淺談4k技術

一、4K特性

（一）4K分辨率

2012年5月，國際電信聯(lián)盟發(fā)布了BT.2020“超高清電視UHDTV”標準的建議，將屏幕物理分辨率達到3840×2160及以上的電視稱之為超高清電視。當前，最為常見的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

在信號源方面，4K電視信號采用HEVC編碼格式，也就是H.265編碼。這是因為4K電視信號傳輸要求極高，傳統(tǒng)的H.264編碼已經不能滿足傳輸需要。H.265能夠在有限帶寬下傳輸更高質量的網絡視頻，這種視頻編碼標準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)網傳輸掃清了障礙。在相同的圖象質量下，通過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)的信號傳輸，但是，如果從實時非壓縮傳輸角度而言，4K傳輸速率需要達到12Gbit/s，真正代表HDMI開始全方位支持4K超高清信號傳輸?shù)氖荋DMI2.0標準。首先，HDMI2.0標準在物理性能上與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)信號的傳輸。其次，HDMI 2.0標準完整支持Rec.2020的色域空間標準，符合超高清影音技術未來的發(fā)展趨勢。而音頻傳輸方面，HDMI 2.0最高可以支持32聲道的音頻信號傳輸，以適應未來家用多聲道環(huán)繞聲技術的發(fā)展。

方式二：Display Port

和HDMI一樣，Display Port也允許音頻與視頻信號共用一條線纜傳輸，支持多種高質量數(shù)字音頻。目前Display Port的接頭有兩種：一種是標準型，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)顯示領域，HDMI線的有限傳輸距離以及專業(yè)線纜偏高的價格都大大限制了其應用，而HDBaseT傳輸距離遠且價格相對便宜。HDBaseT并沒有像HDMI跟Display Port一樣重新設計接口，而是采用大眾都不陌生的8P8C(RJ45)接頭，俗稱水晶頭或以太網接頭，傳輸介質采用了人們常見的網線。HDBaseT標準除了提供視頻信號傳輸功能外，還具有網絡連接以及以太網供電(POE)功能。HDBaseT標準目前最高支持20Gb/s的傳輸速率，傳輸距離長達100米。 HDBaseT既可以將完整的4K非壓縮視頻信號傳送到網絡設備，也可以實現(xiàn)點對點連接。

（四）定義4K顯示的BT.2020標準

新的BT.2020標準相對于業(yè)界此前比較認同的BT.709標準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因視頻抖動引起明顯的色階區(qū)塊，也就是我們在電視上常常觀察到的類似“梯田”一樣色彩陰影。這進一步降低了畫質噪點，給用戶帶來更好的體驗。在色域方面，新的標準相比傳統(tǒng)標準可提供78.5%的色域覆蓋，而上一代標準僅為38.5%，色域擴展近一倍。

（五）4K攝像機

目前，索尼、Panasonic、JVC、BMD、AJA等公司針對4K電視制作流程推出了4K攝像機。索尼公司的4K攝像機系統(tǒng)主要包括兩大部分，即BPU-4000基帶處理器和CA-4000攝像機適配器。其中，CA-4000適配器在現(xiàn)場制作方面發(fā)揮著重要作用，該適配器的主要功能是：視頻信號返送、音頻通道、內部通話、尋像器以及Tally信號傳輸?shù)?。此外，對于HDC系列攝像機系統(tǒng)，用戶只需要通過增添PMW-F55、BPU4000、CA-4000等設備就可以獲得更多基于HD的增值操作應用。如基于4K分辨率畫面的HD信號“選切”，能夠在簡單選切模式下同時輸出兩路HD選切信號，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畫面。其中，PMW-F55 攝像機安裝了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“果凍效應”和“閃光帶”問題，LA-FZB2鏡頭座適配器可將高清變焦鏡頭與PMW-F55攝像機頭連接好，用于4K拍攝。

二、4K電視制作

2014年巴西世界杯使用4K轉播車制作賽事直播信號，并使用衛(wèi)星完成4K信號傳輸覆蓋，這是4K電視轉播信號第一次能夠實時地被觀眾接收使用。國際足聯(lián)與索尼公司合作，從整個64場比賽中選取了3場比賽制作4K信號，分別是當?shù)貢r間6月28日舉行的小組賽第三輪的一場，7月4日舉行的1/4決賽的一場和7月13日舉行的決賽。本次4K轉播的信號，根據(jù)FIFA TV的整體設計考慮，將只在英國倫敦一家影院可以看到現(xiàn)場直播的4K畫面。而其余國家根據(jù)不同安排，如日本會延后一天播放4K全場比賽，而大部分國家，包括國內消費者則是需要在索尼store賣場等通過4K電視展示4K精彩比賽片斷。

2015年中央電視臺春節(jié)聯(lián)歡晚會，首次將4K技術應用在春節(jié)聯(lián)歡晚會的錄制中。中央電視臺在春晚現(xiàn)場一號演播廳旁邊搭建了一套4K EFP系統(tǒng)，參與春晚錄制，并對4K攝像機參數(shù)進行了測試和分析，為以后4K制作積累技術經驗。

2015年10月25日，中國足球超級聯(lián)賽倒數(shù)第二輪，廣州恒大淘寶坐鎮(zhèn)主場迎戰(zhàn)山東魯能，廣東廣播電視臺攜手索尼高清影視技術學院，讓4K轉播車參與本場比賽制作。在現(xiàn)場14臺高清攝像機的基礎上，添加了5臺4K攝像機，包括主機位全景1號機和特寫2號機（F55），以及兩隊替補席兩側3，4號機（F55），還有右側球門后的5號機（HDC4300+富士80倍4K B4鏡頭）。除5個4K機位外，另調取廣東廣播電視臺高清轉播車PGM信號，利用MVS-7000X自帶的上變化通道，將其轉為4K信號供導播選擇，現(xiàn)場高清系統(tǒng)的飛貓信號和池上超高速攝像機的慢動作回放畫面經過上變化后，也可以切換至4K PGM。另選取了4個4K機位進入PWS-4400進行4K慢動作回放。

2015年11月22日，中國足協(xié)杯決賽第一回合江蘇舜天主場迎戰(zhàn)上海申花的比賽在南京奧體中心體育場打響，為了全面展現(xiàn)比賽盛況，江蘇電視總臺將4K 高清大型電視轉播車開赴現(xiàn)場，進行高清公共信號、4K直播信號（通過IPTV和院線4K平臺）現(xiàn)場制作，并為網絡電視臺提供流媒體發(fā)布素材。江蘇臺4K轉播車是國內第一輛支持4K制作的大型轉播車，常規(guī)訊道配置具備16路高清訊道加4路4K F55訊道，分設兩個獨立的節(jié)目制作區(qū)，配備兩臺MVS-7000X頂級切換臺，可以獨立完成高清與4K兩版節(jié)目制作。本場比賽，轉播車系統(tǒng)被提升為18路高清訊道（擴展一臺超高速攝像機和球門網帶攝像機）和7路4K訊道（擴展兩臺4K訊道HDC-4300攝像機和一臺4K超高速攝像機）共25個機位。兩套索尼PWS-4400完成4K慢動作制作和HIGHLIGHT集錦回放。導演4K監(jiān)看和技術畫面監(jiān)看共采用三臺索尼PVM-X300 4K監(jiān)視器，另外，車上還放置了一臺65寸索尼4K電視用于檢視最終效果。

三、阻礙我國4K電視技術發(fā)展的因素

（一）傳輸

由于4K超高清畫面數(shù)據(jù)量太大，傳統(tǒng)電視信號傳輸方式已經無法支持4K超高清傳輸。我國現(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清播出。城市電視網絡經過幾十年發(fā)展，覆蓋面廣，網絡錯綜復雜，如果重新鋪設線纜，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，有兩種方式可以實現(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。另一種是依靠網絡傳輸，這種方式不需要大規(guī)模硬件升級，加上無線網絡快速發(fā)展，改造方式可以多元化，4K傳輸?shù)陌l(fā)展可以通過網絡升級來促進。

（二）存儲及設備升級

4K超高清畫面的存儲壓力主要在于制作端，對于電視節(jié)目而言，節(jié)目制作需要存儲大量的視頻素材，由于4K超高清畫面數(shù)據(jù)量太大，因此需要特別大的存儲空間。此外如果采用4K現(xiàn)場直播，直播現(xiàn)場的攝像機、傳輸線纜、矩陣切換臺、發(fā)射設備、接收傳輸設備等等，都需要新的升級。目前來看，國內市場還不具備通過電視真正全程使用4K技術現(xiàn)場直播大型節(jié)目的硬件條件。

四、結語與展望

隨著4K超高清技術的不斷推廣與發(fā)展，4K技術已成為國內近期廣電業(yè)界的熱點，更多的像素、更高的幀頻、更沉浸式的體驗，消費者最能直接感受到電視技術的發(fā)展成果。大屏幕、超高清畫質將是未來把觀眾留在電視機前一個非常重要的手段，超高清電視技術也必將成為廣電行業(yè)發(fā)展的最前沿趨勢。

科技總是讓人對未來充滿了憧憬，在電視技術發(fā)展的進程中，高清和4K只是其中的一個環(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代，4K只是“超高清”時代的序幕。2020年的東京奧運會，組委會計劃提供完整的8K信號服務，包括制作和傳輸8K賽事信號，以及通過衛(wèi)星全球覆蓋8K信號。

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