《现代电影技术》｜董强国等：数字电影LED高新技术格式内容制作和还原技术解析与实现方法探讨

本文刊发于《现代电影技术》2025年第7期

专家点评

数字电影投影式放映机自2010年开始在全球影院大规模部署后，因其15年使用寿命限制即将迎来替换潮。同时，观众对观影体验的需求已从“看得到”升级为“看得好”，图像高分辨率（HR）、高动态范围（HDR）、高帧率（HFR）、广色域（WCG）、沉浸式音频（IA）等成为核心需求。LED电影放映系统凭借自发光特性，在色彩、对比度、画面层次的表现均显著优于传统投影式放映机，同时具有节能环保、寿命长等优势，这些优势推动LED 技术在电影领域加速渗透发展，成为支撑产业向高新技术格式、高质量升级的关键力量。论文《数字电影LED高新技术格式内容制作和还原技术解析与实现方法探讨》系统分析了HDR、高帧率、高分辨率、沉浸声等技术的底层逻辑，对比了不同HDR标准及放映系统特点，为行业提供了技术框架和落地案例，并形成“技术—研发—应用”闭环，为数字电影从常规技术格式向高新技术格式转型升级提供范本，对推动我国电影技术自主创新意义重大。世界超高清视频产业联盟（UWA）主导的HDR Vivid和Audio Vivid标准已在多个领域得到广泛应用，现正向电影领域拓展延伸。中国电影科学技术研究所牵头组建UWA电影工作组，聚焦LED影院技术标准及生态建设。该论文与联盟方向高度契合，为LED电影放映技术的规范化发展与应用提供有力支撑，将积极助力我国电影技术自主创新和全球超高清产业生态构建。

—— 张文刚

世界超高清视频产业联盟（UWA）秘书长

作 者 简 介

董强国

中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）检测认证北方中心副主任，主要研究方向：电影技术。

中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）党委书记、所长，主要研究方向：电影技术。

龚 波

李虹珊

中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）检测认证南方中心高级工程师，主要研究方向：电影技术。

中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）检测认证北方中心工程师，主要研究方向：电影技术。

王薇娜

常婉晴

中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）检测认证南方中心干部，主要研究方向：电影技术。

摘要

本文首先对数字电影放映技术发展趋势进行分析，结合LED电影放映系统的特点，对相关技术规范进行解读，探讨针对LED的高新技术格式内容制作和还原技术难点，提出一种专供LED电影放映系统的高新技术格式内容制作和还原技术，并研发出一套专供LED高新技术格式内容制作和还原的系统，该技术旨在提高LED电影放映系统的音视频质量和观影体验，为国产LED电影放映技术的发展提供有力支撑。

关键词

高动态范围；高帧率；智能升帧；高码率；沉浸式音频

1引言

近几年我国电影放映技术发展迅速，正经历光源从氙灯到激光、分辨率从2K到4K、声音制式从基于通道到基于对象、动态范围从标准动态范围（SDR）到高动态范围（HDR）、放映机类型[1]从投影显示到LED直显的变革，数字电影放映技术正逐步迈向高新技术格式的发展阶段。LED具有高亮度、高对比度、亮度色度均匀性好、抗光干扰性强、适用场景更广泛等技术优势，一经推出便得到市场广泛关注和认可，随着LED技术发展和成本降低，其将成为下一代以HDR、高帧率（HFR）、高分辨率（HR）、沉浸式音频（IA）、高码率（HBR）等为核心特征的高新放映技术格式的最佳载体。

我国在LED电影放映领域已实现重大突破。继2021年中国电影科学技术研究所（中央宣传部电影技术质量检测所）（以下简称“中国电影科研所”）与深圳市洲明科技股份有限公司（以下简称“洲明科技”）联合研发的首个国产LED电影放映系统通过数字电影倡导组织（DCI[2]）认证后，深圳市时代华影科技股份有限公司、中影光峰激光影院技术（北京）有限公司、利亚德光电股份有限公司等厂家相继推出了自研的国产LED电影放映系统。同时为彻底解决LED影厅主声道声像不一致的问题，2024年中国电影科研所联合洲明科技实现全球首块国产LED透声屏电影放映系统通过DCI认证。迄今我国已有18家制造商生产的45个型号产品通过DCI认证，国内LED影厅安装数量超过150个，已成为拥有LED电影放映系统制造厂家和放映影厅数量最多的国家。

近日，国家电影局发布《关于发展和规范数字电影LED（发光二极管）影厅的通知》，明确指出LED电影放映系统是电影放映技术的重大变革，是中国电影工业提质升级、实现高质量发展、推动实现电影强国目标的重要科技创新，同时对LED影厅的建设、运营和管理、产业扶持、保障放映质量[3]等方面提出了具体的要求和指导建议。随着LED电影放映技术的不断进步和市场的规模化发展，LED电影放映系统正逐渐成为行业的主流趋势。

LED电影放映系统在高新技术格式放映领域的技术优势，可为观众带来更加逼真、震撼、多样的沉浸式观影体验。随着LED影厅数量的增多，当前传统的SDR制作方式已经难以满足观众对高新技术格式内容制作和还原技术的需求。因此，如何基于LED的放映技术优势，研发出一套能够满足高质量制作和放映需求的高新技术格式内容制作和还原的技术方案，已成为当前数字电影技术研究的重要课题。本文基于这一背景，对数字电影LED高新技术格式内容制作和还原技术进行了深入分析和研究，旨在为国产LED电影放映技术的发展提供有力支撑。

2数字电影高新技术格式技术解析

数字电影高新技术格式是指HDR、HFR、HR、高码率、沉浸式音频等技术。本章节重点对高新技术格式技术的特点进行分析，为下一步实现高新技术格式内容制作与还原提供理论基础。

2.1 高动态范围（HDR）技术提高了影像宽容度分辨率，提升视觉质感和深度

HDR既涉及成像，也涉及显示，在成像端使用光电转换（OETF）曲线实现图像的摄制，在显示端使用电光转换（EOTF）曲线实现从极暗到极亮的视觉效果，以更真实地还原人眼所见的亮度层次和色彩范围。HDR技术的核心在于追求更广的亮度范围、更高的对比度、更丰富的色彩层次、更高的色深。当前常见的HDR格式有HDR10、Dolby Vision、HDR10+、HLG、HDR Vivid、DCI HDR。

（1）HDR10是一种开放格式，其基于感知量化器 (Perceptual Quantizer, PQ)的电光转换函数（EOTF），使用静态元数据，是应用最广泛的HDR基础格式，多数HDR显示设备均兼容HDR10。

（2）Dolby Vision是杜比实验室开发的HDR格式，同样基于PQ电光转换函数，使用动态元数据逐帧优化技术，可实时动态色调映射，多应用在使用杜比技术制作的电影、电视端显示系统中。

（3）HDR10+由三星、松下、20世纪福克斯（现属迪士尼）等公司推动，基于PQ电光转换函数和动态元数据逐场景优化技术，目前免版税，多用于网络流媒体。

（4）HLG由英国广播公司（BBC）和日本广播协会（NHK）联合开发，使用HLG电光转换函数，兼容性强，无元数据，可在SDR显示设备上播放，且可呈现出类似HDR效果。

（5）HDR Vivid是世界超高清视频产业联盟（UWA）主导制定的HDR国产标准，其基于PQ电光转换函数和动态元数据逐帧优化技术。

（6）DCI HDR是根据现有数字电影高亮度和高对比度放映设备的技术特点，基于PQ 电光转换函数，针对高端数字电影放映系统制定的技术规范。

上述格式在光电转换/电光转换特性、色深、色彩空间、元数据类型等方面的主要技术特点如表1所示。在数字电影LED高新技术格式内容制作中，HDR技术的实现依赖于前期拍摄或后期制作技术，在放映过程中需LED电影放映系统支持HDR内容的还原。

表1　HDR格式技术特点对比

2.2 高帧率（HFR）技术提高了影像的时间分辨率，为观众提供更为真实和连贯的观影体验

HFR技术是指数字电影制作和放映过程中，每秒播放画面的帧数高于传统24帧的播放速率。该技术主要用于解决影片播放过程中产生的运动模糊、3D闪烁、LED刷新频闪等问题。HFR可显著提升画面的流畅度、减少动态模糊，为观众提供更为真实和连贯的观影体验。当前我国数字电影放映系统主要包括传统投影式放映系统、Dolby Cinema电影放映系统、中影CINITY电影放映系统、IMAX电影放映系统、LED电影放映系统。传统投影式放映系统以24 FPS的帧速率为主；Dolby Cinema和中影CINITY电影放映系统最高可支持120 FPS；IMAX电影放映系统最高可支持48 FPS；LED电影放映系统多数能够支持48 FPS，少数可支持96 FPS和120 FPS，具体技术规格见表2。在数字电影LED高新技术格式内容制作中，HFR技术的实现依赖于前期拍摄或后期采用人工智能（AI）升帧制作技术，放映过程则需LED电影放映系统支持HFR内容的还原。

表2　各系统帧速率技术特点对比

2.3 高分辨率（HR）技术提升画面细节和锐度

HR是指数字电影制作和放映过程中，影片画面空间分辨率大于2048×1080的显示技术。数字电影HR主要有两种规格，一种为4096×2160（4K）像素，另一种为8192×4320（8K）像素。HR技术可显著提升画面的清晰度和细节表现力，使观众在观影过程中能更清晰地看到影片中的每一个细节，增强观影沉浸感和真实感。在数字电影LED高新技术格式内容制作中，HR技术的实现需要依赖于先进的拍摄设备或后期AI超分辨率制作技术；在放映过程中，LED电影放映系统应支持HR放映，以呈现出HR影片的最佳效果。

2.4 高码率技术提升影像画质

高码率技术是指数字电影在制作和传输过程中采用较高的数据速率，从而保证影片声画质量。高码率是确保HR、HDR、HFR呈现的基础，分辨率越高，像素信息则越多，相应需要更高的码率来有效承载这些信息，避免压缩伪影的产生。HDR扩展了数字电影图像的亮度和色彩空间，记录更多的明暗和色彩细节需要远超SDR的数据量。HFR为观众带来更为逼真流畅的画面，特别是在运动场景或快速摇臂镜头时，而帧率的提升需要高码率为其提供必要的数据带宽。在数字电影LED高新技术格式内容制作中，高码率技术的实现依赖于高效的编码技术和传输协议，以确保影片在制作、传输和放映过程中能够保持高质量的声画效果。LED电影放映系统需具备足够的解码能力和数据处理能力，以支持高码率影片的放映。

2.5 沉浸式音频技术实现影厅环境下的沉浸声还原

沉浸式音频技术是一种基于声床（Bed）+音频对象+元数据的音频处理技术。一部完整的沉浸声影片呈现在观众面前，至少经历制作、发行和放映三个环节。首先，需要通过沉浸式音频制作工具对提供的声音素材进行混录制作。然后，将沉浸式音频混录内容编码成符合美国电影电视工程师协会（Society of Motion Picture and Television Engineers, SMPTE） ST 2098-2码流规范的沉浸式音频码流（IAB），并依据SMPTE规定的打包规范进行封装[4,5]，形成沉浸式音频发行数字电影数据包（DCP）。最后，使用支持IAB播放的集成媒体模块（IMB）进行播放，通过沉浸式音频处理器对IAB码流进行解封装、解码，并最终渲染到相应的扬声器系统中，实现影厅环境下的沉浸声还原[6]。

3数字电影高新技术格式内容制作与还原实现技术要求和难点分析

为确保数字电影高新技术格式内容制作和还原技术[7]的全球通用性和技术合理性，需遵循全球统一的技术规范体系[8,9]。通过对高新技术格式技术、打包和LED电影放映技术的广泛调研，我们对数字电影高新技术格式内容制作和还原的亮度、色度、分辨率、光电转换/电光转换特性、码率、沉浸式音频[10]等技术指标进行了规定，为下一步的系统研发实现提供技术参考，具体技术要求见表3。

表3　数字电影高新技术格式制作和还原主要指标技术要求

当前数字电影影片拍摄环节多数采用的传统的技术格式（相关技术特点见表4），原生高新技术格式内容匮乏，给数字电影LED高新技术格式内容的供给带来诸多挑战。在影片内容暂未按照高新技术格式技术要求拍摄的情况下，如何实现高格内容的制作已成为亟待解决的问题。具体而言：（1）如何将图像分辨率从2048×1080提升到4096×2160；（2）如何将帧速率从24 FPS提升到48 FPS；（3）如何将SDR（亮度、光电转换/电光转换特性、色彩还原等）映射到HDR；（4）如何制作、发行和还原国产沉浸式音频内容；（5）在放映过程中，如何确保LED电影放映系统能够准确还原高新技术格式内容的各项技术指标，包括亮度、色彩还原、明暗对比度、帧速率、沉浸式音频等。

表4　传统数字电影制作和还原主要指标技术要求

数字电影LED高新技术格式内容制作和还原技术存在多个急需解决的技术难点。因此，满足高新技术格式内容制作与还原的技术要求，并有效攻克上述难点，是推动LED电影放映技术在高新技术格式领域深化应用、提升观众体验的核心任务。

4数字电影高新技术格式内容制作和还原核心技术实现

随着深度学习（DL）和人工智能技术的飞速发展，为高新技术格式内容的制作提供了有效的技术手段。中国电影科研所聚焦深度学习在超分辨率领域、人工智能在升帧领域的垂直应用，联合深圳市瑞云科技股份有限公司研发了一套电影级超分辨率工具，可实现图像分辨率从2048×1080（2K）转换为4096×2160（4K）；研发出一套电影级AI升帧工具，能实现图像帧速率从24 FPS提升至48 FPS。此外，中国电影科研所还联合华夏电影发行有限责任公司（以下简称“华夏发行”）共同搭建了一套LED内容制作和监看系统，一套国产沉浸式音频制作、编码和还原系统，实现了数字电影LED高新技术格式内容的制作与还原。

4.1 数字电影图像超分辨率工具的技术实现

数字电影图像超分辨率算法是一种利用低分辨率图像中的信息，预估和推测原有图像丢失细节，重构出高分辨率图像的技术。常见的图像超分辨率算法包括插值算法、基于边缘的算法、基于统计的算法、基于深度学习的算法等四类。

中国电影科研所主导研发的数字电影图像超分辨率工具应用了基于Transformer架构的图像生成网络，融合内容感知增强模块与残差反馈机制，提取图像特征、预估图像运动状态，并对细节纹理进行增强重建。通过输入大量数字电影图像进行训练，学习低分辨率图像到高分辨率图像的复杂映射关系，从而实现高质量的超分辨率重构，成功将低分辨率图像提升为高分辨率图像。该技术支持输入2048×1080分辨率的TIFF格式电影级图像，通过神经网络模型进行推理计算，输出4096×2160的高分辨率图像，该工具的技术路线如图1所示，通过该工具超分辨率前后的效果对比如图2所示。通过深度学习优化，该超分辨率工具在细节还原和色彩保真方面具有较好表现，显著提升了图像细节和清晰度，为观众带来更为细腻、逼真的视觉体验。

图1　数字电影超分辨率工具技术路线

图2　数字电影AI超分辨率效果对比

4.2 数字电影AI升帧工具的技术实现

数字电影AI升帧技术是利用人工智能算法，通过深度神经网络（DNN）从大量视频中学习复杂运动模式，捕捉非线性运动，识别遮挡与低纹理区域，保留图像细节，从而生成中间帧的技术。常见的升帧算法包括光流算法、深度感知视频帧插值（Depth⁃Aware Video Frame Interpolation, DAIN）算法、实时中间流估计（Real⁃Time Intermediate Flow Estimation, RIFE）算法、MedioIIO等，各AI升帧算法应用于快速运动视频的效果如图3所示。

图3　AI插帧算法效果对比

中国电影科研所主导研制的数字电影AI升帧工具基于RIFE算法核心框架，结合双向光流估计和帧间注意力机制，进一步增强运动理解与区域显著性建模能力，通过对涵盖多种场景和主题类型的大量电影帧序列进行海量训练，智能分析图像帧序列，在原始帧之间创造出视觉上连贯的高质量中间帧，实现24 FPS电影素材生成48 FPS的HFR电影内容，该工具技术路线如图4所示。通过该技术，电影画面流畅度大幅提升，动态场景更为平滑，有效减少了动态模糊与撕裂现象，为观众带来更极致的观影体验。

图4　数字电影AI升帧工具技术路线

4.3 数字电影高动态范围（HDR）转化工具的技术实现

数字电影HDR转化技术是指将SDR电影内容，通过亮度、色度映射和细节增强技术，转化为HDR电影内容，以整体提升电影内容的亮度、明暗对比度和色彩饱和度。

中国电影科研所聚焦SDR与HDR之间的亮度和色彩映射关系，通过色调映射和细节增强算法，转化过程中保留更多明暗细节，从而增强图像层次感和对比度。在动态范围的映射方面，涉及亮度、光电转换/电光转换特性和色彩还原等多方面的调整和优化，在专业调色软件中嵌入用于编码转换的颜色查找表（LUT）和细节增强算法，以确保SDR内容能够映射为色彩更加丰富、画面更加逼真的HDR内容，并能在LED电影放映系统上准确还原。针对映射效果不理想的画面可使用专业调色系统进行精细化调整，力图为观众呈现出更加细腻真实的画面效果。HDR转化实现技术路线如图5所示，HDR转化效果如图6所示。

图5　HDR转化技术路线

图6　HDR转化效果对比

4.4 数字电影LED高新技术格式图像制作和还原系统的技术实现

数字电影LED高新技术格式图像制作和还原技术涉及传统影片内容向HFR、HR和HDR的转换技术，以及LED电影放映系统涉及的高新技术格式影片还原技术。

在制作端，利用图像超分辨率、升帧和HDR转化技术，中国电影科研所联合华夏发行搭建了数字电影LED高新技术格式图像制作系统，能够实现2048×1080（2K）分辨率向4096×2160 （4K）高分辨率转换、24 FPS内容向48 FPS HFR内容转换、SDR格式向HDR格式转换；在LED电影放映系统的视频处理器（IB）中嵌入兼容DCI HDR规范的电光转换函数曲线和高新技术格式影片播放技术，实现数字电影高新技术格式影片内容的监看和还原。在DCI HDR模式下实现了XYZ编码、12 bit色彩深度、48 FPS、500 Mbps的HDR影片内容的播放和还原，数字电影LED高新技术格式图像制作和还原系统架构如图7所示，技术实现路线如图8所示。

图7　数字电影LED高新技术格式图像制作和还原系统架构

图8　数字电影LED高新技术格式图像制作和还原技术实现路线

4.5 数字电影沉浸式音频制作、编码和还原技术实现

数字电影沉浸式音频技术包含沉浸式音频制作、编码和封装、沉浸式音频还原技术。沉浸式音频制作技术主要用于基于声床+对象[13]+元数据的沉浸式音频内容的制作和监听；沉浸式音频编码和封装技术主要用于对沉浸式音频文件的编码和素材交换格式（MXF）封装[14]；沉浸式音频还原技术主要用于沉浸式音频文件的播放、传输、解码和渲染。

自2018年起，中国电影科研所便开始相关技术的研究工作，在遵循SMPTE有关沉浸式音频规则的基础上[15—17]，基于主流Protools音频制作平台，完成沉浸式音频元数据制作插件和渲染工具的研发[18]；基于ST 2098-2沉浸式音频码流相关规范，完成沉浸式音频文件的编码和MXF封装，数字电影沉浸式音频制作、编码和DCP封装工具技术实现路线如图9所示；基于SMPTE ST 429-14[19]数字同步信号和辅助数据传输协议，完成沉浸式音频处理系统的研发工作，技术实现路线如图10所示。

图9　数字电影沉浸式音频制作、编码和DCP封装工具研发技术实现路线

图10　数字电影沉浸式音频还原技术路线

5结语

随着数字电影LED放映技术的快速发展，其高分辨、高亮度、高对比度、亮度色度均匀性好等技术优势，为高新技术格式影片进入影院提供了最佳的技术载体[20]。当前绝大多数影片的拍摄、制作和放映手段均以传统常规技术格式为主，在遵循全球统一数字电影技术规范的基础上，如何实现高新技术格式内容的制作和还原是电影行业面临的关键技术挑战。

通过持续的技术创新和标准化流程优化，中国电影科研所已成功突破多项技术瓶颈，利用先进的深度学习和人工智能技术，完成电影级图像超分辨率工具、AI升帧工具、HDR转化工具、沉浸式音频制作工具的研发，可用于传统影片向高新技术格式影片的转换。联合华夏发行搭建的数字电影LED高新技术格式内容制版实验室，已制作《封神2》《蛟龙行动》等多部院线影片的LED高新技术格式行业版本，为30多个LED影厅提供了上百次LED高新技术格式内容服务，成功实现了LED高新技术格式影片从制作到放映的全流程技术贯通，为电影行业的技术革新奠定了坚实基础。未来，中国电影科研所将继续深化相关研究，推动高新技术格式电影技术的普及与应用。

参考文献

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