從4K超高清+5.1環繞聲到8K超高清+22.2三維聲
——國家大劇院舞臺紀錄電影的技術探索

仲 文

（國家大劇院，北京 100031）

從2016年起，國家大劇院開始探索在舞臺演出的基礎上打造數字音視頻藝術衍生品。經過7年的發展，從最開始的制作CD、DVD出版物過渡到以現場舞臺表演為題材的紀錄電影攝制及院線發行，再到現如今線下演出與線上直播同時展映。音視頻產品的畫質實現了從高清（HD）到4K/8K超高清（UHD）的跨越式發展，其8K超高清+22.2三維聲技術的成功應用成為行業的“先行者”與“探路人”。

筆者以國家大劇院“藝術放映廳”展映項目的發展為例，闡述舞臺紀錄電影從4K超高清+5.1環繞聲到8K超高清+22.2三維聲音視頻技術應用的發展性探索，以及展映標準的形成和示范應用。

1 國家大劇院4K制作及展映標準的形成

自2016年起，國家大劇院舞臺紀錄電影逐步淘汰了高清制作標準，并全面升級至4K超高清+5.1環繞立體聲的制作標準，特別是舞臺紀錄電影《長征》的攝制及展映使這一標準的應用趨于完善。

為了將史詩級的《長征》打造成高質量的精品舞臺紀錄電影，采用全流程的4K方案，即4K拍攝、4K制作、4K展映，制作流程及采用的標準如表1所示。在視頻制作上，拍攝記錄格式標準由4K/25幀提升為4K/50幀，采用8機位多角度錄制，圖像幀率的提升使得畫面更加清晰、飽滿和連貫，在經過剪輯調色、混錄等后期制作，使暗部層次得到改善。在音頻制作方面，國家大劇院與北京電影學院合作，對現場收錄的70多路聲音進行后期混音處理，最大程度還原現場樂隊的表現效果。在影片放映方面按照影片最終4K/50幀的標準放映，以4K/50幀+5.1環繞聲標準打包完成電影拷貝DCP (Digital Cinema Package)文件，文件大小約580 GB。當時院線放映的主流影片大多為4K制作、2K放映的方式。2019年，中影推出了采用4K、3D、高幀率、高動態、廣色域、沉浸聲等前沿技術的影院系統CINITY，并采用此標準放映了由李安導演執導的影片《比利林恩的中場戰事》，此高規格的DCP文件大小未超過350 GB。由于《長征》DCP文件的存儲容量比CINITY的翻了近一倍，幾乎找不到適合的放映環境。為此，國家大劇院升級了相關展映設備。服務器由GDC2000升級為GDC3000，硬盤系統也升級為企業級。新升級的服務器理論上可以播放4K/60幀格式，這個標準已經超過了《長征》4K/50幀的要求。經過多次音視頻穩定性測試，2017年7月1日成功以4K/50幀+5.1環繞聲的電影放映標準實現了既定的4K拍攝、4K制作、4K展映全流程4K計劃。

表1 國家大劇院舞臺紀錄電影的4K通用方案

以上這套拍攝、制作、放映方案除前期拍攝環節借助廣電系統信號制作設備外，整體拍攝和后期制作、展映環節均完全參照電影標準。因此，“藝術放映廳”項目成立之初是參考影院的設備設施架構標準，同時結合國家大劇院的場地基礎環境打造出了一套“劇院觀影”模式。這套展映標準達到了在20.32 m（800 in）的巨幕上以20 000 lm的高亮度呈現4K/50幀畫面，以及5.1環繞聲的效果。這一標準在2018年的電影放映市場也屬于較高的水準，在國內劇院及藝術機構的線下展映領域屬于“領跑者”。與此同時，國家大劇院打造出了一整套展映管理流程，涉及展映場地檔期確認、舞臺技術搭建、展映設備及人員管理、影片音視頻技術測試、展映流程確認、開票及宣傳、映前導賞、展映應急預案、票房及上座率統計、觀眾滿意度調查等方面。

2 國家大劇院舞臺紀錄電影8K制作及展映的技術性探索

國家大劇院在2018年聯合SMG（上海廣播電視臺）共同攝制了國內首部8K舞臺紀錄電影《這里的黎明靜悄悄》。該劇目采用了電影級8K拍攝制作標準。電影機相對于傳統電視訊道攝像機展現出了更高動態范圍和更廣色彩空間，同時帶來了更細膩的畫面和電影的空間景深感。雖然是8K拍攝，但這部影片首映播放的是4K版本，在很大程度上是受限于當時播放和展映技術瓶頸的制約。這也為國家大劇院創新8K展映模式提出了一個探索性的課題。

2.1 8K制作及展映技術路徑的初探

為了能將8K拍攝的影像最終以8K標準進行展映，國家大劇院做了大量理論性與實踐性相結合的探索工作。最初的“慣性思路”是繼續通過電影展映的方式進行4K到8K的升級。從這點出發，要解決8K影片的DCP打包制作，8K DCP文件的播放與放映。然而符合數字電影倡導組織（Digital Cinema Initiatives，簡稱：DCI）規范的電影打包技術和電影放映技術時至今日依舊只能滿足4K影片的播放及放映。DCI規范遠不是滿足一兩家放映機構的特殊需求那么簡單，而是為了滿足整個電影工業的升級需求。鑒于全球大多數主流影廳還處在從2K到4K的過渡階段，走通這條路的可能性微乎其微。走傳統電影升級之路，意味著要將8K影片分割成4個4K畫面分別對應左上、左下、右上、右下的影片內容并將其逐個打包成4個4K版DCP文件。為了播放這4個文件需要4臺服務器進行時鐘同步，最后需要用4臺4K電影放映設備分別將四部分內容拼接投射到同一塊熒幕的左上、左下、右上、右下組合為一幅畫面。尚且不論4臺機器的拼接融合技術難度和四畫面幀同步問題，僅就4臺各重達200 kg以上的電影放映機的架設就是一個難題，比這些技術難題更加困難的是通過DCI認證。

目前，DCI還沒有意愿去推動這樣一次技術革新，從芯片升級到DCI認證投影設備，在相當長的一段時間內都會在4K的基礎上做修補。因此，從技術落地層面上需要尋找新的途徑。工程投影和商用LED成為兩個可以備選的方向。雖然在2019年已經有拼接8K電視陸續問世，但其畫面尺寸并不能滿足近千人劇場同時觀影的規模。LED拼接技術雖然可以達到8K，但其價格及施工復雜程度對于需頻繁換景的劇場環境來說并不適合。2019年，在國家大劇院舉辦的一次特別的展覽“星球的脊梁——純凈星空生態中國視聽藝術展”帶來了新的呈現方式。為了呈現風光攝影師的超高分辨率的精美視覺作品，使用8K圖像抖動技術的投影引起了各界極高的關注度。這項技術的應用為8K大銀幕呈現提供了一種新思路，為此國家大劇院迅速展開相關課題的研究，并與臺達集團共同探索8K影像在舞臺紀錄電影展映展播方面的相關落地方案。

采用的8K投影機具有7 680×4 320分辨率，幀率最高可以到60幀，并且采用4路12G SDI輸入輸出接口，支持HLG高動態范圍曲線，色域兼容BT.709和BT.2020，如圖1所示。與此同時，BMD公司在2020年前后也推出了8K錄放一體機，如圖2所示，該設備支持8KProRes 422 以及8KProRes HQ 等視頻格式的錄制與播放，經過反復測試，目前階段受制于固態硬盤讀寫速度的限制，ProRes 422已經是8K展映穩定播放的最高碼流格式。但兩種文件格式都具備完整的多條音頻通道，BMD播放機支持3G-SDI輸出音頻信號，這就為8K展映中多通道音頻輸出提供了先決條件。當時行業內的8K播放器設備已經可以初步滿足8K視頻的播放輸出條件。只是受制于SSD硬盤讀取速率，超過500 MB/s的文件格式在非服務器級別硬盤播放器上會出現卡頓的現象，過于低的碼率又不足以支撐8K的分辨率。一部舞臺紀錄電影的時長一般都在2小時之上。在保證畫面不明顯降低質量的前提下，采用ProRes 422格式制作的8K視頻播放文件，文件大小在2.5 TB到3 TB之間，這已經達到了高速SSD 4T最大容量的極限，超過4 TB的文件就只能分成兩塊硬盤存儲；另一種方案是從服務器解碼輸出信號。綜合考量下來，SSD硬盤播放器更具性價比和移動便捷性的優勢。2020年下半年，針對于劇場環境實現三維立體聲音效果的研發也有了新的進展。劇場環境下實現接近360沉浸聲效果的擴聲，并開始了小范圍的測試。

圖1 8K數字投影機

圖2 數字硬盤播放器

這些技術的突破為國家大劇院舞臺紀錄電影8K制作及展映的實現奠定了基礎。2021年伊始，由吳氏策劃引進日本NHK公司提供的修復版二十世紀八十年代大師級的音樂會視頻素材本身帶有混錄好的5.1和7.1音頻信號，同時片方會給予22.2分軌音頻文件。為了能將素材文件調整到可播放的標準，國家大劇院影視節目制作部通過多次對比測試，最終形成了2套較為可行的技術方案，如圖3、圖4所示，并完成所有展映文件的打包制作、拷貝及播放硬盤的制作與籌備。在8K分辨率下實現高亮度、高幀率和7.1環繞聲或22.2三維聲的擴聲效果。

圖3 8K+7.1/22.2大師音樂會音視頻技術方案

圖4 8K+7.1/22.2音頻視頻播放系統連接測試現場

2.2 8K超高清+7.1環繞聲

對于8K片源的制作，視頻文件格式為8K/60幀 ProRes 422 mov，并加嵌8路音頻信號。對于視頻播放，由視頻播放器（數字硬盤播放器）負責8K視頻文件的播放，8K投影機+20.32 m（800 in）PVC電影透聲幕負責畫面呈現；音頻信號的獲取，是由視頻播放器通過1路SDI接口傳輸到音頻解嵌設備，經解嵌后8路音頻經調音臺輸入數字音頻工作站進行音頻信號處理，再由功率放大器將放大后的信號輸出給各點位揚聲器。

2021年4月17日和4月19日，在國家大劇院歌劇院舉辦了“藝術放映廳”8K舞臺藝術影像展映活動，利用該系統面對行業專家、媒體及公眾放映了2場由日本NHK制作的8K修復版“大師”音樂會影像。利用這次影像展映機會，國家大劇院經過前期大量的測試和論證，最終實現了整體鏈路的測試。2021年5月28日和29日，在國家大劇院臺湖舞美藝術中心，實現了8K修復版音樂會的8K+7.1環繞聲技術的展映，并在此期間進行了8K+22.2三維聲的技術測試及整體鏈路測通和展映實踐工作。

2.3 8K超高清+22.2三維聲

NHK 22.2三維聲標準采用三層揚聲器布置，配置上層9聲道、中層10聲道、下層3聲道三層的揚聲器，以及下層雙聲道低頻效果（LFE）揚聲器，并且規范了三個層揚聲器的安放位置與角度可逼真地前還原前后左右上下各方向的聲音。由于現階段數字硬盤播放設備最多支持16路音頻錄制和回放，因此單機數字硬盤播放器無法支持22或24路音頻播放。國家大劇院采取將8K超高清視頻與24路音頻各自獨立播放，并通過視頻播放器的LTC時間碼進行同步的方案，實現8K超高清+22.2三維聲的效果。

該方案的重中之重就是解決音頻和畫面的同步問題。經過反復測試，目前階段無法用音頻工作站作為主時鐘來驅動視頻播放，只能以視頻播放器內的時鐘作為主時鐘，音頻工作站通過播放軟件接收視頻播放器發送的LTC時間碼信號，并由此觸發24路音軌播放。雖然視頻播放器內的時鐘校驗機制與音頻工作站播放軟件內時鐘校驗機制存在差異，但BMD數字錄放一體機帶有卡儂口，這就為呈現22.2路音頻給予了一定的測試基礎，采用音頻解碼器、L-ISA系統并進行了多次反復測試，采取由Raper軟件鏈接 L-ISA系統，再通過卡儂口同步time-code到BMD數字錄放一體機，最終實現在BMD錄放機上播放視頻同時同步22.2路音頻文件的播放的方式。通過音頻工作站安裝的Raper軟件接收并觸發所有音頻文件先在本地播放，由調音臺控制每一路聲音的輸出音量大小，通過L-ISA系統三維聲音響系統空間定位，如圖5所示，再將22.2路音頻通過網絡交換機和網線的方式進行音頻流傳輸，最終實現22.2路沉浸式擴聲效果。由于音頻工作站內的Raper播放軟件目前僅支持識別8K/25P的視頻發送的LTC時間碼，如果選擇其他高幀率文件格式會出現音頻工作站可以檢測到時間碼信號但無法識別的情況。兩者之間處于同步、非同步頻繁斷開的狀態。為了減輕數字音頻工作站的負載并保證其播放穩定性，24路多軌音頻的動態比例調整為由音頻處理系統負責。經過處理后的三維聲信號由功率放大器將放大后的信號輸出給各個點位的揚聲器，如圖6所示。利用這次影像展映機會，國家大劇院驗證了前期大量的論證和整體鏈路的測試。盡管幀率的下降對于畫質有輕微的損失，但8K+22.2路三維聲所呈現出來的現場效果仍然讓觀眾有“大師再現”的感覺。如圖7所示。

圖5 I-LISA三維聲音頻處理系統

圖6 22.2聲道揚聲器布置

圖7 日本NHK大師音樂會放映現場

由此國家大劇院在探索劇場環境下展映舞臺紀錄電影的的技術標準從4K提升至8K，并初步完成了全流程鏈路打通。

3 思考與探索方向

針對8K+22.2三維聲技術，目前仍有兩方面的不足。

1）由于目前8K的記錄存儲設備在音頻記錄方面的不足，以至于單一錄機無法記錄滿24路音軌，由此帶來了22.2路音視頻文件的分開播放并同步的問題。因此，目前以音畫分開獨立播放并同步的方式作為暫時解決方案，未來終將被音頻加嵌后解嵌的方式所取代。

2）22.2路三維聲的制作與展映目前來看尚未形成行業標準，特別是針對于音樂會、歌劇和舞劇這樣有樂隊參與的演出項目，聲音的混錄一定要在接近劇場真實聲學環境條件下進行制作，盡最大可能還原出符合劇場空間展映的22.2路音頻效果，僅靠現場音頻工作站去處理、分配22.2 路音頻信號并平衡三維聲效果將是一個巨大的工程。因此，國家大劇院將繼續同行業內相關專家、企業在標準制定方面進行不斷的探索，同時通過“藝術放映廳”這一品牌項目實現從技術探索到應用落地的轉化過程。

4 結語

經過7年的發展，國家大劇院舞臺紀錄電影常態化展映已在國內劇院及藝術機構當中起到了引領、示范的作用，制作與展映技術從高清跨越式發展到4K/8K超高清，特別是8K+22.2三維聲技術的實踐應用具有里程碑式的發展意義，使影視與表演深度融合，積極探索打造藝術+科技的新陣地。

筆者作為項目組成員親身經歷了這一發展過程，深感從新技術的突破到系統解決方案、實踐應用之間存在著諸多困難與挑戰。一方面需要相關企業與技術人員通力合作攻堅克難，另一方面需要有計劃和成系統的統籌協調，高效組織各階段論證及測試環節，從易到難的遞進式過程。

國家大劇院長期堅持“人民性、藝術性、國際性”標準，為廣大觀眾源源不斷地提供國內外優質舞臺藝術影像作品。高格式舞臺紀錄電影的技術探索和應用不僅收獲了固定的欣賞群體，也為首都惠民文化活動貢獻了綿薄之力。