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科教电影是影视艺术大家庭中的一员，与影视艺术的其他片种比起来，既有艺术的相同性，又有其相当的特殊性。这种特殊性来源于科教电影的创作资源——包括从微观世界到宏观世界的自然科学领域。而科教电影同样可以采取视觉艺术的方式向大众叙述事物的科学本质与内容。作为中央新影集团下的北京科学教育电影制片厂一直是我国生产科教片的重要基地，面临数字影像技术的发展，越来越多的片子是采取数字拍摄为主。第28届金鸡奖最佳科教片《变暖的地球》采用胶片、索尼F900R数字摄影机、佳能EOS 5D Mark II数码单反相机共同拍摄完成，本文以此探讨数字影像技术在科教电影拍摄中的应用。
什么是科教电影
科教电影是运用电影的艺术和技术手段来表现其科技内容。
科教电影的表现力十分丰富，由于影片用于进行科技知识传播，因而要求镜头严谨，画面构图形象逼真，又要用电影技术手段真实反映自然界变化和表现其科技规律。所以，科教电影采用大量特殊技巧摄影，如逐格、显微等拍摄手段，在二维画面中压缩时间和空间，拍出细胞裂变、细菌生成、植物和生物的生长过程，还可以表现时空光影及气候影响天空下云层变化等世间无穷的变化。这些技巧摄影不但能将这些过程真实、完整地拍摄下来，而且通过各种镜头的运用，增加了视觉震撼力，产生意想不到的效果，丰富了科教电影的内容。
数字技术流程提升画质
传统科教电影的制作方式从前期拍摄到后期制作及发行放映，全部是使用电影胶片制作完成的，形成了一整套相应的生产模式和与之配套的工作流程。电影胶片的前期拍摄是用各种类型的未曝光负片，经曝光后生成影像，拍摄的效果只有冲洗完负片后才能知道，无疑加大拍摄风险。往往完成一个电影镜头，需要拍摄多次。而电影胶片属感光材料，又不能重复使用，这必然增加拍摄成本。在传统后期制作过程中（以35mm胶片为参考）：从拍摄负片原底到完成影片拷贝需要经过三次印片机的光学复制，由于光学印制时散射效应，复制过程会造成画面分辨率的损失和衰减。35mm原底图像素材的分辨率可以达到4K左右，经过第一次印成翻正中间片分辨率已降低到2K，再次复制得到翻底中间片分辨率为1.6K，而用翻底制作的发行放映拷贝分辨率只有1.2K了。（参见图1）所以相对于现代的电影数字技术，传统的电影胶片制作工艺，对画面质量会有一定的影响。
随着电影数字技术的不断完善，数字中间片改变了传统的后期制作方式。现代数字工作站把传统制作中的胶片画面素材、声画合成、动画合成全部进行数据采集转换，并以数据的方式进行制作。经过调色、配光、编剪制成数字中间片，由数字中间片制作数字拷贝和胶片拷贝，由于数字制作是以数字文件格式相互传递，不会产生分辨率和图像质量的损失，发行放映拷贝分辨率可达到1.6K－2K，大大提高影片图像质量（图2）。
三种影像拍摄技术的比较
由于电影数字技术的发展，不但带来了后期制作工艺的改变，还给我们增加了前期拍摄方式的选择。所以在我厂荣获电影金鸡奖的重点科普影片《变暖的地球》拍摄中，我们既使用电影胶片，同时又使用高清数字摄影机HDW-F900R和数码单反相机佳能 EOS 5D Mark II，使影片的画面质量取得了很好的效果。
现将三种拍摄方式相互比较
图像感应器
现代数字摄像机和数码单反相机使用最多的感应器是CCD和CMOS，这是数码单反相机和高清数字摄像机成像的核心元件。图像感应器相当于摄影机和胶片照相机底片画幅，尺寸越大，有效像素就越高，接收捕捉的光信号就越多，图像的色彩和层次就会更丰富。大尺寸图像感应器带来更大的宽容度和动态范围，使亮部和暗部都会保留更丰富的层次。
现代数字摄像机和数码单反相机使用最多的感应器是CCD和CMOS，这是数码单反相机和高清数字摄像机成像的核心元件。图像感应器相当于摄影机和胶片照相机底片画幅，尺寸越大，有效像素就越高，接收捕捉的光信号就越多，图像的色彩和层次就会更丰富。大尺寸图像感应器带来更大的宽容度和动态范围，使亮部和暗部都会保留更丰富的层次。
2 佳能EOS 5D Mark II数码单反相机采用全画幅CMOS图像感应器，其成像器尺寸36×24mm，画幅面积是电影超35mm负片画幅面积的2倍。单张照片能达到2000万像素，其高清视频图像也达到200多万像素。
图像记录格式
佳能 EOS 5D Mark II数码单反相机：采用CF高速卡记录图片和视频图像信息，其图片采用RAW无压缩图像文件数据记录格式或JPEG有限压缩图像文件数据记录格式。每张图片根据画质有不同设置，而其高清视频可拍摄分辨率1920×1080的影片，记录格式是采用了H.264的压缩方式。由于记录码流低，在记录高清视频信号时，对CF卡记录速度要求较高（30Mb／S）以上，如果速度低会造成画面拖尾和丢帧现象。
高清数字摄影机F900R：采用的是码率144Mbps的HDCAM磁带记录，而且用了与电视摄像机相同的伽玛。电视伽玛可以在电视上看到正常对比度和彩色的图像，适合电视的直播和制作。不过电视伽玛分配给高电平的资源比较少，对画面中高亮度部分的灰度层次有所损失。
电影胶片底片拍摄完成后，经冲洗形成电影负片，扫描成2K／10比特DPX文件，进行后期制作。
分辨率
佳能EOS 5D Markll数码单反相机的单张图片分辩率最高达到4k-5k（5616×3744），像素能达到2000万。而其高清视频分辨率理论上可达2K（1926×1080），但只有200多万像素。这是因为照片和视频的各自记录格式不同，照片采用RAW或JPEG记录格式，而视频是采用H.264的频间压缩格式。电影35mm原始底片分辨率可达4k，1000多万像素（忽略镜头分辨率）。索尼HDW－F900R视频垂直分辨率是1080线，物理分辨率高达19206×1080，像素660万。所以从理论和我们实际使用中，5D MarkⅡ单反相机图片分辨率超过胶片35mm底片的分辨率，而其视频的分辨率和F900R视频分辨率还达不到胶片底片分辨率。
色彩还原
色域表示能够再现色彩的范围。色域越大，还原的色彩越接近自然界的真实色彩。因此，色域范围大小对图像质量的影响表现在画面色彩还原的真实程度。采用RGB三基色再现彩色时，三个基色坐标组成的三角形就是这三种基色所定义的色域，其用彩色标出的马蹄形色度三角就是人眼能看到的色域。图3是用CIE色度图表示的彩色负片色域。
索尼HDW-F900R高清数字摄影机的色域范围比电影负片色域范围小，它只能支持高清电视色域。
佳能EOS 5D Mark II单反相机的色域范围比电影负片色域范围大，色彩更加艳丽。
宽容度
电影拍摄常用的彩色负片，以色温划分，可分为日光型如5246（ISO250D）和灯光型5213（ISO200T）；以感光度划分，可分为低感光度5201（ISO50D）和高感光度5218（ISO500T）。其感光性能虽有差别，但都以表现18％灰阶的正常曝光，为光圈级数中心点0或N。每增加或减少1挡光圈，曝光量增加1倍，也就是增加了原值的2倍。图4是彩色负片的感光性能示意图。从图中可以看到，其带斜率的R／G／B三条曲线直线部分就是彩色负片的宽容度。现代彩色负片宽容度大约为11-12挡光圈，要使数字摄影机的宽容度达到胶片水平，至少要有10挡光圈的宽容度，更高的标准则是12-13挡光圈的宽容度。
对于索尼HDW-F900R数字摄影机和佳能EOS 5D Mark II数码单反相机，厂方给出技术指标宽容度都是10挡光圈，是能够达到胶片的宽容度水平。
《变暖的地球》的拍摄应用
基于以上几项主要技术指标相比较，我们拍摄《变暖的地球》这部影片主要使用电影胶片。由于数字摄影机F900R是数字摄像机向数字摄影机转型产品，属数字摄影机的早期机型，与电影胶片相比较画面质量有较大差距，缺少中间层次，宽容度和色彩还原都不能和胶片相比。所以我们在影片中主要使用该机拍摄一些花絮和气候特殊镜头。佳能EOS 5D Mark II数码单反相机的视频由于记录码流低也不能作为主机使用。可是该机的图片拍摄功能非常好，完全可以和电影胶片相媲美，单张图片的像素、色彩还原、宽容度等技术指标都能与胶片技术指标相符，甚至超过胶片。所以我们用佳能EOS 5D Mark II的图片功能，在影片中大量拍摄云层变化、时空光影变化、冰雪溶化、潮起潮落和日出日落等逐格特技画面镜头。
电影胶片是伊斯曼柯达公司这一百年老店仍然在坚守的一块阵地。公司在科研技术这一领域实力雄厚，不断推出新产品，新一代电影胶片颗粒更加细腻，画面质感更加完美。但是，随着数字技术发展，电影胶片不断受到数字摄影机这种拍摄方式的冲击。德国生产最新数字摄影机ALEXA使用ARRIRAW格式，图像分辨率可达2.6K，像素为2880×1620，宽容度14挡光圈，色彩还原等技术指标都达到电影胶片的要求。
什么是科教电影
科教电影是运用电影的艺术和技术手段来表现其科技内容。
科教电影的表现力十分丰富，由于影片用于进行科技知识传播，因而要求镜头严谨，画面构图形象逼真，又要用电影技术手段真实反映自然界变化和表现其科技规律。所以，科教电影采用大量特殊技巧摄影，如逐格、显微等拍摄手段，在二维画面中压缩时间和空间，拍出细胞裂变、细菌生成、植物和生物的生长过程，还可以表现时空光影及气候影响天空下云层变化等世间无穷的变化。这些技巧摄影不但能将这些过程真实、完整地拍摄下来，而且通过各种镜头的运用，增加了视觉震撼力，产生意想不到的效果，丰富了科教电影的内容。
数字技术流程提升画质
传统科教电影的制作方式从前期拍摄到后期制作及发行放映，全部是使用电影胶片制作完成的，形成了一整套相应的生产模式和与之配套的工作流程。电影胶片的前期拍摄是用各种类型的未曝光负片，经曝光后生成影像，拍摄的效果只有冲洗完负片后才能知道，无疑加大拍摄风险。往往完成一个电影镜头，需要拍摄多次。而电影胶片属感光材料，又不能重复使用，这必然增加拍摄成本。在传统后期制作过程中（以35mm胶片为参考）：从拍摄负片原底到完成影片拷贝需要经过三次印片机的光学复制，由于光学印制时散射效应，复制过程会造成画面分辨率的损失和衰减。35mm原底图像素材的分辨率可以达到4K左右，经过第一次印成翻正中间片分辨率已降低到2K，再次复制得到翻底中间片分辨率为1.6K，而用翻底制作的发行放映拷贝分辨率只有1.2K了。（参见图1）所以相对于现代的电影数字技术，传统的电影胶片制作工艺，对画面质量会有一定的影响。
随着电影数字技术的不断完善，数字中间片改变了传统的后期制作方式。现代数字工作站把传统制作中的胶片画面素材、声画合成、动画合成全部进行数据采集转换，并以数据的方式进行制作。经过调色、配光、编剪制成数字中间片，由数字中间片制作数字拷贝和胶片拷贝，由于数字制作是以数字文件格式相互传递，不会产生分辨率和图像质量的损失，发行放映拷贝分辨率可达到1.6K－2K，大大提高影片图像质量（图2）。
三种影像拍摄技术的比较
由于电影数字技术的发展，不但带来了后期制作工艺的改变，还给我们增加了前期拍摄方式的选择。所以在我厂荣获电影金鸡奖的重点科普影片《变暖的地球》拍摄中，我们既使用电影胶片，同时又使用高清数字摄影机HDW-F900R和数码单反相机佳能 EOS 5D Mark II，使影片的画面质量取得了很好的效果。
现将三种拍摄方式相互比较
图像感应器
现代数字摄像机和数码单反相机使用最多的感应器是CCD和CMOS，这是数码单反相机和高清数字摄像机成像的核心元件。图像感应器相当于摄影机和胶片照相机底片画幅，尺寸越大，有效像素就越高，接收捕捉的光信号就越多，图像的色彩和层次就会更丰富。大尺寸图像感应器带来更大的宽容度和动态范围，使亮部和暗部都会保留更丰富的层次。
现代数字摄像机和数码单反相机使用最多的感应器是CCD和CMOS，这是数码单反相机和高清数字摄像机成像的核心元件。图像感应器相当于摄影机和胶片照相机底片画幅，尺寸越大，有效像素就越高，接收捕捉的光信号就越多，图像的色彩和层次就会更丰富。大尺寸图像感应器带来更大的宽容度和动态范围，使亮部和暗部都会保留更丰富的层次。
2 佳能EOS 5D Mark II数码单反相机采用全画幅CMOS图像感应器，其成像器尺寸36×24mm，画幅面积是电影超35mm负片画幅面积的2倍。单张照片能达到2000万像素，其高清视频图像也达到200多万像素。
图像记录格式
佳能 EOS 5D Mark II数码单反相机：采用CF高速卡记录图片和视频图像信息，其图片采用RAW无压缩图像文件数据记录格式或JPEG有限压缩图像文件数据记录格式。每张图片根据画质有不同设置，而其高清视频可拍摄分辨率1920×1080的影片，记录格式是采用了H.264的压缩方式。由于记录码流低，在记录高清视频信号时，对CF卡记录速度要求较高（30Mb／S）以上，如果速度低会造成画面拖尾和丢帧现象。
高清数字摄影机F900R：采用的是码率144Mbps的HDCAM磁带记录，而且用了与电视摄像机相同的伽玛。电视伽玛可以在电视上看到正常对比度和彩色的图像，适合电视的直播和制作。不过电视伽玛分配给高电平的资源比较少，对画面中高亮度部分的灰度层次有所损失。
电影胶片底片拍摄完成后，经冲洗形成电影负片，扫描成2K／10比特DPX文件，进行后期制作。
分辨率
佳能EOS 5D Markll数码单反相机的单张图片分辩率最高达到4k-5k（5616×3744），像素能达到2000万。而其高清视频分辨率理论上可达2K（1926×1080），但只有200多万像素。这是因为照片和视频的各自记录格式不同，照片采用RAW或JPEG记录格式，而视频是采用H.264的频间压缩格式。电影35mm原始底片分辨率可达4k，1000多万像素（忽略镜头分辨率）。索尼HDW－F900R视频垂直分辨率是1080线，物理分辨率高达19206×1080，像素660万。所以从理论和我们实际使用中，5D MarkⅡ单反相机图片分辨率超过胶片35mm底片的分辨率，而其视频的分辨率和F900R视频分辨率还达不到胶片底片分辨率。
色彩还原
色域表示能够再现色彩的范围。色域越大，还原的色彩越接近自然界的真实色彩。因此，色域范围大小对图像质量的影响表现在画面色彩还原的真实程度。采用RGB三基色再现彩色时，三个基色坐标组成的三角形就是这三种基色所定义的色域，其用彩色标出的马蹄形色度三角就是人眼能看到的色域。图3是用CIE色度图表示的彩色负片色域。
索尼HDW-F900R高清数字摄影机的色域范围比电影负片色域范围小，它只能支持高清电视色域。
佳能EOS 5D Mark II单反相机的色域范围比电影负片色域范围大，色彩更加艳丽。
宽容度
电影拍摄常用的彩色负片，以色温划分，可分为日光型如5246（ISO250D）和灯光型5213（ISO200T）；以感光度划分，可分为低感光度5201（ISO50D）和高感光度5218（ISO500T）。其感光性能虽有差别，但都以表现18％灰阶的正常曝光，为光圈级数中心点0或N。每增加或减少1挡光圈，曝光量增加1倍，也就是增加了原值的2倍。图4是彩色负片的感光性能示意图。从图中可以看到，其带斜率的R／G／B三条曲线直线部分就是彩色负片的宽容度。现代彩色负片宽容度大约为11-12挡光圈，要使数字摄影机的宽容度达到胶片水平，至少要有10挡光圈的宽容度，更高的标准则是12-13挡光圈的宽容度。
对于索尼HDW-F900R数字摄影机和佳能EOS 5D Mark II数码单反相机，厂方给出技术指标宽容度都是10挡光圈，是能够达到胶片的宽容度水平。
《变暖的地球》的拍摄应用
基于以上几项主要技术指标相比较，我们拍摄《变暖的地球》这部影片主要使用电影胶片。由于数字摄影机F900R是数字摄像机向数字摄影机转型产品，属数字摄影机的早期机型，与电影胶片相比较画面质量有较大差距，缺少中间层次，宽容度和色彩还原都不能和胶片相比。所以我们在影片中主要使用该机拍摄一些花絮和气候特殊镜头。佳能EOS 5D Mark II数码单反相机的视频由于记录码流低也不能作为主机使用。可是该机的图片拍摄功能非常好，完全可以和电影胶片相媲美，单张图片的像素、色彩还原、宽容度等技术指标都能与胶片技术指标相符，甚至超过胶片。所以我们用佳能EOS 5D Mark II的图片功能，在影片中大量拍摄云层变化、时空光影变化、冰雪溶化、潮起潮落和日出日落等逐格特技画面镜头。
电影胶片是伊斯曼柯达公司这一百年老店仍然在坚守的一块阵地。公司在科研技术这一领域实力雄厚，不断推出新产品，新一代电影胶片颗粒更加细腻，画面质感更加完美。但是，随着数字技术发展，电影胶片不断受到数字摄影机这种拍摄方式的冲击。德国生产最新数字摄影机ALEXA使用ARRIRAW格式，图像分辨率可达2.6K，像素为2880×1620，宽容度14挡光圈，色彩还原等技术指标都达到电影胶片的要求。