超高清舞剧电影《天路》“4K+5G”影院直播技术分析

来源:用户上传      作者:孙洋

　　[摘要]分析国家大剧院舞剧电影《天路》的4K超高清直播制作、影院直播的尝试和调整、5G传输的路由，以及利用8K技术的探索。
　　[关键词]舞剧《天路》;舞台+银屏;超高清;4K电影;8K电影;5G;同步直播
　　文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.07.012
　　当今时代科技迅猛发展，舞台艺术需要借力新技术扩大传播，新科技需要与各种应用嫁接出新的需求。国家大剧院在这方面不断探索，以舞剧电影《天路》为例，采用4K超高清技术拍摄，并通过5G技术在首都电影院及网络同步直播，借助最新科技手段推广传播高品质舞台艺术精品，努力探索舞台艺术产业化运营新模式。笔者将重点分析舞剧电影《天路》的4K超高清直播制作、影院直播的尝试和调整、5G传输的路由，以及利用8K技术的探索，较为详细地分析各环节的实现过程及技术要点。
　　1国家大剧院舞台艺术电影的发展
　　作为国家最高表演艺术中心，也是国内首家制作歌剧电影的艺术机构，国家大剧院通过“舞台+银屏”的方式，借助科技的“翅膀”让艺术影片传播到千家万户，让百姓在家门口就能观看到国家大剧院舞台上的世界艺术经典。国家大剧院也在不断借助最新科技手段，探索舞台艺术产业化运营的新模式。
　　2013年5月，由著名男高音大师多明戈主演的国家大剧院首部高清歌剧电影《纳布科》完成拍摄制作，标志着国家大剧院拉开了“歌剧电影”制作的序幕。受当时技术条件限制，采用高清格式制作，1920×1080的分辨率，50帧的隔行扫描。对于宽大的电影银幕来说，无论是清晰度还是画面的流畅度都稍显不足。2015年，国家大剧院在歌剧电影《阿依达》的拍摄制作中，率先采用4K的超高清晰度摄影机，画面分辨率是高清（HD）的4倍，并且具备HDR（高动态范围）、WCG（宽色域）、HFR（高帧率）。2018年歌剧电影《这里的黎明静悄悄》的拍摄制作，与SMG合作，进一步尝试在制作4K歌劇电影版的同时，联合制作了8K版歌剧电影。
　　国家大剧院至今已陆续拍摄并推出28部舞台艺术影片，通过举办歌剧电影展映、歌剧电影进校园等方式，放映超过1400场，覆盖国内19个省市，有力促进了高雅艺术的推广普及，以高科技引领艺术传播创新实践。
　　国家大剧院不满足于4K歌剧电影的制作，还积极探索舞台艺术电影直播之路，而不仅仅是在表演录制完成后在院线上映播出。国家大剧院希望通过直播方式拉近观众与舞台的距离，让不在北京、不能亲临现场的观众也可以同步观看到大剧院的舞台艺术精品。歌剧或舞剧电影在影院直播成功的案例，在欧美剧院都有所验证。英国皇家歌剧院影院直播项目启动于2009年，从2009-2010直播季覆盖3个国家、44家影院，如今已覆盖48个国家、超过2000家影院，仅英国本土的签约影院数就达到令人惊讶的440家;就院线观影人数来看，2009年全球观影人数为6万人次，2014年共计超过了73万人次;2015-2016直播季项目数量更是达到14个，歌剧、芭蕾各有6部在影院直播，另有2部在户外大屏做公益直播。美国大都会歌剧院自2006年“高清直播”系列运作至今已有13年，期间，大都会歌剧院不仅大幅拓展了新观众，更从中获得了巨大经济收益;每年约有10部作品会在“高清直播”季中进行现场转播;“高清直播”系列已经横跨五大洲超过70个国家，共计约2200家影院进行直播，共售出2400万张演出票“。
　　国家大剧院尝试舞剧电影《天路》超高清“4K+5G”影院直播，是高雅艺术与高新技术的高度融合。通过高清晰度转播的视听方式，让百姓对高雅艺术触手可及，也是吸引更多观众关注舞台艺术非常有效的举措。
　　2中国首部4K超高清舞剧电影《天路》
　　为纪念改革开放40周年暨青藏铁路建成通车12周年，2018年“七一”期间，国家大剧院推出历时三年倾力打造的原创民族舞剧《天路》（见图1），自首演以来收获业内和观众的一致好评。该剧是以改革开放重点工程“青藏铁路”为创作背景的现实题材，围绕汉藏民族团结、军民鱼水情深的主题，讲述了三代人“不忘初心”坚守筑路的动人故事，还原了雪域高原上铁道兵执着坚守的筑路岁月，展现了青藏铁路建设过程中的民族情、战友情、姐弟情、母子情。该剧代表北京市参加第十二届中国艺术节，荣摘第十六届“文华大奖”。
　　为献礼新中国成立70周年，国家大剧院邀请北京电影学院等多家机构参与，采用4K拍摄技术，将舞剧拍摄成电影。此次舞剧电影聚焦演员们的形体语言和动作神态，将三代人修路的故事通过镜头语言展现。灯光着重戏剧性的表达，朴素、厚重，光色运用含蓄内敛，通过灯光的明暗变化处理，塑造舞台空间关系。舞美设计采用朴素的写实主义风格，比如设置的贯通整个乐池1：1的铁道模型，包括每个道钉、每根枕木的尺寸，以及每盏酥油灯的明暗闪烁都还原了现实生活的场景（见图2）。化妆方面，完全按照真实图片设计，通过晒伤、高原红、唇裂等特效妆容体现了恶劣环境的艰苦状态。动人的肢体表演、烘托气氛的灯光效果和精致真实的舞美、服装、化妆效果，使得舞剧电影在4K超高清影像的条件下，展现出剧中人物更加立体、饱满、特有年代属性颗粒般的质感，使观众感到真实、可信。
　　由于舞剧《天路》整体照度较低，且光比反差很大，对摄像机的动态范围和低照度噪点控制能力要求非常高;又由于背景采用投影投射动态画面替代了一些静态实景作为舞美效果，这也导致了整体的照度不能压住投影亮度，对于对基础照度有要求的摄像机来说，亮度就更显不足。同时，主体的相对高亮照明和阴暗的背景环境，形成的高反差，比一般综艺现场的对比度要高很多，这也导致过去SDR模式下的高清摄像机很难同时兼顾这么大的动态范围和捕捉能力，这也需要将HDR技术应用在现在的舞台艺术电影的制作中。
　　3舞剧电影的直播制作
　　舞剧电影《天路》在国家大剧院戏剧院演出，采用4K+5G超高清向首都电影院（拥有4K LED电影银幕）直播，并同步在咪咕视频、咪咕音乐、移动魔百等手机、电视大屏客户端进行4K超高清直播。国家大剧院端制作系统如图3所示，视频部分全部采用4KHDR制作流程（见图4），音频则按照5.1环绕声标准制作（见图5），最终合成加嵌后再编码输出。为了保证直播安全，提前做了详尽的准备及测试工作，包括：拍摄测试、编解码测试、传输通道测试等多个环节。其中，从国家大剧院到首都电影院直播的主通道，上下行都选择了5G方式，通过每个环节独立测通再到整个通路打通，所有环节都进行了反复试验，以尽量保证最终做到万无一失。 　　视频部分，演出现场共架设了7套索尼4K UHD演播室摄像机HDC-4300配佳能4K UHD镜头，以输出4KHDR信号源。7路4K信号通过SMPTE光缆从演出现场送到戏剧场外的4K转播车上的4K摄像机基站HDCU-4300，每一路4K信号经过视频工程师处理后以IP流方式送到索尼4K切换台XVS-7000。导播通过观看监视墙的画面对摄像师的拍摄镜头进行调度，制作出高质量的舞剧现场节目。
　　音频部分，由于原有舞剧伴奏音乐为立体声，考虑到影院为环绕声播放条件，所以，在北京电影学院的制作棚内，首先将原有的立体声舞剧音乐制作成环绕声分轨信号，并保证与原立体声音源时长相同。在演出现场，将剧院内扩声使用的音频工作站与播放电影环绕声音频工作站设置为同步播放，这样就保证了转播车收到的环绕声音频信号与剧场内演出扩声使用的音频信号完全同步。现场还架设了5支传声器来拾取舞蹈演员表演的同期声，包括演员现场的呐喊声和道具砸地板的声音;另有2支吊装的观效传声器用来拾取观众的掌声等。在剧场扩声控制室同步播放的电影环绕声、现场传声器拾取的同期声通过转播车进行合成后，混合出5.1环绕声，多轨音频信号输出直接加嵌到视频信号中，经过编码送往首都电影院。同步也会混合出一版立体声，加嵌到视频信号中，经过编码送往中国移动咪咕移动端。
　　4影院直播的尝试和调整
　　首都电影院直播端的呈现是Onyx 9号厅内宽达14m的Onyx LED电影屏（见图6），拥有41只扬声器的DTS：X临境音的沉浸式还音技术配合超清超亮的显示效果，可欣赏到更多普通银幕影片无法表现出的细节，在充分领略电影魅力的同时，体验电影工业的最强感受。三星Onyx LED电影屏融入了高动态范围（HDR）技术，解决了图像均匀性差和画面失真等问题，能够在峰值亮度下呈现完美的色彩准确度（DCI-P3色域），高度还原真实环境的色彩、深邃的黑暗、洁净的纯白，鲜明的对比度等，可突出相应的质感;而4K超清画质则让人物表情呈现得更清晰明朗，让观影者感受到每一点细微的变化;DTS：X临境音技术的采用，让观众得到沉浸式的声音享受。
　　直播前，对影院端各种技术条件进行了全面的测试，播放服务器可以播放HD、UHD等多种格式，帧率也可以支持到50f/s，但必须是经过打包（DCP）后的放映文件格式，对于外来4K超高清直播信号的输入端尚不支持，在设备厂家的大力支持下，才解决了直播信号播放的困扰。
　　影院直播，演出现场4K信号通过50Mbit/s码率传输到影院，采用3840×2160的4K UHD分辨率、50f/s帧率播放。由于Onyx LED支持HDR技术以及DCI-P3色域，且经过实际测试，能够较好还原HLG标准的HDR效果。为了保证展现直播画面更好的动态范围并保证画面色彩的一致性，经过各种模式选择比较后，最终确定采用HLG+BT.709色域的输出方式。为使观影效果达到理想状态，特别将亮度调整为300nit，这一亮度超过以往电影放映数倍，也是为了更好呈现出高亮度和高反差的视觉体验;同时过程中还发现，14m大屏幕的呈现效果，主观感受画面锐度过高，因此对转播车输出的画面锐度进行了调整，使得观影达到舒适的效果。经过前期准备及现场调试，画质细腻清晰流畅，层次丰富，高度还原了现场表演的精彩细节和清晰的全景，观众获得了身临现场般的至高体验。
　　网络直播端，咪咕客户端考虑了绝大多数用户的实际情况，选择采用4KSDR规格播出。
　　55G传输路由
　　5G网络支撑超高清影像传输的优势明显，特别是高带宽（Gbit/s）、低时延（1ms）等特点，使得4K UHD信号不仅保持在50f/s的帧率，而且每一帧画面之间的间隔短至0.02s，让直播观看更加流畅。
　　因此，此次直播的路由选择使用5G网络无线传输（从国家大剧院传送至首都电影院主传输通道的上下行两端），并采用了主备双通道，两路传输均通过基于H.265压缩编码技术的4K超高清编/解码器，采用50Mbit/s码率输出4K UHD、50f/s标准的信号，如图7所示。
　　关于50Mbit/s码率的选择，由于5G网络上行带宽远小于下行带宽，实测5G CPE（Customer Premise Equipment，5G接入终端设备）上行速率约为80Mbit/s。为了保证在大银幕端的流畅呈现，还需要考虑中间各环节设备，如编解码器、5G CPE等在长时间、高码率下工作的稳定性，编码和传输码率从80Mbit/s、50Mbit/s、30Mbit/s做了多种测试，通过主观评判不同码率下影院端呈现效果，最终还是选择了相对稳定又兼顾画质的50Mbit/s码率来完成此次4K直播。
　　5G传输方面，本次采用NSA架构，基于4.9G频段（2.6G频段也参与了测试），5G CPE链接到国家大剧院内的5G基站（见图8），通过光纤传送到位于中国移动5G核心网机房（位于北京西城区马连道），再通过光纤专线送到首都电影院端的5G基站，基站与位于首都电影院4K放映厅内的5G CPE无线连接，再通过解码器解出4K基带信号在银幕上呈现。
　　确定了传输码率和传输路由后，必须经过多次信号传输测试，以及全要素的长时间的壓力测试。测试过程中发现，使用不同品牌的5G CPE会使画面的色调色温有轻微变化，但不影响清晰度。经过测试比较，选择了画面效果贴近原始画面的设备。另外，在网络测试带宽没有问题的情况下，还是会偶尔出现画面卡顿和丢包的问题，通过测试和分析，初步总结经验为：（1）网络设备一定要注意开机顺序，上一级设备启动稳定后再开启下一级设备，以便设备间搜寻IP地址;（2）上行和下行的CPE最好选用相同品牌，不同品牌设备传输过程中，误码出现的概率会高于使用相同品牌设备。
　　68K超高洁的探索
　　8K超高清晰度影像不仅带来流畅细腻的画面，8K影像分辨率相当于4K超高清分辨率的4倍、HD高清画面分辨率的16倍。同时，与4K和高清相比，8K影像观看视野提升了2～3倍，极为接近人眼观察世界时的真实视野，仿佛身临其境。 　　舞剧电影《天路》直播项目策划伊始，希望采用6台8K摄像机拍摄（见图9），同期进行直播切换，再将经过直播导演切换过的8K信号，编码后通过5G传输通道传送到显示端，通过大尺寸8K显示设备进行播放，完全达到8K技术直播的环境。但现有条件下，拍摄、传输、显示三个环节，8K还都处于技术探索和试验阶段。在拍摄环节，国内仅有一套参照日本NHK电视台直播标准设计和集成的8K视频转播系统，目前设备尚在陆续到货阶段;其他8K摄影机虽然可以满足单机拍摄的功能，但无法承担大型节目的直播制作。在传输环节，目前使用HEVC/H.265压缩编码来传输8K视频，码率近200Mbit/s，而传输5G信号的CPE上行速率仅为80Mbit/s，如果使用多链路捆绑（多CPE或多5G模块）可增加上行带宽，但会带来相互干扰等问题，所以，目前使用5G技术传输8K视频存在困难。在电影的显示端，由于8K像素达到7680×4320（约每帧3300万像素），还要满足超高清视频的HDR、WCG等技术标准，如果使用8K超高清投影机，虽然分辨率可以满足8K显示，但是如果想满足HDR高动态范围的显示效果，呈现更好的色彩还原，还需要多台投影机叠加，这在目前8K投影机风毛麟角的局面下不现实;同时，对于显示屏，仅有个别品牌的8K液晶电视机或8K液晶显示屏符合显示技术标准，能够达到8K超高清晰度观看效果，但尺寸也多在60英寸～80英寸之间，无法满足电影直播的观看需求。
　　经过反复研讨，最终确定了舞剧电影《天路》采用4KA播，8K技术作为现场展示的应用环节。为了探索应用8K影像技术更好地呈现舞台艺术创作，挑选了几个舞台灯光条件相对较好的舞段进行拍摄（便于8K摄像机光圈控制和聚焦），使用了2套8K UHD演播室摄像机（Sony HDC-8300）配富士8K UHD镜头，分别拍摄记录不同景别舞蹈画面，现场分别记录在2台不同8KUHD录像机中，经过后期编辑制作，制作成几分钟的舞剧《天路》8K视频片段集锦，用于展台展示，使8K超高清晰度视频的高动态范围使得在近80英寸屏幕上呈现，见图10，画面更加细腻、饱满，高解析力讓人过目难忘。
　　7结语
　　随着《超高清视频产业发展行动计划（2019-2022年）》的分批实施，大力推进超高清视频产业发展和相关领域的应用已经成为大势所趋。5G的高带宽、低延时、广覆盖的优势，为4K、8K超高清视频信号的高质量传输提供了最大的保障，特别是网络切片技术的应用，为无线链路提供了“专线性能”的保障。未来，会有更多的影院、剧院等地迎来5G的全面覆盖，利用5G技术协助完成超高清信号的采集、传输、分发，提升传输码率及传输稳定性，让百姓有机会在影院、在户外大屏甚至在家中就能观看到来自国内外剧院舞台上的舞台艺术精品。国家大剧院也在不断借助最新科技手段，探索舞台艺术产业化运营的新模式。舞台艺术精品的“4K+5G”“8K+5G”直播不仅是一次次新的尝试，或将成为一种常态。随着高新技术的广泛应用，未来舞台艺术资源会以更多元的方式走向市场。
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