符合DCI规范的数字电影图像解码系统研制

Abstract

电影自诞生以来，经历了三次重要变革：从无声到有声，从黑白到彩色，从模拟到数字。数字电影在环境保护、画面质量、制作成本以及知识产权等方面的优势使相关研究在近年内飞速发展。为在全球范围内推进数字电影技术，美国迪斯尼等7家制片公司于2005年7月联合公布了数字电影规范(以下简称DCI，Digital Cinema Initiatives)，明确了数字电影从发行到放映的关键技术指标及数字影院系统的宏观结构。 根据DCI规范，影院服务器是数字影院的核心技术，主要实现电影压缩图像的解包、解码以及安全放映。其中，解码部分，DCI选取JPEG2000作为解码标准，并规定图像每秒播放24帧，每帧分辨率至少达到2K(2048×1080)像素。这决定了解码系统具有较高的复杂度，以专用硬件方式实现较为合理。 目前，在系统实现上，国外知名的电影设备厂商有开发成功的报道，但作为高端放映设备，其设计方案并不公开。国内相关设计均处于起步阶段。本文设计和实现的数字电影图像解码系统，旨在完成DCI规范中对数字电影解码部分的功能要求，为影院服务器的最终研制成功奠定基础。 本文在设计上，首先分析了DCI中对解码系统的指标要求，确定了系统的重要参数。以此为基础，提出了系统实现的三种方案：FPGA方式、DSP方式、专用芯片方式。经过对比，发现在成本、复杂度和可靠性上，专用芯片方式优于其它两种，因此作为最终方案。同时，为了弥补专用芯片方式灵活性不足的缺点，采用FPGA作为系统的控制模块，协调各专用芯片的工作，保证压缩电影图像按正确流程解码。 在实现上，本文将系统划分为四部分：PCI总线接口、解码器、高清输出、系统控制。对前三个部分，分别选择了专用芯片，参考相关资料，进行模块电路的详细设计。最后，对这三部分进行了整合，以FPGA实现的系统控制模块为基础，完成了解码系统的结构设计。我们在解码系统结构设计的基础上，使用PADS公司的PADS Logic软件，完成了系统各部分的原理图设计。使用PADS Layout进行了共计16层的PCB版图设计，并最终制成了电路板，供进一步的调测、实验使用。 在测试平台的搭建上，我们针对系统电路板，设计了符合系统资源条件的驱动程序、应用程序，并在普通服务器上，进行了静态图像解码、动态图像解码等功能测试。实验证明，系统电路板能够按照既定要求，完成图像的JPEG2000解码。 为了进一步验证设计的可靠性，我们还对系统电路板使用实际影院设备进行了放映测试。结果证明，系统能够实现DCI规范要求的数字电影压缩片源的实时、高清解码。 总之，本文设计并实现的数字电影解码系统，是DCI规范中数字影院服务器的重要组成部分。与国外设备相比，在完成DCI规范的各项指标前提下，具有很大的成本优势。这一设计对于影院服务器的最终完成，并打破国外厂商在高端数字电影放映设备上的垄断具有重要意义。