CN103155546A - 将视频存档为胶片的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种将视频内容存档到胶片并从该胶片存档恢复视频的方法和系统。提供与内容对应的视频数据以及与该数据相关联的特征图案作为编码数据，其被记录在胶片上以生成胶片存档。所述特征图案包括与视频数据相关的空间、时间和比色信息，并为从胶片存档恢复视频内容提供基础。

Description

将视频存档为胶片的方法和系统
相关申请的交叉引用
本专利申请要求都提交于2010年10月15日美国临时专利申请序列号第61/393,858号《Method and System of Archiving Video to Film》和美国临时专利申请序列号第61/393，865号《Method and System for Producing VideoArchive On Film》的优先权权益。这些临时专利申请的教导通过引用明确地以其整体包含于本申请中。
技术领域
本发明涉及创建视频内容的胶片存档（archive）并从胶片存档恢复视频内容的方法和系统。
背景技术
尽管有很多媒体格式可以用于存档目的，但是胶片存档仍然具有优于其它格式的优势，包括已经证明的超过50年的存档寿命。除了退化（degradation）问题，其它的媒体如录像带和数字格式也可能会过时，潜在的担忧在于读取磁性或数字格式的设备是否在将来仍然可用。
将视频转化成胶片的传统方法涉及拍摄在显示监视器上的视频内容。在某些情况下，这意味着通过若干单独的滤色器拍摄在黑白监视器上显示的彩色视频。这样做的结果是视频图像的照片。电视电影（telecine）被用来从存档照片中获取或恢复视频图像。摄像机查看胶片的每一帧并且可以现场直播或记录得到的视频图像。该存档和获取过程的缺点是最终的视频是“视频显示器的照片的摄像机的图像”，这与原始视频不一样。
从这种类型的胶片存档中恢复视频内容通常需要手动、艺术的干预以还原色彩和原始图像质量。即使这样，恢复的视频也往往表现出空间、时间和/或比色伪像（artifact）。出现空间伪像可能由于不同的原因，例如，如果在显示视频图像、在照相捕获视频显示器或者在摄像机捕获照相存档时存在任何空间上的未对准（misalignment）。
出现时间伪像可能是由于拍摄隔行扫描的视频显示器时捕获相邻的行对（line pair）的时间差造成的。在视频帧率和胶片帧率不是1:1的情况下，胶片图像可能会产生由帧率不匹配造成的时间伪像，如电视电影抖动（telecinejudder）。这种情况会在例如下列情况下发生：当胶片具有24帧每秒（fps）的帧率而视频具有60fps（美国）或50fps（欧洲）的帧率时，对两个或更多的视频帧重复一帧胶片。
此外，引入了比色伪像，这是由于显示器、胶片和摄像机之间的条件等色（metamerisms），即显示器产生的不同的颜色对于胶片表现出相同的颜色，而存档胶片中的不同的颜色对于摄像机表现出相同的颜色。
发明内容
现有技术的方法中的这些问题可以通过本发明的原理的方法克服，在根据本发明的原理的方法中，使用胶片介质的动态范围将数字视频数据保存为自述性的（self-documenting）、可准确恢复的、抗退化的和人类可读的格式。从这种存档格式恢复的视频与原始视频相比较，基本上不具有可感知的空间、时间和比色伪像，并且无需人为干预色彩还原或色域重映射。
本发明的一个方面提供了一种用于将视频内容存档在胶片上的方法，包括：对数字视频数据和与该数字视频数据相关联的特征图案进行编码以形成编码数据，其中所述编码数据包括与数字视频数据对应的胶片密度代码；根据胶片密度代码将所述编码数据记录到胶片上；以及从具有已记录的编码数据的胶片生成胶片存档。
本发明的另一个方面提供了一种用于从胶片存档中恢复视频内容的方法，包括：扫描胶片存档的至少一部分，所述胶片存档包含与数字视频数据和与该数字视频数据相关联的特征图案对应的基于胶片的数据；以及基于该特征图案从该胶片存档恢复视频内容。
本发明的又一个方面提供了一种用于将视频内容存档在胶片上的系统，包括：编码器，用于生成编码数据，所述编码数据包含与数字视频数据和与该数字视频数据相关联的特征图案对应的基于胶片的数据；胶片记录器，用于将编码数据记录在胶片上；以及胶片处理机，用于处理胶片以生成胶片存档。
本发明的又一个方面提供了一种用于从胶片存档中恢复视频内容的系统，包括：胶片扫描仪，用于扫描胶片存档以生成基于胶片的数据；解码器，用于从基于胶片的数据中识别出特征图案，并用于基于该特征图案解码基于胶片的数据以生成用于恢复视频内容的视频数据。
附图说明
可以通过结合附图（不按比例）考虑下面的详细描述来理解本发明的教导，其中：
图1A图示了用于将视频内容存档为胶片的系统；
图1B图示了用于恢复之前存档为胶片的视频内容的系统；
图2图示了胶片存档上的视频内容的逐行扫描帧的序列；
图3图示了胶片存档上的视频内容的场隔行扫描（field-interlaced）帧的序列；
图4A图示了供胶片存档上的视频内容的场隔行扫描帧的首部（header）使用的特征图案；
图4B是图4A的一部分的放大视图；
图5图示了供与存储在胶片存档中的视频内容的逐行扫描帧一起使用的特征图案；
图6图示了供与存储在胶片存档中的视频内容的场隔行扫描帧一起使用的特征图案；
图7图示了根据本发明一个方面的用于创建视频内容的胶片存档的过程；
图8图示了根据本发明另一个方面的用于从胶片存档中恢复视频的过程；以及
图9A-B图示了某些生胶片（film stock）的特性曲线。
为了便于理解，已经尽可能地使用相同的参考标号表示附图中共有的相同的元素。
具体实施方式
本发明的原理提供了一种用于制作视频内容的胶片存档以及用于从该存档恢复视频内容的方法和系统。通过将已编码数据记录到胶片上来制作该存档，然后对胶片进行显影以提供一种存档质量的存储介质。已编码的数据包括已编码的视频内容以及与视频内容相关联的特征图案。视频内容可以通过扫描胶片存档得以恢复，特征图案提供将胶片帧解码成视频的基础。后续的对胶片帧扫描数据的解码产生与原始视频实质上相同的视频，即使存在几十年的胶片染料褪色。特征图案可以包括足以使技术人员在没有编码或格式的其它专业知识的情况下恢复原始视频的指令。
与现有的将视频内容呈现为记录在胶片上的画面的技术（例如，通过使用显像管相机或电影相机拍摄显示在监视器上的每个视频帧的画面）不同，本发明的存档制作系统将视频信号视为数值数据，这些数值数据可以通过使用特征图案基本准确地恢复。
图1A示出了本发明的胶片存档系统100的一个实施例，它包括：编码器112，用于提供包含视频内容108和特征图案110的已编码文件114；胶片记录器116，用于记录已编码文件；以及胶片处理机124，用于处理已记录的文件和制作视频内容的胶片存档126。在本说明书中结合编码器112的整体作用一起使用的，术语“编码”包括从视频数据格式转化成胶片数据格式，例如，从Rec.709代码（代表三种视频显示基色的部分贡献）到胶片密度代码（代表负片上三种染料各自的密度，例如，Cineon码，具有0-1023范围内的值），以及空间和时间格式化（formatting）（例如，将视频数据108和特征图案110中的像素映射到胶片记录器116的图像空间中合适的像素）。在此情景中，时间格式化是指根据视频数据中的时间序列将视频中的像素映射到胶片图像空间，例如，将视频中连续的画面映射到胶片上连续的帧。对于逐行扫描的视频，单个视频帧被记录为单个胶片帧，而隔行扫描的视频被记录为单独的场（filed），例如，奇数行像素形成一个场，偶数行像素形成另一个场，帧的单独的场被记录在同一个胶片帧内。
原始视频内容102通过视频源104被提供给系统100。这种内容的示例包括目前存储在视频录像带上的电视节目，无论是以数字还是以模拟形式。视频源104（例如，视频录像带播放器）适合和原始视频内容102的格式一起使用，提供内容给视频数字化器106以生成视频数据108。在一个实施例中，视频数据108是RGB（红、绿、蓝）码值或可转换为RGB（红、绿、蓝）码值，因为与其它格式相比，它们导致了可忽略的伪像。虽然可以以非RGB格式（例如，亮度和色度值）将视频数据108提供给编码器112，但是在使用这些格式进行存档和视频转换过程中的各种缺陷和串扰可能在恢复的视频中引入伪像。
通过数字化器106可以以不同的视频格式（包括例如高清晰度格式，如“Rec.709”，它提供了一种使用数值对视频像素进行编码的惯例）提供视频数据108。根据Rec.709标准（瑞士的日内瓦的国际电信联盟无线电通信分部或ITU–R发布的推荐BT.709），兼容的视频显示器会对视频数据施加2.4幂函数（也被称为具有2.4的伽马），使得在合适显示时，具有RGB码值为x（例如，来自数字化器106）的像素会产生与x2.4成比例的光输出。其它视频标准提供了其它的幂函数，例如，与sRGB标准兼容的监视器将具有2.2的伽玛。如果来自源的视频内容已经以数字形式（例如，SDI视频输出（串行数字接口））提供给专业级的视频录像带播放器，那么视频数字化器106可以省略。
在某些配置中，原始视频内容102可以被表示为亮度和色度值，即YCrCb码（或者模拟表示的YPrPb）或其它可转变成RGB码值的编码。此外，可以对原始视频内容102进行欠采样，例如4：2：2（其中，对每四个像素用四个采样表示亮度“Y”，但色度分量“Cr”和“Cb”中的每个只进行两次采样），从而将所需带宽减少了1/3，而不会明显地影响图像质量。
与内容的视频数据相关联的，并将在下面结合图4A-B、5和6进行更加详细地讨论的特征部分110被提供给编码器112以在创建存档时建立其的空间、比色和/或时间配置（或这些配置中的至少一个）。
编码器112根据特征图案110中的信息（包括空间、时间和比色信息）对视频数据108进行编码。视频数据的编码包括将视频数据108从数字格式（例如，Rec.709或其它格式）转化或转换成基于胶片的格式，如胶片密度码。在一个示例中，这种转换是基于数字和基于胶片的码值之间基本线性关系进行的。已编码文件114包括特征图案110和根据特征图案使用空间和时间信息编码的视频数据108。已编码文件也可以只包括特征图案的一部分，只要有足够的信息可用于解码器解码胶片存档。在已编码文件114中，可以将特征图案110放置在已编码视频数据的前面（例如，图4A-B），或者可以在与已编码视频数据相同的帧中提供（例如，图5-6）。
由编码器112执行的空间和时间编码在特征图案110中出现，它指示在存档的每个帧中的哪个地方找到视频信息的每个帧。如果视频内容102中存在隔行扫描的场，那么特征图案110还指示编码器112对在时间上不同的场进行的空间编码。
这些信息可以作为被包含在图案110中的数据或文本提供，或基于图案的空间配置或布局（layout）提供，两种方式中的任何一种都适合机器或人工可读。例如，图案110可以包含与图像数据的位置和布局相关的文本，例如说：“图像数据全部都在（不包括）红色边框内”（例如，参照图4B中的元素451），这种具体信息可能对存档格式不熟悉的人特别有帮助。文本也可以用来对图案进行注释以例如标示原始视频的格式，例如，“1920×1080，隔行扫描，60Hz”，并且可以打印每个帧的时间代码（其中，在整个存档中周期性提供至少一部分校准图案）。
此外，可以使用特定的元素（例如，边界或指示线）向编码器112指示数据的物理范围或位置，可以使用存在的两个这种与一帧中的两个数据区域对应的元素（或一个双倍高度元素（double-height element））来指示在每一帧中存在两个待被隔行扫描的场。
在另一个实施例中，数据，如，二进制值的集合，可以被提供为明暗像素，可选择地结合几何参考标记（指示参考帧以及水平和垂直坐标的标度）。这种基于数值的位置和标度可以用于代替图形描绘的数据区域边界。这种二进制图案还可以表示每个帧的合适的SMPTE时间代码。
对于编码器112进行的比色编码，特征图案110包括形成所选代码值的预定空间布置的块（patch）。可能对这些选择的代码值（例如，视频白色、黑色、灰色、色度蓝色、色度绿色、各种肤色、大地色调、天蓝色和其它颜色）进行选择是因为它们要么对图像的正确技术呈现非常关键、对人的感知较为重要，要么较宽范围颜色的示例。每种预定的颜色都会有预先确定的位置（例如，该颜色将会被呈现在块内的哪个地方），以便解码器知道在哪里找到它。对用于这些块的代码值进行选择以基本覆盖视频代码值的全部范围（包括位于或接近每个颜色分量极端处的值），以便允许以足够的精度内插或外推非选定值，尤其在覆盖稀疏的情况下。特征图案110中提供的块的子集可以将某些颜色分量与其它分量分开地或独立地呈现（即，其它分量的值固定不变或为零）和/或以不同的组合（例如，所有分量具有相同的值时的灰度；和/或非灰度值的不同集合）呈现。
特征图案110分开呈现分量的用途之一是允许方便地表征伴随染料串扰的任何影响的、颜色染料随着存档老化的线性度和褪色情况。然而，带有各种颜色分量的组合的块也可以用来传达类似信息。使得特征图案中的色块（color patch）的空间布置和代码值可供解码器在从胶片存档恢复视频时使用。例如，有关块位置（绝对的或相对参考位置）及其颜色或代码值表示的信息将允许解码器正确地解释块，不管与整个处理变化或者或存档老化一起的干扰问题。
无论视频数字化器106生成RGB形式的代码值还是一些其它的表示，视频数据108都包括被转换成或可以被转换成RGB代码值的代码值。虽然RGB代码值通常是10位表示，但该表示也可以更小或更大（例如，8位或12位）。
视频数据108的RGB代码的范围（例如，由视频数字化器106的配置或转换成RGB时选择的处理确定，或由原始视频内容102或视频源104的表示预先确定）应该与表示在特征图案110中表示的代码的范围对应。换句话说，特征图案优选地至少覆盖视频像素值可能使用的代码的范围，从而不需要外推（extrapolate）范围。这种外推不太可能是非常准确的。例如，如果图案覆盖范围为100-900的代码，而视频覆盖范围为64-940，那么最后对视频的子范围64-100和900-940，需要从最近的两个或三个相邻点（比方说，可能是每隔一百计算一次）外推。不得不基于视频代码100、200和300等的转换估计出视频代码64的转换会出现问题，这种估计假设胶片性能（behavior）在视频代码64处对光响应的方式与它在视频代码100、200等处响应的方式相似，但事实可能并非如此，因为胶片的特性曲线通常在较低和较高曝光限值附近具有非线性的响应。
例如，如果特征图案110使用10位的代码值，并且如果视频数据108的代码只有8位，那么作为编码器112执行的编码操作的一部分，可以将视频数据108左移并填充零以生成10位的值，其中八个最高有效位对应于原始的8位值。在另一个示例中，如果特征图案110使用的位比视频数据108的表示更少，那么可以截断（使用或者不使用舍入）视频数据108多余的最低有效位以匹配特征图案表示的大小。
根据图案的具体实施或设计，将特征图案110包括在已编码文件114中可以提供用于解释存档的自述性或自给自足的（self-sufficient）信息，包括老化对存档的影响。例如，对老化影响的解释可以基于比色元素（如密度梯度）进行，因为特征图案中的元素与在胶片存档中的图像具有相同的老化效果。如果颜色图案被设计为代表视频内容的整个颜色范围，那么也可以在解码器不具有有关图案的先验知识或预定信息的情况下对图案进行算法上或试探性地解码。在另一个实施例中，用于存档解释的文本指令可以被包括在特征图案中，这样解码器可以在没有有关图案的先验知识的情况下对存档进行解码。
已编码文件114，无论是否存储在存储装置中（未示出）并在稍后编码器112工作时被实时重调用（recalled）或流传输，都被提供给胶片记录器116，胶片记录器116根据已编码的文件数据对彩色生胶片118进行曝光以生成带有潜在（latent）存档数据的胶片输出122（即，曝光的胶片），这些胶片输出在化学胶片处理机124中显影和定影以生成胶片存档126。
胶片记录器116的目的是接受已编码文件114中每个像素的密度代码值并在生胶片118上产生曝光导致在胶片处理机124生成的胶片存档126上的特定颜色胶片密度。为了改善呈现给胶片记录器116的代码值和得到的胶片存档上的密度之间的关系或相关性，使用来自校准程序的数据120对胶片记录器116进行校准。校准数据120取决于生胶片118的具体制造和胶片处理机124的预期设置，它可以以用于将胶片密度代码转换成胶片密度的查找表的形式提供。达到生胶片118的特性曲线（即log10曝光量（勒克司-秒）和密度（透射率的倒数的log10）之间的关系）具有任何非线性的程度，校准数据120会产生线性化以使得在密度代码值的整个范围内密度代码值的给定变化产生固定的密度变化。此外，校准数据可以包括用于染料灵敏度串扰的补偿矩阵。
在一个实施例中，生胶片118是中间生胶片（例如，纽约罗切斯特柯达公司制造的Eastman彩色中间负片II胶片5272），尤其是被设计成和胶片记录器一起使用（例如，柯达公司制造的柯达VISION3彩色数字中间胶片5254）并被工程化为具有更加线性的特性曲线的中间生胶片。图9A图示了该胶片在一定的曝光和处理条件下对蓝色、绿色和红色的特性曲线。
利用对应的不同的校准数据120可以使用其它类型的生胶片。图9B图示了这些生胶片的特性曲线的另一个示例（例如，对一种颜色），它可以表现出与图9A相比更短的线性区域，即更小的在线性区域BC内的曝光值范围。此外，特性曲线具有更加明显（例如，在更大范围的曝光上）的“趾（toe）”区域AB，在较低的曝光量处具有降低的胶片灵敏度，即相比线性区域BC，其中增量曝光产生相对较小的增量密度的曲线中更小的斜率，以及在较高曝光处的“肩（shoulder）”区域CD，应变于曝光量具有类似的降低的胶片灵敏度。对于这些生胶片，整体的特性曲线具有更明显的S形曲线形状。虽然如此，可以使用对应的校准数据120来线性化像素代码值和待被记录在胶片存档上的密度之间的关系。然而，得到的胶片存档126将对胶片记录器116和胶片处理机124的精度的变化更加敏感。此外，由于该特性曲线的线性区域BC比柯达中间负片II胶片5272的更加陡峭，即对于给定的曝光增量变化，相应的密度变化会更大，这种生胶片更容易在中间区域受到噪声影响（在高或低曝光区域则没那么容易）。
因此，为了生成胶片存档，来自编码文件114的数值密度代码值“c”（例如，对应于像素颜色中的红基色的量）被提供给胶片记录器116以基于校准数据120转换成相应的基于胶片的参数，例如胶片密度（通常以被称为“M状态（status-M）”的单位测量）。校准提供了密度代码值“c”和得到的密度之间的一种精确的、预先确定的线性关系。在一个常用的示例中，胶片记录器被校准成对每个增量代码值提供0.002的增量密度。根据胶片特性曲线（类似于图9A-B）确定生成想要的胶片密度所需的曝光量，并将其施加到生胶片上，这通过胶片处理机124处理后可获得胶片存档。为了从胶片存档中获取视频内容，使用校准过的胶片扫描仪将胶片密度转换回代码值“c”，如在下面的图1B的存档获取系统部分所讨论的。
图1B图示了一种用于从胶片存档（例如，由存档制作系统100制作的胶片存档126）恢复视频的存档读取或获取系统130的示例。胶片存档126可能由胶片存档系统100新近生成，也可能已经基本老化了（即，存档读取系统130可以在存档126产生了五十多年之后对该存档进行操作）。
胶片扫描仪132扫描胶片存档126以将胶片密度转换成胶片数据136，即用密度代码值表示的胶片数据。胶片扫描仪132具有校准数据134，它与校准数据120类似，是线性化和归一化扫描仪对胶片密度的响应的参数值的集合（例如，偏移量、缩放，可能是非线性的，也许是其自身的颜色查找表）。使用已校准的扫描仪对胶片存档126上的密度进行测量，并在胶片数据136中生成线性代码值，即增量代码值至少在胶片存档126的整个密度范围内代表相同的密度变化。在另一个实施例中，校准数据134可以线性化可由胶片扫描仪132测量的整个密度范围内的密度的代码。使用已正确校准的扫描仪（例如，具有密度代码值和胶片密度之间的线性关系），扫描仪132读取或测量利用与来自已编码文件114的代码值“C”对应的密度记录的图像部分，得到的数值密度代码值将约等于（如果并非精确地等于）“C”，排除了任何老化影响或处理漂移。
为了建立用于空间和时间解码的参数，解码器138读取并检查胶片数据136以找到对应于特征图案110的部分，该部分将被进一步检查以识别数据区域（即包含视频数据108的表示的区域）在胶片数据136内的位置。该检查将揭示视频数据108是否包括逐行或隔行扫描光栅，以及在哪里找到与帧或场对应的数据区域。
基于与特征图案相关或从特征图案获得的先验知识或信息，解码器138辨识胶片数据136中的哪些密度代码值与特征图案110中的原始像素代码对应，并在解码器138内创建查找表。例如，与图案有关的先验知识可以预先确定或被单独提供给解码器，或者可以在图案本身之中包括信息，明示地或可由惯例已知。明确地创建可能是稀疏的查找表以用于解码胶片数据136。随后，可以对在与视频内容数据对应的胶片数据136的部分中读取的密度代码值进行解码，即，使用该查找表转换成视频数据，包括根据需要使用内插。
因此，解码器138从胶片数据136中将视频数据提取出来并进行比色解码，根据合适的方式无论是逐场还是逐帧进行。视频输出装置142读取恢复的视频数据140，它可以将视频数据140格式化成适合视频记录器144的视频信号以生成再生的视频内容146。
视频记录器144可以是例如视频录像带或数字视频盘记录器。替代性地，可以使用广播或内容流传输系统来代替视频记录器144，恢复的视频数据140可以在没有中间记录形式的情况下被直接提供用于显示。
作为质量检查或演示存档制作和存档读取系统100和130的有效性，可以使用可以包括显示器152和154的视频比较系统150检查原始视频内容102和再生的视频内容146，以允许操作者以并排展示的形式观看原始视频和恢复的视频。在比较系统150的另一个实施例中，A/B切换可以在共用的显示器上交替显示一个视频和另外一个视频。在又一个实施例中，可以以“蝴蝶（butterfly）”显示的形式显示这两个视频，其在同一显示器上呈现原始视频的一半和恢复的视频的同一半的镜像图像。这种显示优于双重（例如，并排）显示，因为两个视频对应的部位被呈现在相似的环境中（例如，在针对于它们各自背景的相似的对比度），从而有利于两个视频之间的视觉比较。根据本发明从胶片存档生成的视频内容146基本上与原始视频内容102相同。
图2和图3图示了在胶片存档126中编码的视频数据的帧的示例性实施例。在胶片存档200中，若干逐行扫描视频帧被编码成胶片上的帧F1、F2和F3，在胶片存档300中，若干隔行扫描视频帧被编码成单独的、连续的场，如F1-f1、F2-f2等，其中Fl-fl和Fl-f2表示同一帧F1内的不同的场f1、f2。胶片存档200和300分别被存储或写在生胶片202和302上，诸如204和304之类的对应的穿孔用于建立示例性胶片帧220和320各自的位置和间隔。每个胶片存档可以具有可能是模拟的或数字的或二者的可选的声道206、306或用于与被单独存档的音轨同步的时间代码轨道（未示出）。
胶片存档200的数据区域210、211和212以及胶片存档300的数据区域310、311、312、313、314和315包含在其相应的胶片帧（帧220和320作为示例）内被分隔开的单独的视频场的表示。这些数据区域具有距相应的胶片帧的边缘的水平间距224、225、324、325，距相应的胶片帧的开始的垂直间距221、321以及垂直高度222和322，隔行扫描的场具有场间的分隔323。所有这些参数或尺寸都由特征图案中提供的空间和时间描述识别，将在下面结合图4A-B以及5-6更加详细地描述。
图4A示出了被记录为胶片存档126内的首部400的特征图案110，并且在此示例中，原始视频内容102具有隔行扫描的场。胶片帧的高度420与四个穿孔（如穿孔404所图示）的行程（run）的长度相同，形成常规的4穿孔（“4-perf”）胶片帧。在一个替代实施例中，可以选择不同整数的胶片穿孔作为胶片帧的高度。
在图示的实施例中，在每个4-perf胶片帧之内，数据区域412和413包含两个视频场的表示（例如，与胶片存档300中的场312、313类似），并可以由它们各自的边界限定。在此示例中，数据区域的每个边界用三个矩形来表示，如在图4B中更详细地示出，它表示与形成数据区域412的边界的矩形451、452和453的角部分对应的区域450的放大视图。换言之，图4A中具有角区域450的矩形包括三个矩形：451、452和453，它们被绘制成胶片400上作为像素，例如，每个矩形是一个像素厚。矩形452的颜色和/或胶片密度不同于相邻的矩形451和453，并用杂乱（hash）图案显示。在此示例中，场412的数据区域包括位于矩形452之上或之内的像素（即，区域412在矩形452的内部，包括矩形453内的那些），但不包括矩形451内或以外的那些。矩形451可以以易于辨识的颜色（例如，红色）呈现，以便于检测数据区域与非数据区域之间的边界。
因此，在胶片存档300的每个相应的数据包含帧中，以与在特征图案帧420内布置区域412和413的方式（包括在边界矩形452之外）完全相同的方式在相应的胶片帧（例如，帧320）中布置第一和第二场（例如，F2-fl和F2-f2）。在本实施例中，胶片记录器116和胶片扫描仪132分别需要准确和可重复地定位生胶片118和胶片存档126，以确保可重现地、准确地将已编码文件114映射到胶片存档，并在视频恢复过程中从胶片存档映射到胶片数据136。
因此，当扫描仪132读取时，矩形451-453精确地指定了每个胶片帧中的第一场的位置或边界。胶片记录器和胶片扫描仪根据能够以子像素的精度相对于穿孔来定位胶片的原则工作。因此，相对于胶片300的四个穿孔304，每个第一场（例如，Fl-f1、F2-f2和F3-f1）与其它的奇数场具有与帧的四个穿孔相同的空间关系，对于第二场F1-f2，F2-f2和F3-f2是同样的。相同的空间关系对特征图案400也成立，它限定第一场和第二场所在的区域。因此，区域412，如其具体的边界配置（例如，矩形451、452和453）所表示的，指定了第一场F1-f1、F2-fl和F3-f1等的位置。
相似地，数据区域413周围的矩形指定了在找到单独的第二场（例如，FL-f2、F2-f2和F3-f2）。对于逐行扫描的实施例，具有相应的边界（例如，类似于图4B中详细图示的那些矩形）的单个数据区域将指定在随后的胶片帧（例如，220）内会在哪发现逐行扫描帧视频数据区域（例如，210-212）。
图4A和4B都示出了第一场412的顶部412T，并且定义了头间隙421。与侧间隙424和425、区域413下面的尾部间隙426一起，对顶部间隙421进行选择以确保数据区域412和413在胶片帧420内足够多地放置插入物（inset），使得胶片记录器116能够可靠地寻址整个数据区域412和413以进行写入，并且使得胶片扫描仪132能够可靠地访问整个数据区域以进行读取。在隔行扫描的视频内容的存档中存在场间间隙423（以较之第一和第二场412和413的夸张的比例示出）确保可以精确且清楚地存储和恢复每个场，而不会在扫描的图像中引入明显的可能是由于扫描仪中胶片未对准而引起的错误。在另一个实施例中，可以没有场间间隙423，即，间隙实际上为零，两个场相互邻接。然而，在没有场间间隙423的情况下，扫描仪中的未对准可能导致一个场的边缘附近的像素被作为相邻场的像素而读取或扫描。
胶片帧420中的特征图案包括例如比色元素430-432。比色元素可以包括中性梯度（neutral gradient）430，在一个实施例中，它是覆盖每种颜色染料的从最小到最大密度范围的21级灰度（例如，从约0.05到3.05的密度，步长约为0.15，假设可以在新胶片存档126内从生胶片118可实现这些密度）。正如前面所提到的，密度梯度可以用作老化影响的自校准工具。例如，如果在将来某个时候扫描时发现梯度430的亮端（即，最小密度）密度偏大10％，那么解码器138可以通过将存档胶片中最亮或最小密度降低相应量来修正这种老化效应。如果梯度的暗端（即，最大密度）密度偏小5％，那么将存档胶片中相似的暗像素增加相应量。此外，可以基于两个梯度读数进行任何密度值的线性内插，并且通过使用梯度430上的附加读数，系统可以对非线性的老化效应进行补偿。
比色元素还可以包括一个或多个基色或间色梯度431，在一个实施例中，它是一种从基本只有一种染料（用于测量基色）或两种染料（用以测量间色）的大约最小密度到最大密度的21级标度。与上面描述的中性密度梯度相似，也可以对由单独染料的老化所引起的密度漂移进行测量并提供补偿。
为了更加完整地表征，比色元素可以包括表示特定颜色的块的几何432。颜色的示例性的集合通常与在用于色彩通信（color communication）和控制的ANSI IT8标准中发现的那些相似，例如，美国国家标准协会（Washington DC）发布的一般用来校准扫描仪的IT8.7/1R2003Graphic Technology-ColorTransmission Target for Input Scanner Calibration；或MI Grand Rapids的X-Rite公司销售的Munsell ColorChecker）。这些颜色强调色域中更加自然的部分，提供较之灰度或纯基色或间色更能代表肤色和叶子的颜色样本。
可以在单个胶片帧420的首部中提供特征图案。在一个替代性实施例中，可以在若干附加的帧的每一个中完全相同地再现（reproduce）帧420的特征图案，这样做的优点是可以在多次读取和合适的滤波的基础上避免噪声（例如，来自影响胶片记录、处理或扫描的污垢斑点）。在又一个实施例中，除了胶片帧420之外还可以在多个胶片帧（未图示）的首部中提供特征图案，例如以提供更多的特征信息（例如，附加的色块或分级梯度（steppedgradients））。例如，特征图案可以包括在许多胶片帧上提供的不同的测试图案的序列，例如，第一帧中用于测试灰度的测试图案、三个帧中用于测试单个颜色（例如，分别为红色、绿色和蓝色）的三个不同的测试图案以及另外四个帧中覆盖有用的叶子和肤色调色板（palette）的测试图案。这种特征图案可以视为是一个延伸长达八个帧的特征图案，或者替代性地被视为是在八个帧中提供的不同的特征图案。
图5和图6示出了替代性实施例，其中对各自的特征图案（例如，图1中的图案110）进行记录以在整个相应的胶片存档上在许多胶片帧上分布和重现。图5示出了用于逐行扫描视频的胶片存档500的一部分中的特征图案（类似于图2），图6示出了用于场隔行扫描的视频的胶片存档600的一部分中的特征图案（类似于图3）。根据本发明存档的视频将具有被作为特征图案而在包含数据区域的相同的胶片帧中提供或嵌入的有关空间、时间和比色特性的信息。通过在整个扫描胶片存档的过程中反复读取或测量不同的帧中的各种特性（例如，颜色和/或密度）可以合适地修正胶片中的老化效应，因为老化效应可能会随着一卷胶片中的位置的不同而有所不同（例如，该卷的外部环绕的胶片可能比卷轴内部经历更大的温度波动）。
在胶片存档500和600中，相应的特征图案包括分别用于表示数据区域211和312/313的宽度的列指示符510和610。在这些示例中，列指示符510和610分别位于顶部间隙221和321之中。每个列指示符510和610可以包括例如可检测出不同于周边区域的颜色的水平条。水平条的左端和右端表示数据区域的左、右极端或极限，从而限定存档500的左侧间隙224和右侧间隙225之间的精确宽度或间隔，以及存档600的左侧间隙324和右侧间隙325之间的间隔。列指示符510和610可以具有表示特定的列的标记或垂直条纹，它可以用来补偿由胶片记录器116写入和由扫描仪132读取的水平像素位置中的非线性之间的任何差异。
作为一个示例，假设胶片记录器具有沿水平方向的非线性，使得在帧的边缘附近用x个像素/毫米、在中心附近用y个像素/毫米（其中x和y是整数，y大于x）写入列像素，并使用水平方向没有非线性的扫描仪例如从边缘到中心以z个像素/毫米（其中z是x和y之间的整数）读出胶片存档。如果不对记录器和扫描仪之间的非线性的差异进行补偿，那么在屏幕上移动的图像对象将会看起来在边缘附近被拉伸，即从x个像素到z个像素每毫米，而在中心附近被压缩，即从y个像素到z个像素每毫米。通过在帧的顶部上提供列标记（如510和610）（例如，周期性列间隔处的核对标记（tick mark）），可以跟踪存档胶片（来自胶片记录器）和胶片扫描仪中存在的任何非线性，并在恢复的视频中对其进行补偿。
例如，列标记和列中的像素它们本身可能由一台具有一定失真的机器（例如，胶片记录器）写入，并由具有不同的失真的另一台机器（例如，胶片扫描仪）读回。然而，由于给定的列标记的转化经历与列中每个像素相同的失真，因此数据可以被无失真地恢复（即，可以对失真进行修正或补偿），因为每一列的原始位置（即来自源视频的像素的位置）都被该标记明确地标注（例如，如果使用格雷码，那么该标记可被用来通过数字标注列）。替代性地，该标记也可以被用来模拟像素时钟（pixel clock），如在一系列的明暗像素中。
类似地，行指示符540和640用于指定视频的各条扫描线被记录在胶片帧220和320中的哪个地方。在这些示例中，行指示符540和640分别位于左侧间隙224和324中。在一个实施例中，行指示符540和640可以是条状物，与列指示符500和600相似，但定向为确定或指示数据区域的垂直范围。该实施例可以使用的条纹以更好地识别单条扫描线。在另一个实施例中，行指示符540和640可以包括允许对数据区域的每条扫描线以及可能地胶片帧内的其它地方进行不同编号的二进制格雷码。与核对标记大约每三列进行标记不同，格雷码可以用来对多个单独的列进行编号。
比色元素或指示符521-523以及530被设置在胶片帧220内，比色指示符621-623以及630被设置在胶片帧320内，但在各自的数据区域211、312、313和列/行指标符510、540、610和640之外。这些元素可以被放置在数据区域以外的许多不同的位置上，包括任何或所有的顶部间隙221、321（例如，中性密度梯度521、621）、场内间隙323（例如，色块集（color patch set）630）或在胶片帧的底部但在数据区域的下面，例如，块530或梯度522、523、622、623。这些密度梯度和块可以被配置具有与结合图4A讨论的属性相似的属性。
在胶片存档500、600的某些帧中，相应的特征图案110的比色元素可被重复，即在不同的帧中使用或设置完全相同的元素，它可以包括在连续的帧中或在整个胶片存档中以不同的间隔插入相同的特征图案。替代性地，也可以在单独的帧中设置不同的比色元素。例如，在胶片存档600中，如果期望比装配好（fit in）场间间隙323更多的如630的色块，那么可以在多个连续的帧中设置不同的或附加的块。同样地，密度梯度可以在若干连续的帧内变化。如果特征图案110被设计具有在多个连续的帧内变化的比色元素，那么该变化可以形成在整个存档500、600中偶尔或连续重复的循环（cycle）。特征图案的比色元素的这种重复可以提供在形成存档126的整卷胶片中连续的特征。这允许视频恢复系统130对可能存在于胶卷的头部和尾部之间任何差异变化进行补偿（例如，当胶片处理机124中的显影剂槽的温度在正在处理胶片输出122时上升可能会发生；或者当存档126已经被存储在具有明显的温度波动的房间中，这加速存档126中胶卷的外侧部分的染料褪色甚于内侧部分）。
图7示出了创建视频内容的胶片存档的过程700。过程700可以通过如图1A中的胶片存档系统实施，从步骤710开始，将数字视频数据108提供给编码器112。在步骤712中，还提供与视频数据相关联的对应的特征图案110。特征图案具有与编码器兼容（也与用于恢复视频的解码器兼容）的格式，可以被设置为带有有关视频数据的信息的文本文件或作为被包括在视频帧中的（多个）图像，例如，在预添加的（pre-pending）作为首部或被包括或者与图像数据的一个或多个帧合成，但在不包含图像数据可读/可写区域，如帧间间隙区域。特征图案包括被设计用于传送有关下面的至少一项的信息的一个或多个元素：视频格式、视频帧的时间代码、数据区域的位置、颜色或密度值、胶片存档的老化、胶片记录器和/或扫描仪中的非线性或失真，等等。
在步骤714中，对视频数据和特征图案的所有像素值进行编码以生成编码数据114，它是与各自的像素值对应的胶片密度代码值（例如，Cineon代码）。在一个实施例中，胶片密度代码值和各个像素值通过大致的线性关系相关联。依赖于特征图案描述的布局，特征图案和视频数据可以同时存在或共存于编码数据114的一个或多个帧中，或者该图案和视频数据可以占据若干单独的帧（例如，在预添加图案作为首部的情形中）。
在步骤716中，使用胶片记录器116将编码文件数据写入生胶片118。在一个实施例中，基于胶片密度代码（例如，Cineon代码）和胶片密度值之间的线性关系对记录器进行校准，根据各自的胶片密度代码或对应的文件密度值通过适当的曝光在负片上形成潜像。
在步骤718中，使用已知或常规技术对曝光的生胶片进行处理或显影以在步骤720生成胶片存档126。
应该注意，在这个过程700中，该胶片存档可能不适合生产高品质的胶片正片（film print），因为在编码数据文件中可能未考虑视频像素值（来自原始视频数据）和胶片密度代码之间的任何非线性关系。
图8示出了根据本发明的原理的一种从胶片存档（如通过过程700生成的存档126）恢复视频内容的过程800。过程800可以被实施在如图1B的示例的系统中。在步骤810中，胶片存档（可以是一个“比较老”的存档）被提供用于步骤812中由胶片扫描仪132进行的扫描以生成胶片数据136，即测量的胶片存档上的密度被转换成相应的密度代码。依赖于具体存档和特征图案，不一定扫描或读取整个胶片存档，而是扫描或读取至少一个或多个数据区域，即包含对应于视频内容的数据的部分。例如，如果特征图案只包含与视频数据有关的空间和时间信息（没有比色信息），那么甚至无需扫描特征图案本身就可以识别正确的视频数据部分。与胶片记录器类似，也基于密度代码和胶片密度值之间的线性关系对扫描仪进行校准。
在步骤814，基于有关特征图案的先验知识，解码器138从胶片数据136中挑出或识别出特征图案110的记录。在步骤816中，解码器使用特征图案和/或其它有关各种元素的配置的先验知识（例如，某些对应于从白色开始且线性前进十级的灰度梯度的块，或某些代表颜色的特定顺序设置的块）以确定适合胶片数据的解码信息，包括数据区域的位置和定时（timing）的规范和/或比色计。在步骤818中，使用解码信息对在胶片存档中的数据区域进行解码，即根据胶片密度代码转换数据以生成在步骤820中从其中恢复视频的视频数据。
上述过程的其它变型可能涉及从胶片存档中省略特征图案或其一部分，即使它被用于编码目的并被设置在编码文件中。在这种情况下，解码器可能需要附加的信息以正确地解码胶片存档。例如，如果图像的位置和密度由某个标准规定，那么无需在胶片存档中包括特征图案。作为替代地，该标准或其它惯例的先验知识将提供附加的信息供解码时使用。在这种和其它不需要扫描特征图案的情况下，过程800中的步骤814可以省略。另一种示例可能涉及在胶片存档中只包括图案的一部分（例如，色块）。可以与胶片存档分开而使对块进行解释的附加信息对解码器可用，以用于解码存档。
虽然前述内容主要针对本发明的各种实施例，但是在不脱离其基本范围的情况下还可以设计出本发明的其它实施例。例如，上述示例中描述的一个或多个特征可以被修改、省略和/或以不同的组合使用。因此，本发明的正确范围将根据下面的权利要求来确定。

Claims (20)

1.一种用于将视频内容存档在胶片上的方法，包括：
对数字视频数据和与数字视频数据相关联的特征图案进行编码以形成编码数据，其中所述编码数据包括与所述数字视频数据对应的胶片密度代码；
根据所述胶片密度代码将编码数据记录到胶片上；以及
从具有记录的编码数据的胶片生成胶片存档。
2.如权利要求1所述的方法，其中根据所述特征图案进行所述编码。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述特征图案提供与所述数字视频数据有关的时间、空间和比色信息中的至少一项。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述特征图案包括视频帧的时间代码、指示视频数据在胶片存档上的位置的元素、以及代表预定像素代码值的色块中的至少一项。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述特征图案包括数据、文本和图形元素中的至少一种。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述特征图案还包括：
密度梯度和代表不同颜色分量的色块中的至少一项。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述特征图案被设置在至少一个未包含任何视频数据的帧中。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述特征图案被设置在至少一个包含视频数据的帧中。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述编码步骤还包括基于实质上的线性关系将数字视频数据转换成胶片密度代码。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述胶片存档包含多个帧，其中每一帧与逐行扫描视频的一帧对应。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述胶片存档包含多个帧，其中每一帧具有代表隔行扫描视频的一帧的相应的奇数行和偶数行的像素的两个场。
12.如权利要求1所述的方法，其中以RGB代码值形式提供所述编码数据。
13.一种用于从胶片存档中恢复视频内容的方法，包括：
扫描胶片存档的至少一部分，所述胶片存档包含与数字视频数据和与所述数字视频数据相关联的特征图案对应的基于胶片的数据；以及
基于所述特征图案从所述胶片存档恢复视频内容。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述恢复步骤包括：
从所述特征图案确定解码信息；以及
基于所述解码信息将基于胶片的数据转换成数字视频数据。
15.如权利要求14所述的方法，其中按照基于胶片的数据和数字视频数据之间的线性关系进行所述转换步骤。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述特征图案提供与所述数字视频数据有关的时间、空间和比色信息中的至少一项。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述特征图案包括视频帧的时间代码、指示数字视频数据在胶片存档上的位置的元素、以及代表预定像素代码值的色块中的至少一项。
18.如权利要求13所述的方法，其中用胶片密度值表示与数字视频数据对应的基于胶片的数据。
19.一种用于将视频内容存档在胶片上的系统，包括：
编码器，用于生成编码数据，所述编码数据包含与数字视频数据和与所述数字视频数据相关联的特征图案对应的基于胶片的数据；
胶片记录器，用于将编码数据记录在胶片上；以及
胶片处理机，用于处理胶片以生成胶片存档。
20.一种用于从胶片存档中恢复视频内容的系统，包括：
胶片扫描仪，用于扫描胶片存档以生成基于胶片的数据；
解码器，用于从基于胶片的数据中识别出特征图案，并用于基于所述特征图案解码所述基于胶片的数据以生成用于恢复所述视频内容的视频数据。
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