淺談4K技術(shù)

李舉剛 柏堂琪

（作者單位：陜西省廣電網(wǎng)絡(luò)鎮(zhèn)坪縣支公司）

淺談4K技術(shù)

李舉剛 柏堂琪

（作者單位：陜西省廣電網(wǎng)絡(luò)鎮(zhèn)坪縣支公司）

摘 要：隨著各種屏幕顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于生活中美好事物更高享受的追求是無(wú)止境的。在資源流動(dòng)頻繁的現(xiàn)在，視頻與我們每個(gè)人息息相關(guān)。本文介紹了生活中常見的視頻制式，并著重介紹了4K技術(shù)及其在電影中應(yīng)用，最后簡(jiǎn)單地分析了它們?cè)谖磥?lái)的前景。

關(guān)鍵詞：4K；分辨率；視頻；高清

第18屆上海國(guó)際電影節(jié)組委會(huì)于2015年4月15日和5月5日分別公布第一、二批包括了《亂世佳人》《龍門客?！返冉?jīng)典影片的4K修復(fù)片單。作為視頻領(lǐng)域的又一新技術(shù)，4K的熱潮正席卷全球。來(lái)自國(guó)際電信聯(lián)盟的定義，4K技術(shù)是一種分辨率很高的超高清顯示技術(shù)（UHD，Ultra High Definition），分辨率可達(dá)3840×2160萬(wàn)像素，是全高清（FHD，F(xiàn)ull High Definition）的4倍、高清（HD，High Definition）的8倍。4K技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于極致細(xì)膩的顯示效果，具備更大的可視角度，帶來(lái)更強(qiáng)的視覺沖擊，解決了大屏幕顯示設(shè)備細(xì)節(jié)遺失、無(wú)法真實(shí)還原的問題。所以本文重點(diǎn)對(duì)在電影方面4K制式進(jìn)行研究。

1 常見分辨率的介紹

說到4K技術(shù)不得不先提及HD，HD是在廣播電視領(lǐng)域首先被提出的，最早是由美國(guó)電影電視工程師協(xié)會(huì)（SMPTE）等權(quán)威機(jī)構(gòu)制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。視頻監(jiān)控領(lǐng)域也廣泛沿用了廣播電視的標(biāo)準(zhǔn)，將“高清”定義為720p、1080i與1080p三種標(biāo)準(zhǔn)形式。而1080p又有另外一種稱呼，即全高清。通常在高清中常見的分辨率是720p、1080i、1080p、a1080、a720、816p。識(shí)別其是否是高清，主要是看其分辨率，這三個(gè)是用于標(biāo)識(shí)高清影片分辨率的關(guān)鍵指標(biāo)。其中，數(shù)字后跟隨的i和p分別是lnterlace scan（隔行掃描）和Progressive scan（逐行掃描）的英文縮寫，而數(shù)字反映的是高清影片的垂直分辨率。像720p，就是指1280×720逐行掃描，1080i就是1920×1080隔行掃描，這是一種將信號(hào)源的水平分辨率按照約定俗成的方法進(jìn)行縮略的命名規(guī)則。達(dá)到720p以上的分辨率，是高清信號(hào)源的準(zhǔn)入門檻，720p標(biāo)準(zhǔn)也被稱為HD標(biāo)準(zhǔn)，而1080i/1080i被稱為Full HD（全高清）標(biāo)準(zhǔn)。下面簡(jiǎn)單介紹720p、1080i、1080p這三種。

1080p顯示格式為：1920×1080，像素?cái)?shù)達(dá)到207.36萬(wàn)。其數(shù)字1080則表示垂直方向有1080條掃描線，字母P意為逐行掃描（ Progressive Scan）。通常1080P的畫面分辨率為1920×1080,即一般所說的高清晰度電視。幀率通常為60Hz，可標(biāo)示在p后面，如1080p30。常見的幀率有24、25、30。并非HDMI就一定有1080p的輸出，視頻源一定要能支持1920×1080才能算是真正的1080p輸出。

720p是一種在逐行掃描下達(dá)到1280×720的分辨率的顯示格式。像素?cái)?shù)達(dá)到了92.16萬(wàn)。其數(shù)字720代表了垂直方向會(huì)有720條掃描線，p也是指逐行掃描。

1080i是一種高清晰度顯示格式。其中，“1080”表示垂直方向有1080條水平掃描線，“i”表示采用交錯(cuò)式掃描視頻顯示方

（interlaced scan）。在播放時(shí)，它先掃描單數(shù)的垂直畫面，再掃描雙數(shù)的垂直畫面，故文件的容量也只有1080p一半。

2 4K的介紹

2.1 視頻信號(hào)的基礎(chǔ)知識(shí)

（1）像素

一幅平面圖像，通過人眼對(duì)圖像細(xì)節(jié)分辨力相對(duì)有限的視覺持性，都能把一副畫面看成為許多個(gè)小單元而組成。我們把這些夠成一幅畫面的細(xì)小單元叫做像素。明顯的，一副畫面的像素越小，其單位面積的像素個(gè)數(shù)就越多，所組成的圖像就越清晰。

（2）圖像幀

在電視系統(tǒng)中，把組成一幅圖像的所有像素都完成一遍傳送叫做完成一個(gè)幀處理，也稱作傳輸了一幀，每一幀圖像由多個(gè)像素構(gòu)成。

（3）掃描

把構(gòu)成一幀畫面圖像的像素，依次轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的過程（或者逆過程）叫做掃描。掃描過程同我們看書時(shí)視線由左至右、從上到下的過程相似。由左到右的掃描叫做行掃描，從上到下的掃描叫做幀（或者場(chǎng)）掃描。

（4）解析度（分辨率）

分辨率（解析度）往往是720p，1080p，高清，超清，HDTV等的概念。分辨率就是屏幕圖像的精密度，在顯示設(shè)備上表示能顯示的像素的多少。由于屏幕上的點(diǎn)、線和面都是由像素組成的，顯示器可顯示的像素越多，畫面就越精細(xì)，同樣的屏幕區(qū)域內(nèi)能顯示的信息也越多，分辨率是清晰度重要指標(biāo)之一，但不絕對(duì)。如視頻分辨率高，但由于壓制方式原因?qū)е录?xì)節(jié)差，或有人將

低分辨率的素材強(qiáng)行拉伸到高分辨率，畫面則慘不忍睹。

2.2 4K技術(shù)及4K電影

（1） 4K技術(shù)

4K分辨率是發(fā)展的趨勢(shì)，即4096×2160的像素分辨率，它是2K投影機(jī)和高清電視分辨率的4倍，屬于超高清分辨率。

4K，具有新一代好萊塢大片的分辨率標(biāo)準(zhǔn)。它不同于我們?cè)诩依锟吹乃^高清電視（1080P，1920×1080分辨率），

也不同于傳統(tǒng)數(shù)字影院的2K分辨率的大屏幕（2048×1080分辨率）而是具有4096×2160分辨率的超精細(xì)畫面。傳統(tǒng)高清電視是207萬(wàn)像素的畫面，而在傳統(tǒng)數(shù)字影院里看到的是221萬(wàn)像素的畫面，在4K影院里，能看到885萬(wàn)像素的高清晰畫面。

在數(shù)字技術(shù)領(lǐng)域，通常采用二進(jìn)制運(yùn)算，而且用構(gòu)成圖像的像素來(lái)描述數(shù)字圖像的大小。由于構(gòu)成數(shù)字圖像的像素?cái)?shù)量巨大，通常以K來(lái)表示。2的10次方即1024，因此：1K=2∧10=1024，2K=2∧11=2048，4K=2∧12=4096。

在數(shù)字電影應(yīng)用中，通常2K圖像是由2048×1080個(gè)像素構(gòu)成的，其中2048表示水平方向的像素?cái)?shù)，1080表示垂直方向的像素?cái)?shù);4K圖像是由4096×2160個(gè)像素構(gòu)成的，其中4096表示水平方向的像素?cái)?shù)，2160表示垂直方向的像素?cái)?shù)。在實(shí)際的數(shù)字母版制作和數(shù)字放映中，還需根據(jù)不同的畫幅寬高比來(lái)對(duì)圖像水平方向或垂直方向的像素?cái)?shù)進(jìn)行調(diào)整。

（2） 4K電影

4K超高清數(shù)字電影又被稱之為p，即橫向有4干個(gè)像素，縱向有2160個(gè)像素，其總像素超過了800萬(wàn)，是2K投影機(jī)和高清電視分辨率的4倍（2K數(shù)字電影的分辨率與高清電視的分辨率大致相當(dāng)，而高清電視的分辨率為1920×1080），是目前分辨率最高的數(shù)字電影。影院如果采用4K電影，無(wú)論在影院的哪個(gè)位置，觀眾都可以清楚的看到畫面的每一個(gè)細(xì)節(jié)。

電影行業(yè)常見的4K分辨率包括Full Aperture 4K（4096×3112）、Academy 4K（3656×2664） Digital cinema 4K （4096×1714） Digital cinema 4K （3996×2160）等多種標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的數(shù)字電影是2K的，分辨率為2048*l080，還有部分?jǐn)?shù)字電影是1.3K （1280*1024）的，而所謂農(nóng)村電影放映的是0.8K （1024*768）的。真正意義上的4K電影應(yīng)由4K攝像機(jī)拍攝，4K數(shù)字中間片流程制作，4K數(shù)字版發(fā)行，并用4K數(shù)字放映機(jī)放映。還有的4K電影是由35mm膠片拍攝的，再轉(zhuǎn)成4K的數(shù)字格式。當(dāng)使用4K數(shù)字投影機(jī)將圖像投射在大熒幕上時(shí)，典型的“陰影”現(xiàn)象就會(huì)消失，而且絕對(duì)再也看不到單個(gè)的像素點(diǎn)了。由于膠片電影的分辨率與4K大致相當(dāng)或者會(huì)略好，故轉(zhuǎn)錄之后也能保證電影的清晰度。

3 4K發(fā)展的問題

目前說來(lái)，對(duì)于線下4K視頻傳播，最大的絆腳石還是片源的問題，由于4K高清的分辨率造成了4K影片需要龐大的存儲(chǔ)空間，4K電影的存儲(chǔ)空間大約是一部3D電影的4倍，即便是藍(lán)光光盤也無(wú)法完整存儲(chǔ)。目前在歐洲一些少數(shù)國(guó)家的4K電視頻道開播，但是都是處于試驗(yàn)階段，配套的設(shè)施和相關(guān)的產(chǎn)業(yè)沒有成熟，這些都是短期內(nèi)無(wú)法解決的。對(duì)于消費(fèi)者而言，獲得4K視頻依然需要大費(fèi)周折。

關(guān)于4K視頻存儲(chǔ)空間過大的問題，目前最有希望的解決方案是由國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）批準(zhǔn)的下一代新的視頻標(biāo)準(zhǔn)H.265，這項(xiàng)新的標(biāo)準(zhǔn)將有利于4K視頻傳播，減小了4K視頻的存儲(chǔ)空間和網(wǎng)絡(luò)傳播資源利用。H.265是繼H.264提出的新的視頻標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)該標(biāo)準(zhǔn)將極大的推動(dòng)4K視頻的發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展是在發(fā)展的歷史上屢見不鮮。新批準(zhǔn)的H.265標(biāo)準(zhǔn)將通過改進(jìn)后的壓縮技術(shù)，讓4K視頻傳播耗費(fèi)的資源更少。

另一個(gè)制約4K發(fā)展的問題是接口，我們常見的VGA和DVI接口一般只能支持60Hz以下的1920×1200分辨率，而能夠支持4K分辨率的輸出接口基本上只有HDMI和DisplayPort兩種。想要達(dá)到4K顯示，顯示設(shè)備必須支持HDMl1.4或者DisplayPortl.2以上的版本接口，也就是從理論上說明想要得到4K的顯示效果，老舊的設(shè)備是無(wú)法完成的。

4 發(fā)展前景

前些年隨著電影《阿凡達(dá)》變得炙手可熱的3D技術(shù)如今顯得后勁不足。3D技術(shù)主要向更立體的方向發(fā)展?？墒且?yàn)槠慈笔У仍颍?D技術(shù)開始銷聲匿跡。當(dāng)然，片源缺失也是4K電影發(fā)展路上的絆腳石。4K級(jí)別的分辨率可提供880多萬(wàn)像素，實(shí)現(xiàn)電影級(jí)的畫質(zhì)，相當(dāng)于當(dāng)前頂級(jí)的1080p分辨率的四倍還多。當(dāng)然超高清的代價(jià)也是不菲的，每一幀的數(shù)據(jù)量都達(dá)到了50MB，因此無(wú)論解碼播放還是編輯都需要頂級(jí)配置的機(jī)器。所以，片源缺失，播放設(shè)備，分辨率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等原因是4K發(fā)展的主要攔路虎：

其實(shí)當(dāng)前無(wú)論是投影還是高端的大尺寸電視已經(jīng)滿足了4k分辨率電影的顯示效果。而且從電影素材上來(lái)說，當(dāng)前一般都是35mm膠片拍攝素材，理論上也已經(jīng)到達(dá)了這個(gè)要求（實(shí)際上很難，應(yīng)該選用70mm膠片），但是依然有太多的因素限制了4K電影的普及。

不僅僅是當(dāng)前家庭中的播放器，許多電影院的放映設(shè)備大多停留在2K分辨率的水平。而4K分辨率的播放設(shè)備大都價(jià)格高昂，這一點(diǎn)是目前最重要的原因。

盡管都叫做4K分辨率，但是包括Full Aperture 4K （4096×3112）、Academy 4K（3656×2664）等多種標(biāo)準(zhǔn)讓廠家出產(chǎn)的產(chǎn)品難以達(dá)到統(tǒng)一，這也阻礙了4K的普及。

當(dāng)前我們常用的依然是35mm膠片拍攝素材負(fù)片（Negative Film Stock），而其清晰度是4K，到了發(fā)行拷貝（Film Print） 1K數(shù)字高清理論上可以達(dá)到2K的清晰度，這樣的清晰度應(yīng)該是無(wú)法達(dá)到4K放映要求的，唯一的解決辦法是換用70mm膠片拍攝，不過這需要等待電影行業(yè)的整體進(jìn)步。

當(dāng)前風(fēng)行的藍(lán)光光盤基本已經(jīng)達(dá)到1080p影片的存儲(chǔ)極限，4k電影的尺寸將會(huì)達(dá)到1080p的4倍，將會(huì)給電影發(fā)行介質(zhì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，不過當(dāng)前的支持更高更大儲(chǔ)存的藍(lán)光光盤已經(jīng)研發(fā)成功，距離上市也指日可待。

不過，4K雖然進(jìn)步有限，但仍給多媒體行業(yè)帶來(lái)了重要的飛躍，阻止人們轉(zhuǎn)向4K是不太可能的。4K將提供更優(yōu)質(zhì)的圖像、電影和視頻，減少混淆、豐富細(xì)節(jié)、加寬色域。4K是朝著精細(xì)化的道路前進(jìn)，這也是顯示設(shè)備一直在走的道路。這個(gè)趨勢(shì)是不可阻擋的。最近，亞馬遜宣布，將會(huì)在德國(guó)推出在線4K視頻節(jié)目。包括電影大片和電視劇兩種不同的內(nèi)容。如今，4K技術(shù)已經(jīng)不知不覺地滲透在我們的生活的方方面面。4K技術(shù)已經(jīng)不止應(yīng)用在電影院。家庭影院系統(tǒng)已經(jīng)在構(gòu)建中，企業(yè)也看到了這塊大蛋糕，在相配套的信號(hào)源、拍攝設(shè)備、投影機(jī)、環(huán)繞聲系統(tǒng)上做足功夫。4K電視已經(jīng)問世。日后，在強(qiáng)大的硬件支撐下，相信在網(wǎng)絡(luò)上享受4K電影已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

柏堂琪，?？茖W(xué)歷，陜西鎮(zhèn)坪縣廣電網(wǎng)絡(luò)公司，工程師。

作者簡(jiǎn)介：李舉剛，本科學(xué)歷，陜西省廣電網(wǎng)絡(luò)鎮(zhèn)坪縣支公司，高級(jí)工程師。