù)雜度較高，特別是轉(zhuǎn)化為硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)成本居高不下，目前涉及基于JPEG 2000 IP核的FPGA公板均價(jià)格不菲，且主要供應(yīng)商均為國(guó)外廠商。另外，國(guó)際上H.26X系列標(biāo)準(zhǔn)也發(fā)展迅速，至今已從H.264、H.265演進(jìn)至H.266。雖然H.26X系列標(biāo)準(zhǔn)主要以IPB編碼模式為主，但是也支持全I(xiàn)幀模式編碼。全I(xiàn)幀編碼模式僅考慮空間冗余，不考慮時(shí)間冗余，類(lèi)似于JPEG 2000的圖像編碼模式。已有研究表明，H.264全I(xiàn)幀編碼在較高分辨率下，與JPEG 2000的編碼質(zhì)量相差并不大。

而在國(guó)內(nèi)的情況是，AVS標(biāo)準(zhǔn)從2003年開(kāi)始推出第一代AVS1，截止2020年已陸續(xù)推出AVS＋、AVS2、AVS3三代技術(shù)體系框架。從第一代技術(shù)起，AVS主要對(duì)標(biāo)的目標(biāo)就是H.26 X系列標(biāo)準(zhǔn)。最新一代的AVS3標(biāo)準(zhǔn)支持很多先進(jìn)特性，比如:將在增強(qiáng)檔次加入AI智能編碼技術(shù)，預(yù)計(jì)編碼效率將會(huì)比H.266提升20%左右。國(guó)家對(duì)于AVS標(biāo)準(zhǔn)從政策、產(chǎn)業(yè)都給予了重點(diǎn)支持，目前AVS標(biāo)準(zhǔn)羽翼漸豐，已經(jīng)在高清產(chǎn)業(yè)、超高清產(chǎn)業(yè)、家庭影院等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)生態(tài)也越來(lái)越豐富，包括國(guó)產(chǎn)芯片終端都有豐富支持。

AVS2也支持全I(xiàn)幀編碼，其編碼工具也已開(kāi)源，具備進(jìn)行數(shù)字影院圖像編碼的可能性。本文就AVS2全I(xiàn)幀編碼模式與JPEG 2000進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果如表1和圖1所示。

表1 測(cè)試序列幀技術(shù)參數(shù)

圖1 AVS2全I(xiàn)幀與JPEG 2000編碼比對(duì)

綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，AVS2全I(xiàn)幀編碼與JPEG 2000編碼就圖像失真率來(lái)講差別不大。JPEG 2000編碼的PSNR曲線(xiàn)更為平緩，AVS2全I(xiàn)幀編碼的PSNR曲線(xiàn)與碼率遞增接近線(xiàn)性關(guān)系。

鑒于以上結(jié)果，我們可以確認(rèn)的是，AVS2可以達(dá)到與JPEG 2000數(shù)字影院圖像編碼同等質(zhì)量。原因主要有三方面，第一:全I(xiàn)幀幀內(nèi)編碼模式下AVS2編碼后圖像客觀質(zhì)量和JPEG 2000基本相當(dāng)；第二:AVS2的編碼器已經(jīng)開(kāi)源，開(kāi)發(fā)方為北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)，為AVS2引入數(shù)字影院提供了相當(dāng)?shù)谋憷麠l件；第三:AVS2的解碼芯片已經(jīng)量產(chǎn)，主要供貨商為華為，芯片型號(hào)是海思Hi3796 MV200，為AVS2的生態(tài)推廣提供了基礎(chǔ)。

同時(shí)我們應(yīng)當(dāng)注意到，要真正將AVS2應(yīng)用于數(shù)字影院圖像編碼，仍有兩方面問(wèn)題需要解決，第一:AVS2編碼如何封裝到MXF文件當(dāng)中，目前仍沒(méi)有太多標(biāo)準(zhǔn)文檔可以參考；第二:AVS2全I(xiàn)幀編碼圖像還應(yīng)做主觀評(píng)測(cè)。

2.2 加密算法國(guó)產(chǎn)化

加密算法是數(shù)字影院安全技術(shù)中的核心關(guān)鍵，其底層技術(shù)的選型直接決定著版權(quán)安全和文化安全的落實(shí)實(shí)效。目前DCI標(biāo)準(zhǔn)體系中采用AES算法進(jìn)行內(nèi)容加密，采用RSA算法進(jìn)行密鑰再加密，采用SHA系列算法進(jìn)行信息摘要。所選算法均源自美國(guó)技術(shù)體系，這些算法也都入選了ISO標(biāo)準(zhǔn)。

2019年10月26日頒布的《中華人民共和國(guó)密碼法》，為我國(guó)積極穩(wěn)妥推進(jìn)密碼技術(shù)體系國(guó)產(chǎn)化提供了法律依據(jù)。其中多條內(nèi)容均指出，應(yīng)加快推進(jìn)各行業(yè)密碼標(biāo)準(zhǔn)再造。國(guó)密算法也應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)展至今已經(jīng)推出了SM1、SM2、SM3、SM4、SM9，其中和數(shù)字影院加密密切相關(guān)的是SM1、SM2和SM3。SM1對(duì)標(biāo)AES算法，用于內(nèi)容分組加密，算法沒(méi)有公開(kāi)，但可以通過(guò)加密芯片的接口進(jìn)行調(diào)用。SM2對(duì)標(biāo)RSA算法，用于密鑰再加密，已順利獲批成為ISO標(biāo)準(zhǔn)。SM3對(duì)標(biāo)SHA算法，用于信息摘要，也已順利獲批成為ISO標(biāo)準(zhǔn)。

SM1算法可以完成數(shù)據(jù)內(nèi)容的對(duì)稱(chēng)加解密，分組長(zhǎng)度為128bit，密鑰長(zhǎng)度為128bit，保護(hù)強(qiáng)度和加解密性能基本與AES相當(dāng)，算法不公開(kāi)，以IP核形式存在于專(zhuān)用芯片中，能夠抵御窮舉搜索、差分、線(xiàn)性等專(zhuān)用于破解分組加密的惡意攻擊。SM2算法主要采用類(lèi)似橢圓曲線(xiàn)三次方程表達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)加密。由于基于ECC，簽名速度和秘鑰生成速度都快于RSA 2048，密鑰長(zhǎng)度為256bit，短于RSA 2048。由于基本原理為基于橢圓曲線(xiàn)上點(diǎn)群離散對(duì)數(shù)難題實(shí)現(xiàn)加解密，從數(shù)學(xué)原理上來(lái)講解決該問(wèn)題要遠(yuǎn)比大數(shù)質(zhì)因子分解更為復(fù)雜，因此其安全強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于RSA 2048，約等同于RSA 3072的安全強(qiáng)度。SM3主要由中國(guó)科學(xué)院王云院士設(shè)計(jì)，采用雜湊算法實(shí)現(xiàn)信息摘要，長(zhǎng)度為256位，安全強(qiáng)度與SHA－256基本等同，復(fù)雜度略高于SHA－256。

采用國(guó)密系列算法SM1、SM2、SM3有三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，第一:SM系列算法復(fù)雜度、加解密性能整體高于DCI加密體系，尤其是SM2算法安全和性能超過(guò)RSA很多；第二:有利于后續(xù)迭代升級(jí)，不必受?chē)?guó)外算法更新周期限制，完全由我國(guó)團(tuán)隊(duì)研發(fā)，可真正保障可管可控；第三:采用完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的加解密算法，可以真正保障版權(quán)安全和文化安全落地實(shí)施。同時(shí)我們應(yīng)考慮到國(guó)密算法落地實(shí)施到數(shù)字影院加密體系后，必然帶來(lái)配套軟件、硬件芯片的更新?lián)Q代，要制定好技術(shù)實(shí)施路線(xiàn)。

2.3 顯示系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化

顯示系統(tǒng)關(guān)系著數(shù)字影院內(nèi)容的最終呈現(xiàn)結(jié)果，是整個(gè)數(shù)字影院體系質(zhì)量的最終保障。目前DCI標(biāo)準(zhǔn)主要采用投射式放映系統(tǒng)作為數(shù)字影院顯示終端，相關(guān)產(chǎn)品專(zhuān)利主要由國(guó)外公司提供的DLP技術(shù)所主導(dǎo)把控。投射式顯示系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是畫(huà)面整體感覺(jué)晶瑩剔透，由于是反射光顯影，更接近人眼在真實(shí)世界當(dāng)中的視覺(jué)感受。目前有氙燈光源和激光光源兩種，激光光源在色彩還原、亮度、飽和度以及故障率上有較大優(yōu)勢(shì)。但是投射式最大的問(wèn)題在于光效損失，普通電影播放時(shí)投射到銀幕經(jīng)再次反射后一般只剩光源亮度的50%左右。立體電影普通光源光效損失一般會(huì)超過(guò)70%，激光光源光效損失一般也會(huì)超過(guò)60%。亮度不足的問(wèn)題，影響了觀眾觀影感受，觀影時(shí)間稍長(zhǎng)眼睛很容易疲勞。

國(guó)際上基于LED的可直視顯示系統(tǒng)已經(jīng)有了快速發(fā)展，韓國(guó)三星公司陸續(xù)推出了寬度為10米、14米的Onyx Cinema LED系列產(chǎn)品，引起了全球注意。Onyx系統(tǒng)目前寬度最大可達(dá)14米，亮度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的投射式放映顯示系統(tǒng)，分辨率為4K，支持HDR，配合Onyx Sound還音系統(tǒng)給觀眾可以帶來(lái)較好的視聽(tīng)感受，并且通過(guò)了DCI相關(guān)認(rèn)證。國(guó)內(nèi)的LED各大廠家也不甘落后，紛紛開(kāi)始推出自己的微間距大尺寸可用于數(shù)字影院的顯示屏幕系統(tǒng)。例如:深圳市洲明科技有限公司的Unilumin UCA41產(chǎn)品已于今年通過(guò)了DCI認(rèn)證，成為國(guó)內(nèi)首款通過(guò)國(guó)際認(rèn)證的LED產(chǎn)品。LED顯示系統(tǒng)最大優(yōu)勢(shì)就是高亮度、高寬容度，由于亮度高其色彩還原度也更好。

三星Onyx系統(tǒng)與洲明Unilu min系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比如表2所示:

表2 三星和洲明LED產(chǎn)品參數(shù)對(duì)比

圖2 洲明UC－A41產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景

基于LED的可直視顯示系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)技術(shù)與傳統(tǒng)投射式放映系統(tǒng)相比，主要有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，第一:可從根本上解決傳統(tǒng)電影放映帶來(lái)的亮度不足問(wèn)題，通過(guò)提質(zhì)升級(jí)讓觀眾享受更好的觀影體驗(yàn)。第二:采用國(guó)產(chǎn)LED技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)“彎道超車(chē)”戰(zhàn)略。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)投射式專(zhuān)利上已經(jīng)被國(guó)外從上游進(jìn)行了控制，終端也為科視、巴可、NEC等投影機(jī)廠商所壟斷。只有通過(guò)正在快速發(fā)展的“LED彎道”，才能實(shí)現(xiàn)超越，使我國(guó)電影放映處于世界領(lǐng)先水平。同時(shí)我們還要解決LED屏幕大規(guī)模生產(chǎn)良品率、具備聲音穿透能力的LED屏幕等關(guān)鍵核心問(wèn)題，才能使國(guó)產(chǎn)LED選型產(chǎn)品真正落地于數(shù)字影院的大規(guī)模應(yīng)用推廣。

圖3 三星Onyx影廳

3 數(shù)字影院國(guó)產(chǎn)化技術(shù)框架

經(jīng)過(guò)上述章節(jié)的論述，AVS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)、國(guó)密算法和國(guó)產(chǎn)LED顯示系統(tǒng)經(jīng)過(guò)技術(shù)組合，可以成為一種更適合我國(guó)國(guó)情和安全要求的數(shù)字影院總體技術(shù)框架，如圖4所示。

圖4 數(shù)字影院國(guó)產(chǎn)化替代總體技術(shù)方案框架

該技術(shù)方案框架主要采用AVS2、SM1、SM2、SM3和LED顯示系統(tǒng)等具備國(guó)產(chǎn)化優(yōu)勢(shì)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)。圖像編碼部分為AVS2全I(xiàn)幀壓縮，內(nèi)容加密算法為SM1，密鑰再加密和摘要算法為SM2和SM3，鏈路加密算法為SM1，顯示系統(tǒng)為國(guó)產(chǎn)品牌LED顯示系統(tǒng)，封裝打包仍然采用MXF。

該技術(shù)方案框架具備一定優(yōu)勢(shì)，在絕大部分關(guān)鍵底層技術(shù)方面具有可管可控的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。采用國(guó)密算法可以獲得更自主可控的安全保障，采用LED顯示系統(tǒng)可以獲得亮度更高、寬容度更高、分辨率更高、色彩范圍更廣的觀影體驗(yàn)，采用AVS2全I(xiàn)幀壓縮可以獲得不低于JEPG 2000編碼的圖像質(zhì)量。

4 結(jié)論與展望

綜合以上數(shù)據(jù)分析和方案設(shè)想，數(shù)字影院技術(shù)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化是可行的，將帶來(lái)知識(shí)產(chǎn)權(quán)更可控、成本更可控、版權(quán)安全和文化安全更有保障等優(yōu)點(diǎn)。筆者希望本文能夠“拋磚引玉”，為業(yè)內(nèi)單位及人員在涉及相關(guān)研究和實(shí)際工作時(shí)，提供一定程度的參考和借鑒。