淺談4k技術(shù)

□嚴(yán)星

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淺談4k技術(shù)

□嚴(yán)星

摘要：隨著科技的發(fā)展，4K超高清技術(shù)是近年來(lái)電視技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，許多電視節(jié)目開(kāi)始使用4K技術(shù)參與制作，4K電視機(jī)也越來(lái)越多。本文介紹了4K技術(shù)的特性，列舉了一些4K電視制作方案，提出了阻礙我國(guó)4K電視技術(shù)發(fā)展的因素，并對(duì)4K技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：4K；分辨率；編碼方式；4K攝像機(jī)；4K制作；4K傳輸

一、4K特性

（一）4K分辨率

2012年5月，國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布了BT.2020“超高清電視UHDTV”標(biāo)準(zhǔn)的建議，將屏幕物理分辨率達(dá)到3840×2160及以上的電視稱之為超高清電視。當(dāng)前，最為常見(jiàn)的4K分辨率規(guī)格是3840×2160，它是高清電視（HD）分辨率的4倍，4K又稱為2160P。高清1080p能夠顯示的有效像素為2，073，600（1920×1080），4K能夠顯示的有效像素為8，294，400（3840×2160），相比傳統(tǒng)高清電視只能清晰顯示演員的面容，4K電視能纖毫畢現(xiàn)地展示人物和景物的細(xì)節(jié)，圖像不但更清晰，而且層次也更豐富。

（二）4K編碼方式

在信號(hào)源方面，4K電視信號(hào)采用HEVC編碼格式，也就是H.265編碼。這是因?yàn)?K電視信號(hào)傳輸要求極高，傳統(tǒng)的H.264編碼已經(jīng)不能滿足傳輸需要。H.265能夠在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)視頻，這種視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)可以將視頻壓縮到原先的一半大小，并支持4K至8K視頻，為互聯(lián)網(wǎng)傳輸掃清了障礙。在相同的圖象質(zhì)量下，通過(guò)H.265編碼的視頻大小比H.264縮小約39%～44%。

（三）4K視頻接口

目前4K視頻接口接入方式主要有HDMI、Display Port 和HDBaseT。

方式一：HDMI

在物理性能上，HDMI 1.4最高可用視頻傳輸帶寬為10.2Gbit/s，理論上都能支持4K/30p（8bit）的信號(hào)傳輸，但是，如果從實(shí)時(shí)非壓縮傳輸角度而言，4K傳輸速率需要達(dá)到12Gbit/s，真正代表HDMI開(kāi)始全方位支持4K超高清信號(hào)傳輸?shù)氖荋DMI2.0標(biāo)準(zhǔn)。首先，HDMI2.0標(biāo)準(zhǔn)在物理性能上與HDMI1.4相比有了不小的飛躍，從原本10.2Gbit/s的可用視頻傳輸帶寬提升到18Gbit/s，可以真正滿足4K/60p（8bit）信號(hào)的傳輸。其次，HDMI 2.0標(biāo)準(zhǔn)完整支持Rec.2020的色域空間標(biāo)準(zhǔn)，符合超高清影音技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。而音頻傳輸方面，HDMI 2.0最高可以支持32聲道的音頻信號(hào)傳輸，以適應(yīng)未來(lái)家用多聲道環(huán)繞聲技術(shù)的發(fā)展。

方式二：Display Port

和HDMI一樣，Display Port也允許音頻與視頻信號(hào)共用一條線纜傳輸，支持多種高質(zhì)量數(shù)字音頻。目前Display Port的接頭有兩種：一種是標(biāo)準(zhǔn)型，類似USB、HDMI等接頭；另一種是低矮型。最新的DisplayPort 1.3將音頻和視頻帶寬增加到32.4Gbps。

方式三：HDBaseT

在專業(yè)顯示領(lǐng)域，HDMI線的有限傳輸距離以及專業(yè)線纜偏高的價(jià)格都大大限制了其應(yīng)用，而HDBaseT傳輸距離遠(yuǎn)且價(jià)格相對(duì)便宜。HDBaseT并沒(méi)有像HDMI跟Display Port一樣重新設(shè)計(jì)接口，而是采用大眾都不陌生的8P8C（RJ45）接頭，俗稱水晶頭或以太網(wǎng)接頭，傳輸介質(zhì)采用了人們常見(jiàn)的網(wǎng)線。HDBaseT標(biāo)準(zhǔn)除了提供視頻信號(hào)傳輸功能外，還具有網(wǎng)絡(luò)連接以及以太網(wǎng)供電（POE）功能。HDBaseT標(biāo)準(zhǔn)目前最高支持20Gb/s的傳輸速率，傳輸距離長(zhǎng)達(dá)100米。HDBaseT既可以將完整的4K非壓縮視頻信號(hào)傳送到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

（四）定義4K顯示的BT.2020標(biāo)準(zhǔn)

新的BT.2020標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于業(yè)界此前比較認(rèn)同的BT.709標(biāo)準(zhǔn)在色彩顯示效果的要求上大幅度提升，色彩深度由8bit提升至10bit，有效改善了8bit因視頻抖動(dòng)引起明顯的色階區(qū)塊，也就是我們?cè)陔娨暽铣３Ｓ^察到的類似“梯田”一樣色彩陰影。這進(jìn)一步降低了畫(huà)質(zhì)噪點(diǎn)，給用戶帶來(lái)更好的體驗(yàn)。在色域方面，新的標(biāo)準(zhǔn)相比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)可提供78.5%的色域覆蓋，而上一代標(biāo)準(zhǔn)僅為38.5%，色域擴(kuò)展近一倍。

（五）4K攝像機(jī)

目前，索尼、Panasonic、JVC、BMD、AJA等公司針對(duì)4K電視制作流程推出了4K攝像機(jī)。索尼公司的4K攝像機(jī)系統(tǒng)主要包括兩大部分，即BPU-4000基帶處理器和CA-4000攝像機(jī)適配器。其中，CA-4000適配器在現(xiàn)場(chǎng)制作方面發(fā)揮著重要作用，該適配器的主要功能是：視頻信號(hào)返送、音頻通道、內(nèi)部通話、尋像器以及Tally信號(hào)傳輸?shù)?。此外，?duì)于HDC系列攝像機(jī)系統(tǒng)，用戶只需要通過(guò)增添PMW-F55、BPU4000、CA-4000等設(shè)備就可以獲得更多基于HD的增值操作應(yīng)用。如基于4K分辨率畫(huà)面的HD信號(hào)“選切”，能夠在簡(jiǎn)單選切模式下同時(shí)輸出兩路HD選切信號(hào)，也可以在變焦透視選切模式下輸出一路帶有數(shù)字變焦和透視選切的HD畫(huà)面。其中，PMW-F55攝像機(jī)安裝了Super35 mm4k CMOS成像器，能夠兼容PL鏡頭，使用LA-FZB2鏡頭座適配器還可安裝B4卡口鏡頭，配備全域快門，可有效解決傳統(tǒng)攝像機(jī)“果凍效應(yīng)”和“閃光帶”問(wèn)題，LA-FZB2鏡頭座適配器可將高清變焦鏡頭與PMW-F55攝像機(jī)頭連接好，用于4K拍攝。

二、4K電視制作

2014年巴西世界杯使用4K轉(zhuǎn)播車制作賽事直播信號(hào)，并使用衛(wèi)星完成4K信號(hào)傳輸覆蓋，這是4K電視轉(zhuǎn)播信號(hào)第一次能夠?qū)崟r(shí)地被觀眾接收使用。國(guó)際足聯(lián)與索尼公司合作，從整個(gè)64場(chǎng)比賽中選取了3場(chǎng)比賽制作4K信號(hào)，分別是當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月28日舉行的小組賽第三輪的一場(chǎng)，7月4日舉行的1/4決賽的一場(chǎng)和7月13日舉行的決賽。本次4K轉(zhuǎn)播的信號(hào)，根據(jù)FIFA TV的整體設(shè)計(jì)考慮，將只在英國(guó)倫敦一家影院可以看到現(xiàn)場(chǎng)直播的4K畫(huà)面。而其余國(guó)家根據(jù)不同安排，如日本會(huì)延后一天播放4K全場(chǎng)比賽，而大部分國(guó)家，包括國(guó)內(nèi)消費(fèi)者則是需要在索尼store賣場(chǎng)等通過(guò)4K電視展示4K精彩比賽片斷。

2015年中央電視臺(tái)春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)，首次將4K技術(shù)應(yīng)用在春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)的錄制中。中央電視臺(tái)在春晚現(xiàn)場(chǎng)一號(hào)演播廳旁邊搭建了一套4K EFP系統(tǒng)，參與春晚錄制，并對(duì)4K攝像機(jī)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試和分析，為以后4K制作積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

2015年10月25日，中國(guó)足球超級(jí)聯(lián)賽倒數(shù)第二輪，廣州恒大淘寶坐鎮(zhèn)主場(chǎng)迎戰(zhàn)山東魯能，廣東廣播電視臺(tái)攜手索尼高清影視技術(shù)學(xué)院，讓4K轉(zhuǎn)播車參與本場(chǎng)比賽制作。在現(xiàn)場(chǎng)14臺(tái)高清攝像機(jī)的基礎(chǔ)上，添加了5臺(tái)4K攝像機(jī)，包括主機(jī)位全景1號(hào)機(jī)和特寫(xiě)2號(hào)機(jī)（F55），以及兩隊(duì)替補(bǔ)席兩側(cè)3，4號(hào)機(jī)（F55），還有右側(cè)球門后的5號(hào)機(jī)（HDC4300+富士80倍4K B4鏡頭）。除5個(gè)4K機(jī)位外，另調(diào)取廣東廣播電視臺(tái)高清轉(zhuǎn)播車PGM信號(hào)，利用MVS-7000X自帶的上變化通道，將其轉(zhuǎn)為4K信號(hào)供導(dǎo)播選擇，現(xiàn)場(chǎng)高清系統(tǒng)的飛貓信號(hào)和池上超高速攝像機(jī)的慢動(dòng)作回放畫(huà)面經(jīng)過(guò)上變化后，也可以切換至4K PGM。另選取了4個(gè)4K機(jī)位進(jìn)入PWS-4400進(jìn)行4K慢動(dòng)作回放。

2015年11月22日，中國(guó)足協(xié)杯決賽第一回合江蘇舜天主場(chǎng)迎戰(zhàn)上海申花的比賽在南京奧體中心體育場(chǎng)打響，為了全面展現(xiàn)比賽盛況，江蘇電視總臺(tái)將4K高清大型電視轉(zhuǎn)播車開(kāi)赴現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行高清公共信號(hào)、4K直播信號(hào)（通過(guò)IPTV和院線4K平臺(tái)）現(xiàn)場(chǎng)制作，并為網(wǎng)絡(luò)電視臺(tái)提供流媒體發(fā)布素材。江蘇臺(tái)4K轉(zhuǎn)播車是國(guó)內(nèi)第一輛支持4K制作的大型轉(zhuǎn)播車，常規(guī)訊道配置具備16路高清訊道加4路4K F55訊道，分設(shè)兩個(gè)獨(dú)立的節(jié)目制作區(qū)，配備兩臺(tái)MVS-7000X頂級(jí)切換臺(tái)，可以獨(dú)立完成高清與4K兩版節(jié)目制作。本場(chǎng)比賽，轉(zhuǎn)播車系統(tǒng)被提升為18路高清訊道（擴(kuò)展一臺(tái)超高速攝像機(jī)和球門網(wǎng)帶攝像機(jī)）和7路4K訊道（擴(kuò)展兩臺(tái)4K訊道HDC-4300攝像機(jī)和一臺(tái)4K超高速攝像機(jī)）共25個(gè)機(jī)位。兩套索尼PWS-4400完成4K慢動(dòng)作制作和HIGHLIGHT集錦回放。導(dǎo)演4K監(jiān)看和技術(shù)畫(huà)面監(jiān)看共采用三臺(tái)索尼PVM-X300 4K監(jiān)視器，另外，車上還放置了一臺(tái)65寸索尼4K電視用于檢視最終效果。

三、阻礙我國(guó)4K電視技術(shù)發(fā)展的因素

（一）傳輸

由于4K超高清畫(huà)面數(shù)據(jù)量太大，傳統(tǒng)電視信號(hào)傳輸方式已經(jīng)無(wú)法支持4K超高清傳輸。我國(guó)現(xiàn)階段高清分辨率還在普及中，很多電視頻道目前仍然是標(biāo)清播出。城市電視網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，覆蓋面廣，網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，如果重新鋪設(shè)線纜，工程量太大，尤其是一些老舊小區(qū)，改造現(xiàn)有的傳輸線纜十分困難，而且改造成本巨大。目前看來(lái)，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)4K傳輸，一種是依靠衛(wèi)星傳輸，這種方式可以傳輸大數(shù)據(jù)量，但是需要用戶安裝新的接收終端。另一種是依靠網(wǎng)絡(luò)傳輸，這種方式不需要大規(guī)模硬件升級(jí)，加上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，改造方式可以多元化，4K傳輸?shù)陌l(fā)展可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)來(lái)促進(jìn)。

（二）存儲(chǔ)及設(shè)備升級(jí)

4K超高清畫(huà)面的存儲(chǔ)壓力主要在于制作端，對(duì)于電視節(jié)目而言，節(jié)目制作需要存儲(chǔ)大量的視頻素材，由于4K超高清畫(huà)面數(shù)據(jù)量太大，因此需要特別大的存儲(chǔ)空間。此外如果采用4K現(xiàn)場(chǎng)直播，直播現(xiàn)場(chǎng)的攝像機(jī)、傳輸線纜、矩陣切換臺(tái)、發(fā)射設(shè)備、接收傳輸設(shè)備等等，都需要新的升級(jí)。目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還不具備通過(guò)電視真正全程使用4K技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)直播大型節(jié)目的硬件條件。

四、結(jié)語(yǔ)與展望

隨著4K超高清技術(shù)的不斷推廣與發(fā)展，4K技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)近期廣電業(yè)界的熱點(diǎn)，更多的像素、更高的幀頻、更沉浸式的體驗(yàn)，消費(fèi)者最能直接感受到電視技術(shù)的發(fā)展成果。大屏幕、超高清畫(huà)質(zhì)將是未來(lái)把觀眾留在電視機(jī)前一個(gè)非常重要的手段，超高清電視技術(shù)也必將成為廣電行業(yè)發(fā)展的最前沿趨勢(shì)。

科技總是讓人對(duì)未來(lái)充滿了憧憬，在電視技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中，高清和4K只是其中的一個(gè)環(huán)節(jié)。人眼的分辨率約為6K，因而今后的6K和8K才是真正的電視新時(shí)代，4K只是“超高清”時(shí)代的序幕。2020年的東京奧運(yùn)會(huì)，組委會(huì)計(jì)劃提供完整的8K信號(hào)服務(wù)，包括制作和傳輸8K賽事信號(hào)，以及通過(guò)衛(wèi)星全球覆蓋8K信號(hào)。

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（作者單位：廣東廣播電視臺(tái)）