4K技術漫談

郭晉麟

（山西廣電信息網(wǎng)絡（集團）有限責任公司，太原　030000）

1　4K簡介

4K是一個分辨率的范疇。圖像的大小可以用像素分辨率來表示，例如高清電視機、高清顯示器以及藍光通常具備1920×1080的分辨率。1920×1080 這組數(shù)據(jù)表示的是該圖像由水平方向每行1920個像素以及垂直方向每列1080個像素組成的。為了表述簡便、方便交流，業(yè)界也常常以圖像水平方向上的像素值來表示圖片的大小，并且一般情況下會用“K”來描述像素值，其中1K相當于1024個像素，nK就是指圖像的水平方向每行像素值達到或者接近1024的n 倍。以此為標準，4K圖像就是指水平方向每行像素值達到或者接近1024的4倍，即4096個圖像。

如今常見的4K分辨率有4096×2160和3840×2160 兩種。國際電信聯(lián)盟定義了UHDTV標準（Ult r a High Definition Television，超清電視）和FHDTV 標準（Full High Definition Television，全高清電視），采用3840×2160分辨率的電視或顯示器也叫做UHDTV標準產(chǎn)品。與1920×1080分辨率的FHDTV相比，UHDTV的分辨率剛好是FHDTV的四倍，在屏幕尺寸相同的情況下可以顯示更加精細的圖像，而且由于寬高比同樣是16∶9，UHDTV標準產(chǎn)品也能很好地兼容FHDTV的圖像，更容易被用戶接受。故3840×2160的4K分辨率也是廣電行業(yè)超清電視節(jié)目的主要標準。

2　4K技術特點

2.1　4K認證標準

在今年CES上，UltraHD Premium認證首次進入人們的視野，支持Ult raHD Premium認證的不僅僅是電視廠商，更有好萊塢級別的電影制作公司，以及制定標準的杜比、DTS等技術公司，還有DIRECTTV、Netf lix這樣的內容運營商。因此不能認為Ult raHD Premium僅僅是一個認證，它更代表了一個4K時代下的內容產(chǎn)業(yè)鏈，集合多家內容產(chǎn)業(yè)鏈上的生產(chǎn)者組成的聯(lián)盟。嚴格意義上來說，UltraHD Premium并不能算作一個標準，但它為了規(guī)范4K生態(tài)鏈，卻有著不可忽視的重要意義。

UltraHD Premium主要為顯示器、電視等設備提供認證，認證的技術標準如下：

⊙ 分辨率：3840×2160像素。

⊙ 色深 ：10bit。

⊙ 信號輸入：支持BT.2020。

⊙ 色域：大于90% DCI-P3（廣色域標準）色彩空間。

⊙ HDR：支持SMPTE ST 2084 EOTF的高動態(tài)范圍影像光電轉換。

⊙ 亮度動態(tài)范圍：亮度1000nits（尼特，亮度單位）以上/黑位低于0.05nits（主要針對LCD）；亮度540nits以上/黑位低于0.0005nits（主要針對OLED）。

2.2　HDR

HDR全稱是High-Dynamic Range，高動態(tài)范圍圖像技術。這項技術其實很早以前就應用在了攝影領域中，人們在拍照過程中會發(fā)現(xiàn)這一功能：開啟HDR，開啟后拍攝昏暗場景時會較之前更為明亮、通透，而現(xiàn)在這項技術已經(jīng)應用于家用電視領域。

傳統(tǒng)電視所能展現(xiàn)的亮度范圍極為有限，與人眼所能感知的亮度范圍相差甚遠。究其原因，傳統(tǒng)電視在畫面顯示中，明亮處不亮，而昏暗處又暗不下去，最終則導致人眼感知到的電視畫面層次感差，大量細節(jié)丟失，HDR超畫質顯示技術就是為解決這一問題應運而生的。HDR技術對電視畫面帶來的提升非常直觀，即便是普通用戶也能通過肉眼分辨出來。

搭載HDR技術的家庭電視能夠拓展亮度的動態(tài)表現(xiàn)范圍，通過提高明亮畫面的亮度，控制昏暗畫面的亮度，由此來強化明暗畫面之間的對比度，展示出與人眼所能獲取到的動態(tài)范圍及其接近的畫面，從而帶來更加逼真、出色的畫質感受。

2.3　BT.2020色彩空間

BT.2020色彩空間已被ITU（國際電信聯(lián)盟組織）定位為4K/8K時代的一個圖像信號色域標準，同時也是4K Ult raHD藍光的標準之一。普通藍光標準使用的是BT.709色彩空間，它僅覆蓋了BT.2020色彩空間的35.9%，而后者是目前顯示設備中最大的色彩空間，其覆蓋了CIE 1931色彩空間（國際照明委員會定義的一系列色度學標準，是一種理論上的理想色彩空間）的75.8%，可以顯示更多的色彩，令畫面表現(xiàn)更加生動。

2.4　視頻接口

目前可以輸出4K分辨率的接口只有HDMI和DP（Display-Port），其中HDMI接口想要輸出4K分辨率，就必須使用支持HDMI 1.4或更高標準的產(chǎn)品；DP接口需要輸出4K分辨率的話要支持DP 1.2標準。各類接口的具體參數(shù)如下：

⊙ HDMI 1.4接口：數(shù)據(jù)帶寬10.2Gb/s，支持4096×2160@24Hz、3840×2160@30Hz。

⊙ HDMI 2.0 接口：數(shù)據(jù)帶寬18Gb/s，支持4096×2160@60Hz、3840×2160@60Hz。

⊙ DP 1.2接口：數(shù)據(jù)帶寬21.6Gb/s，支持4096×2160@60Hz、3840×2160@60Hz。

3　4K業(yè)務應用

3.1　市場前景

目前，4K產(chǎn)業(yè)鏈上各個環(huán)節(jié)的技術均已趨于成熟，完成了從研發(fā)走向商用的進程。同時，越來越低廉、親民化的使用成本讓更多的用戶都能夠體驗4K，進而促進4K整條產(chǎn)業(yè)鏈進入良性發(fā)展的循環(huán)中。而當下4K產(chǎn)業(yè)鏈遇到的挑戰(zhàn)，已經(jīng)不再是為了突破某項技術，達到某項標準，而是如何將整條產(chǎn)業(yè)鏈緊密地相互聯(lián)結，它比片源、傳輸及存儲等這些曾被我們認為是巨大挑戰(zhàn)的問題更難，因為對于它來說最重要的是4K產(chǎn)業(yè)鏈上各個環(huán)節(jié)的一致配合，而不是僅靠一部分人的單方面努力就能夠達到的。

不可否認，4K在市場中的發(fā)展遇到的片源、傳輸及存儲問題等是不得不面對的巨大挑戰(zhàn)。但是4K這條產(chǎn)業(yè)鏈上的公司樂于接受挑戰(zhàn)并且正在逐步解決這些問題，讓這些問題慢慢變得不再那么尖銳，整條超高清產(chǎn)品鏈正在被一股向上的力量牽引。這肯定了4K行業(yè)發(fā)展的一個健康態(tài)勢。

3.2　廣電的4K

4K技術已成為廣電行業(yè)未來的重要發(fā)展方向，2014年韓國開通了全球第一個4K超高清頻道，日本也于同年開始試播4K超高清節(jié)目。而放眼國內，為了滿足眾多用戶對高清影視日益增長的需求，大連開播了全國首家4K超高清頻道，并且北京、四川、深圳、廣東、湖南、重慶等地也于其后相繼推出了高清互動電視4K體驗專區(qū)的服務。為了給用戶呈現(xiàn)出最完美的4K超高清畫面，廣電4K體驗專區(qū)的片源均采用了15到20兆的高碼率，保證4K高清畫面每一幀的品質，做到纖毫畢現(xiàn)。

4K體驗專區(qū)的推出對于廣電網(wǎng)絡的用戶而言，不用去影院，只需坐在家里，動一動遙控器，就可以隨時隨地點播各種高清大片。省去了舟車勞頓、排隊等候等繁雜事宜，用戶在家就能享受到與影院相媲美的音效和畫質。

值得一提的是，看廣電的4K影片不需要專門更換或升級高清機頂盒，用戶可以通過原來的高清機頂盒直接點播廣電超高清4K大片。而為了讓每個用戶在觀看時，能夠享受到最佳的觀看效果，廣電利用自身有線電視網(wǎng)絡的優(yōu)勢，專門為4K高清體驗專區(qū)配備了專享的獨立帶寬，保證用戶在觀看時不會出現(xiàn)卡頓、黑屏、聲音不連續(xù)等現(xiàn)象。

2017年末，在廣東電視中心舉行廣東4K超高清電視試驗播出活動，我國首個4K電視頻道——廣東影視（4K超高清）頻道正式試播，完成了我國首個4K電視頻道的開播。

最后關于4K行業(yè)最為詬病的片源問題，廣電4K體驗專區(qū)的片源非常豐富，目前已擁有近百部影片，并且還在持續(xù)更新。這得益于廣電多年來積累的與眾多視頻行業(yè)上游制作廠商的良好合作，為4K 在廣電的發(fā)展鋪平了道路。

4　廣電4K發(fā)展前景

4.1　4K發(fā)展面臨的問題

4.1.14K節(jié)目源

時至今日，用戶購入4K超高清分辨率電視機的成本越來越低，但是當用戶將電視購入后，會發(fā)現(xiàn)目前大部分的高清電視信號和網(wǎng)絡流媒體內容都是以1080p為主的，而4K技術擁有的額外像素還無法完全發(fā)揮作用。

放眼國際，Netf lix（美國一家內容運營商）雖然已經(jīng)推出了在線的4K超高清流媒體內容，但是目前的內容種類非常有限。另外，三星與M-Go（美國一家內容運營商）建立了合作關系，并同時宣布將在韓國本土獨家提供超過70個超高清的節(jié)目源。不過大部分的流媒體服務提供商都承認，目前絕大多數(shù)的4K節(jié)目都是從高清信號轉制而來。

就在Netf lix推出在線的4K超高清流媒體服務8個月之后，其在本土主要的競爭對手亞馬遜也推出了自己的4K流媒體服務。而這一次，亞馬遜則從索尼和英國廣播公司等內容提供商獲得了節(jié)目原始信號，轉制成4K超高清信號提供給用戶觀看。

4.1.2高帶寬承載

目前全世界4K內容普及的另一大難點就是對帶寬的要求。目前4K流媒體內容需要的帶寬是原來高清信號的4倍，因此除了要滿足4K電視這種硬件要求外，用戶還需要有充足的帶寬來支持4K節(jié)目超高的碼率。比如上文提到的Netf lix和M-Go運營的H.265編碼節(jié)目就需要至少15Mbps的帶寬要求，目前這個標準對于大部分用戶來說仍比較困難，而且還只是最低標準。

在解決用戶帶寬不夠的問題之前，使用藍光載體來觀看4K節(jié)目是一個不錯的體驗。未來4K藍光協(xié)會能否為用戶帶來真正的4K標準藍光光盤，也是業(yè)界非常關注的方面。

4.2　廣電4K未來的發(fā)展前景

近年來，盡管4K技術已逐漸變得主流，但是運營商除了要解決帶寬的瓶頸之外，還有許多技術障礙仍待解決。例如DirecTV為了給4K鋪平道路，于2014年12月發(fā)送了專用衛(wèi)星，可以提供4K超高清內容給美國和波多黎各的用戶。另外各大體育賽事的現(xiàn)場直播也成為4K發(fā)揮作用的重要領域。2014年世界杯期間BBC已經(jīng)嘗試了采用超高清信號的直播方式。但信號傳輸?shù)谋忍芈适亲畲蟮募夹g壁壘，4K的UHD信號至少需要36Mb/s的帶寬容量，并且現(xiàn)有資源的更新也是一個世界級的難題。

4K衛(wèi)星傳輸技術可以達到64Mb/s的傳輸速度，可以穩(wěn)定的向用戶推送4K電視節(jié)目內容。一部4K電影片源的容量大約在110～140GB之間，目前中國國內各大網(wǎng)絡運營商提供的帶寬還不足以應對4K電視節(jié)目傳輸?shù)男枨?。而最新?K衛(wèi)星傳輸解決方案提供的傳輸速度，讓4K電視節(jié)目傳輸在技術上已經(jīng)不存在問題。同時技術專家還表示：“衛(wèi)星高速傳輸數(shù)據(jù)采用一點對多點的廣播式數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸速度不受用戶數(shù)量的影響，因此用戶越多，單個用戶傳輸成本就越低，用戶達到一定數(shù)量，傳輸成本幾乎可以忽略不計?！边@些技術特性將為4K電視信號在市場上商業(yè)化的運營提供完善的支撐。

在地面上的數(shù)字電視節(jié)傳方面，國內有線電視網(wǎng)絡擁有1G的頻譜帶寬，經(jīng)調制后理論值最多可達256G的超高帶寬，并且廣電直播的共享傳輸方式，在保證高碼流節(jié)目正常傳送的同時，能夠最大程度的節(jié)省帶寬資源，為4K超高清電視節(jié)目提供了行業(yè)內最佳的地面節(jié)傳承載網(wǎng)絡。同時從國外的商用及試驗情況來看，4K節(jié)目在有線電視網(wǎng)絡中的傳輸既可以在DVB雙向網(wǎng)絡中進行，也可以在FTTH（光纖到戶）的網(wǎng)絡內進行，長遠看來這兩種方式可以長短互補，實現(xiàn)更多的用戶量覆蓋。所以目前國內現(xiàn)有的有線電視網(wǎng)絡是提供4K超高清電視服務的最佳選擇。

2016-2018年我們正式進入4K時代，用戶將不會看到往年只有4K硬件而沒有4K資源的這種尷尬情況。雖然在技術上仍存在不少瓶頸待廣電行業(yè)的專家們解決，不過我們相信，既然有2006年藍光元年的那種發(fā)展態(tài)勢，4K技術未來在中國的發(fā)展也不存在什么問題。終有一天，4K這項技術會完全走進百姓家中，就像我們現(xiàn)在看高清1080p電影或電視一樣簡單而普遍?！?/p>

[1]曹煜.淺談4K技術的發(fā)展和應用[J].工程技術：引文版，2016（6）：00015-00015.

[2]胡波，陳楠.淺談4K技術的發(fā)展及應用[J].數(shù)字傳媒研究，2015，32（6）：76-77.

[3]程瑋.淺析4K技術的集成應用[J].中國安防，2015（8）：53-55.

[4]范宇航.創(chuàng)造魅力影像時空——淺談4K技術的電視實踐應用[J].現(xiàn)代電視技術，2014（11）：66-69.