珍貴電影檔案搶救性數字修復平臺研究*

吳　兵丁友東（.上海大學上海電影學院，上海，0007；.泰山學院文學與傳媒學院，山東泰安，7000）

珍貴電影檔案搶救性數字修復平臺研究*

吳兵1丁友東2
（1.上海大學上海電影學院，上海，200072；2.泰山學院文學與傳媒學院，山東泰安，271000）

電影檔案是利用攝像設備將影像記錄在膠片、錄像帶等存儲介質上的檔案。目前許多珍貴電影檔案正面臨無法讀取的危險，亟待搶救。文章介紹了我國電影檔案的保存現狀，提出了電影檔案的搶救策略，構建了電影檔案搶救平臺和搶救流程，為規范化、規模化搶救電影檔案提供了技術保障方面的參考。

電影檔案膠片數字化保存檔案修復

電檔案是利用攝錄像設備將影像記錄在膠片等載體上的檔案，它記錄著人類社會的發展和變遷。中國的電影檔案從誕生距今已有上百年，在這百年文化積淀中，保留下來的許多彌足寶貴的影像資料，記錄了歷史的變遷、人民的智慧和藝術的結晶，傳承了一個民族的文明和歷史，具有很高的歷史文化和教育價值。

目前我國電影檔案主要以膠片形式存儲，由于膠片介質極易損毀，這些檔案正處于瀕臨消亡的危險境地，亟待搶救。上海大學與上海電影技術廠聯合承擔上海市科學技術委員會科研計劃項目《中國珍貴歷史影像資料搶救性數字修復平臺》（項目編號：14511108400）對電影檔案的數字化修復開展了卓有成效的研究，提出電影檔案數字化修復的流程和策略，成功搭建電影檔案數字化修復平臺，實現了對電影檔案的自動化、規模化搶救。

1　我國電影檔案保存現狀

我國的電影檔案主要保存在各類檔案館、圖書館以及部分影視制作部門，保存的形式以膠片為主。膠片材料的保存十分不易，對室內溫濕度要求特別高，依據柯達公司標準，理想的保存溫度是在零下10℃到零下20℃之間，室內濕度應維持在35%到45%［1］。國內的保存機構很難達到這樣的保存要求，即便是被譽為中國電影“國庫”的中國電影資料館也只能將溫度控制在10℃左右，其他機構的保存條件則更不理想。

因為年代久遠加上倉庫保存條件惡劣等因素而導致膠片損傷。例如，膠片由于氧化會產生影像的褪色閃爍；片基材料受到腐蝕產生變形、粘連；潮濕的環境會使霉菌繁殖造成感光層脫落。除去環境因素，當這些膠片再次利用時，在播放、轉印過程中同樣存在著灰塵臟點、摩擦劃痕、畫面閃爍、臟點增多、顏色退化等危險。據中國電影資料館統計，從1905年到1949年，全國共拍攝了1625部電影，而館內只保存了252部電影影片。同時館內還保存著從1922年至今的3萬多部國產電影和60多萬部拷貝素材［2-4］。很多珍貴影片都難以避免地出現了霉斑、污染、褪色、斷裂甚至丟幀等損傷。

2　電影檔案數字化修復的優勢

電影膠片的保存修復工作從電影誕生起就開始了，然而傳統的人工進行物理或化學修復的效果非常有限，只能對小的臟點、劃痕等損傷進行簡單修復，對于大多數稍微復雜的損傷就無能為力，而且人工手動修復過程中極易對膠片產生二次傷害，不能實現修復和保護膠片的目的［5］。

二十世紀九十年代以來，人們逐漸步入數字時代，社會生活的各個方面都在進行數字變革。數字修復技術應用于膠片保存和修復有著以下無可比擬的優勢：

2.1安全存儲

雖然還沒有一種永久性保護電影底片的方法，但將膠片的模擬信號進行數字化存儲，可以很好地解決膠片的蛻化、變質等問題，而且對于存儲環境要求不高，極大地節省了存儲場地和設備。

2.2高效修復

膠片影像都難以避免地出現了霉斑、污染、褪色、斷裂甚至丟幀等損傷。將電影轉換成數字信號后，可以利用高性能影片修復軟件對這些損傷進行修復，達到傳統方法無法完成的修復效果，而且運用自動程序算法，可以顯著提升工作效率。

2.3方便獲取

電影檔案的方便獲取對電影保護工作至關重要，只有通過放映和觀看才能增強公眾對電影檔案重要性的認識，提高影像的知名度，并能獲得更多資金支持。數字化資源可以非常方便地利用互聯網絡進行傳播和獲取，對電影檔案保護工作無疑是很大的促進。

3　電影檔案搶救與保護策略

為了安全保存和有效利用電影檔案，在查閱國際影片檔案聯合會和國際電工委員會制定的關于視聽覺檔案保護的原則、策略、規范、指導方針等基礎上，本文結合目前國內檔案保存實際，提出如下策略：

3.1安全存儲影像檔案數據

存儲視頻的規格為分辨率1920×1080，10bit，YUV4：2：2或RGB4：4：4，幀 速 24fps，保 存 為SMPTE標準的DPX格式圖像數據文件，數據存儲使用大容量磁盤陣列（RAID）；至少生成兩份數字副本并異地存儲；定期檢查數據完整性；確保在存儲介質、文件格式或播放設備淘汰前將影像信息轉移到新的介質或系統中。

3.2保留電影檔案的原貌

按照“修舊如舊”的原則，在膠片檔案轉錄成數字內容時，應避免原畫面受到任何人為加工或“改善”處理；完整轉錄檔案中的所有信息，包含電影檔案中保留的同時代的畫面色彩與風格。

3.3妥善保管原始載體和設備

盡管電影檔案載體的壽命不能無限期延伸，但膠片在理論上可以保存上千年，應盡力維護其原始性狀；即便已經將影片信息轉換、遷移，仍應該確保原始載體與播放系統免受損壞。

3.4準確記錄檔案保存性元數據

對電影檔案進行數字化時，應準確記錄和保存檔案元數據。作為保存和管理電影檔案的重要依據，保存性元數據應包括如下完整內容：原始載體的類型、格式以及保存狀況；原始影片的錄放設備及參數；文件格式信息、采樣參數以及采樣設備；參與過程的操作者；數字化時間；校驗——通過數字簽名檢驗文件真實性；從屬信息來源的詳細介紹等。

3.5多渠道合作籌措資金

電影檔案的修復耗資巨大，但回報甚少。作為電影本身來講，只有被人們看到才能顯現它的價值。應通過公益與商業相結合的方式收回成本。此外，也可以開發關于影片的衍生產品，如出售DVD、制作圖書或是周邊紀念品等。要想獲得進一步發展，就必須盡可能多地集合社會力量。

4　電影檔案數字化修復平臺構建

4.1系統功能框架

簡單地講，電影檔案數字修復是把膠片存儲的模擬信號展開并數字化轉碼、維修、合成及輸出的工作。根據電影檔案搶救保護的策略，結合電影檔案固有的特點，數字修復的系統框架可以用圖1表示。

圖1　電影檔案數字修復系統框架圖

膠片獲取模塊是指進行數字修復之前要處理的部分，首先需要對膠片進行人工檢測和物理修復，然后通過膠轉磁或者高清掃描儀把模擬信號轉化成數字信號。此階段的目的是獲得數字格式的視頻信號，為數字化修復提供原材料。

在數字修復之前，需加入一個預處理工作，叫作膠片準備模塊。該階段的工作是把數字視頻信號讀取成單幀的數字圖像，同時初步判斷圖像序列中損壞類型，簡單分析損壞狀態，為下一步損傷檢測和損傷修復階段提供初始數據。

經過前期工作后，就進入真正的數字修復模塊，一般包括損傷檢測、損傷確認以及損傷去除三個子模塊。此模塊也是本項目研究的核心部分，數字修復即對膠片檔案出現的閃爍、斑塊、劃痕、噪聲、抖動等五類損傷進行有效處理。

其中損傷檢測以各類損傷的不同特性為依據，構建數學模型進行檢測。該模塊檢測的效果將直接決定后面損傷去除的成果，因此它在數字修復模塊中是最重要的部分。損傷確認模塊包括人工確認和計算機自動確認兩類，此模塊結合了人工修復和自動修復的算法，因此存在人機交互的情況。而損傷去除模塊內容相比前兩個模塊要簡單，在檢測到的損傷區域內，以符合信噪比值和人眼視覺特性為標準，對區域的像素進行插值和填充。

與此同時，數字電影檔案模塊將匯總以上各模塊的操作數據和結果，并對各操作模塊傳送的數據進行分析和調整。最終，修復后的數據將會存儲到磁盤陣列中，并根據需要進行高品質打印輸出。

4.2損傷處理流程

據統計，當前存在的膠片損傷類型最多達150多種［6］，而最常見的損傷類型絕大部分可以歸納為五類，分別是劃痕、斑點、閃爍、抖動和噪聲。依據修復這五類損傷的順序，我們提出圖2所示的損傷處理流程圖。

由于不同損傷修復的先后順序會對修復結果產生很大影響，我們的排序以對后續損傷修復干擾的多少為原則，對于后續修復模塊影響小并且可以優化后續修復效果的步驟排在前面，對后續修復影像大且會減弱后續修復效果的排在后面。在此過程中，我們把幀間閃爍模塊列為首先需要修復的模塊，因為經過閃爍修復模塊的處理，計算機能夠得到更為精確的局部運動矢量和全局運動矢量數據，同時后續的噪聲、劃痕特別是斑點修復環節中錯誤檢測的可能性將大大降低。

然后，按劃痕、斑塊、噪聲修復模塊的順序開展修復工作，其中劃痕和斑塊是在單幀畫面內部進行局部處理，而噪聲是出現在所有畫面中，噪聲修復會影響到全部畫面的像素信息，即它的處理會影響到之后的修復模塊，所以噪聲處理模塊應放在斑點和劃痕這些局部處理模塊之后開展。最后一步是幀間抖動去除模塊，它相對其他模塊更易對全局畫面產生影響，同時它也更不易受到其他損傷修復模塊的影響，因此我們把該模塊放在最后處理。

圖2　電影檔案數字修復流程圖

圖3　電影檔案數字修復系統用戶界面

4.3修復平臺用戶界面

下圖為修復平臺系統界面，本系統使用C++編寫，采用C/S結構，輸入輸出圖片格式為DPX，為方便用戶操作，各修復功能模塊集成在一個面板，用戶只需要設置影片的起始和結束幀，導入影像片段，然后選擇需要修復的損傷類型，簡單設置修復參數，點擊開始修復按鈕即可完成自動修復。

5　影片檔案典型損傷類型及修復方案

根據上海大學數字媒體實驗室針對上海電影技術廠在實際影片修復過程中遇到的疑難問題，本文針對性地提出高性能的解決方案。

5.1影片大面積破損

電影檔案中破損的程度決定了修復的難度，傳統的斑點、劃痕等檢測和修補方法可以對小范圍的簡單破損進行有效處理，但是對于混雜了多種降質因素且范圍較大的破損處理則無能為力。例如摻雜了劃痕、霉斑等眾多問題的幀以及存在大面積“賽璐珞”劃痕的片段。

這些問題通過目前空間域上局部插值和時間域上拷貝粘貼等處理方式都無法有效解決，而通過人工修復又非常耗時耗力，因此亟須利用時空上下文信息高效地重建破損區域。根據修復流程，我們將整個大面積破損修復過程分為兩個主要的階段：檢測定位和時空域重建。檢測定位主要是通過分析破損的原因，指出相關的降質因素，準確地定位待修補的破損區域；時空域重建主要是借助已知的上下文信息，通過時域和空域上重建方法，實現破損區域的高效修復。圖4顯示了修復結果，可以看到大塊的損傷得到了較好修復。

5.2影片褪色閃爍

電影膠片隨著時間的推移，不斷地氧化會使顏色發生退化，這種退化在每一膠片幀上均不同，因此造成了電影播放時的閃爍問題。傳統的方法通過顏色或亮度均衡化處理來解決閃爍問題，但這種簡單的處理無法實現整個電影幀序列顏色上的一致，亟待一種新的顏色或亮度調節方法來解決這個問題。

我們借助顏色變換、轉移等樣例驅動的技術，利用樣例幀構建約束條件，優化求解后實現電影幀顏色和亮度的穩定；在時域上，通過上下文信息，在顏色傳遞過程中，將樣例顏色分布約束到整個電影片段，使整個影像片段均保持與樣例幀一致的顏色和亮度分布，可以在播放時保證顏色和亮度的穩定流暢，從而解決影片的閃爍問題。圖5顯示修復結果，可以看到閃爍現象很好地消除。

5.3影片的缼格黑幀

圖4（a）包含大面積損傷的幀，（b）為算法修復后的幀。［樣例取自電影《山間鈴響馬幫來》，由上海電影制片廠提供］

圖5（a）存在色彩退化的幀，（b）為算法修復后色彩還原的幀。［樣例取自動畫片《沒頭腦和不高興》，由上海美術電影制片廠提供］

圖6（a）為原始幀，第二幀缺失。（b）第二幀通過算法自動生成。

圖7（a）為存在抖動幀，（b）為算法去除抖動后的幀。［樣例取自電影《七月流火》，由上海電影制片廠提供］

有些電影檔案存在嚴重的丟幀現象，這會導致電影在時間上的不同步，因此時常在丟幀處用黑格來替代丟失的幀，避免電影播放在時間軸上的不一致。但是，增加黑幀雖然可以達成時域上的同步，但其影片幀的內容并沒有增加，人們在電影播放過程中會感受到短暫的停頓，當丟失幀較多或低幀率播放時會有明顯的黑幀跳躍問題，使人們的觀影感受大幅降低。傳統的黑幀補償方法就是前后幀之間的插值，但直接的插值方法是兩幀之間的線性取值，但這會導致畫面模糊，因此亟需改進這種簡單的線性插值方式。

我們利用光流法初步預估景物之間的運動，并在此基礎上構建其運動梯度模型，實現自然流暢的運動路徑信息重構。將上述重構的運動路徑條件作為相關的插值約束，將其引入整個插值求解過程，最終完成合適幀率條件下的帶約束插值，進一步提高插值結果的時空連貫性。圖6中間幀為算法自動插幀圖像，提高了畫面流暢性。

5.4鏡頭畫面抖動去除

電影檔案在拍攝過程中經常出現鏡頭抖動現象，這也是由于當時的拍攝條件、拍攝器材、拍攝手法等不足所造成的。近年來隨著拍攝設備的不斷更新，鏡頭抖動不穩定已經不是當前的制約因素了，但是對于舊影片來說這種抖動問題依然存在，而且是影響數字化修復質量的關鍵因素之一，希望今后能夠借助去抖動技術進一步提高用戶的觀影感受。目前理論界對于手持設備的去抖動研究已有一定的積累，很多攝像設備上都集成了防止鏡頭抖動的元器件，但應用在舊膠片檔案上并不合適，亟需提出與膠片檔案相對應的鏡頭去抖動方法。

我們首先借助運動的上下文信息，通過運動細節保持的特征點匹配，準確定位具有穩定運動關系的對象。根據已有運動信息，在關鍵幀間建立運動相關的約束關系，通過能量求解方式獲得最終的穩定畫面。最后，由于結果的尺度不一致，需要做進一步的規整裁剪，以便統一整個電影幀片段的尺度。圖7為抖動祛除的效果。

6　結語

電影檔案是一代代的影視工作者智慧和心血的結晶，對人類社會文明進步起著重要的引導作用，也對人類發展做出了卓越的貢獻。因此，電影檔案數字化修復是一項非常有意義的工作，同時，數字影像修復技術的研究也為如計算機視覺，影視特效、視音頻壓縮等研究提供參考。目前，電影數字化修復正處于起步階段，還存在諸多問題，相信隨著人們研究的不斷深入，電影檔案數字化修復將取得更大的成果。

*本文系2015年度山東省藝術科學重點課題“基于時空上下文重建的影視文化遺產數字化保護”（項目編號：1506329）的研究成果之一。

［1］白曉飛.國外電影膠片保存條件與技術［J］.現代電影技術.2007（7）：36. ［2］蕭妍.電影修復，重現百年光影的陣疼［J］.法律與生活，2013.（22）：82-84. ［3］錢力.老電影修復：拯救？情懷？商業？［N］.中國文化報，2013-09-05（006）. ［4］Kokaram，A.On missing data treatment for degraded video and film archives：a

survey and a new Bayesian approach.IEEE Transactions on Image Processing.2004，13（3）：415.

［5］Roosmalen，P.M.B.Restoration ofArchived Film and Video［Ph.D.Dissertation］. The Netherlands：Delft University of Technology.1999：3.

［6］徐進.電影膠片數字修復關鍵技術研究［D］.上海交通大學：徐進，2009.23-24.

吳兵，上海大學博士、講師，主要研究方向為文化遺產數字化保護。

丁友東，上海大學上海電影學院副院長、教授、博士生導師，主要研究方向為數字媒體技術、聲像檔案保護。

Study on Digital Restoration Platform of Precious Film Archive

Wu Bing，DingYoudong
（1.Shanghai Film Academy of Shanghai University，Shanghai，200072；

2.Literature and Communication Institute of Taishan University，Taian，Shandong，271000）Abstract：Film archive is a type of archive in which a magnetic recording is made on film or video tape by using Camera equipment.At the present time，film archive is at an endangered stage of unable to read and need urgent rescue.This article introduces the current situation of film archives kept in our country，it also puts forward rescuing strategies，which is，building a salvage platform and establishes workflow for the salvage of film archive，so as to provide technical support for realizing standardization and large scale salvation.

Image Archive；Film；Digital Preservation；Archives Restoration

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