淺談4K技術

李舉剛 柏堂琪

（作者單位：陜西省廣電網絡鎮坪縣支公司）

淺談4K技術

李舉剛 柏堂琪

（作者單位：陜西省廣電網絡鎮坪縣支公司）

摘 要：隨著各種屏幕顯示技術的不斷發展，人們對于生活中美好事物更高享受的追求是無止境的。在資源流動頻繁的現在，視頻與我們每個人息息相關。本文介紹了生活中常見的視頻制式，并著重介紹了4K技術及其在電影中應用，最后簡單地分析了它們在未來的前景。

關鍵詞：4K；分辨率；視頻；高清

第18屆上海國際電影節組委會于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》《龍門客棧》等經典影片的4K修復片單。作為視頻領域的又一新技術，4K的熱潮正席卷全球。來自國際電信聯盟的定義，4K技術是一種分辨率很高的超高清顯示技術（UHD，Ultra High Definition），分辨率可達3840×2160萬像素，是全高清（FHD，Full High Definition）的4倍、高清（HD，High Definition）的8倍。4K技術的優勢在于極致細膩的顯示效果，具備更大的可視角度，帶來更強的視覺沖擊，解決了大屏幕顯示設備細節遺失、無法真實還原的問題。所以本文重點對在電影方面4K制式進行研究。

1 常見分辨率的介紹

說到4K技術不得不先提及HD，HD是在廣播電視領域首先被提出的，最早是由美國電影電視工程師協會（SMPTE）等權威機構制定的相關標準。視頻監控領域也廣泛沿用了廣播電視的標準，將“高清”定義為720p、1080i與1080p三種標準形式。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。識別其是否是高清，主要是看其分辨率，這三個是用于標識高清影片分辨率的關鍵指標。其中，數字后跟隨的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，這是一種將信號源的水平分辨率按照約定俗成的方法進行縮略的命名規則。達到720p以上的分辨率，是高清信號源的準入門檻，720p標準也被稱為HD標準，而1080i/1080i被稱為Full HD（全高清）標準。下面簡單介紹720p、1080i、1080p這三種。

1080p顯示格式為：1920×1080，像素數達到207.36萬。其數字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到1280×720的分辨率的顯示格式。像素數達到了92.16萬。其數字720代表了垂直方向會有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”表示采用交錯式掃描視頻顯示方

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

2 4K的介紹

2.1 視頻信號的基礎知識

（1）像素

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

（2）圖像幀

在電視系統中，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幀處理，也稱作傳輸了一幀，每一幀圖像由多個像素構成。

（3）掃描

把構成一幀畫面圖像的像素，依次轉變為電信號的過程（或者逆過程）叫做掃描。掃描過程同我們看書時視線由左至右、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）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，在顯示設備上表示能顯示的像素的多少。由于屏幕上的點、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，同樣的屏幕區域內能顯示的信息也越多，分辨率是清晰度重要指標之一，但不絕對。如視頻分辨率高，但由于壓制方式原因導致細節差，或有人將

低分辨率的素材強行拉伸到高分辨率，畫面則慘不忍睹。

2.2 4K技術及4K電影

（1） 4K技術

4K分辨率是發展的趨勢，即4096×2160的像素分辨率，它是2K投影機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準。它不同于我們在家里看的所謂高清電視（1080P，1920×1080分辨率），

也不同于傳統數字影院的2K分辨率的大屏幕（2048×1080分辨率）而是具有4096×2160分辨率的超精細畫面。傳統高清電視是207萬像素的畫面，而在傳統數字影院里看到的是221萬像素的畫面，在4K影院里，能看到885萬像素的高清晰畫面。

在數字技術領域，通常采用二進制運算，而且用構成圖像的像素來描述數字圖像的大小。由于構成數字圖像的像素數量巨大，通常以K來表示。2的10次方即1024，因此：1K=2∧10=1024，2K=2∧11=2048，4K=2∧12=4096。

在數字電影應用中，通常2K圖像是由2048×1080個像素構成的，其中2048表示水平方向的像素數，1080表示垂直方向的像素數;4K圖像是由4096×2160個像素構成的，其中4096表示水平方向的像素數，2160表示垂直方向的像素數。在實際的數字母版制作和數字放映中，還需根據不同的畫幅寬高比來對圖像水平方向或垂直方向的像素數進行調整。

（2） 4K電影

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

電影行業常見的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）等多種標準。目前國內大多數的數字電影是2K的，分辨率為2048*l080，還有部分數字電影是1.3K （1280*1024）的，而所謂農村電影放映的是0.8K （1024*768）的。真正意義上的4K電影應由4K攝像機拍攝，4K數字中間片流程制作，4K數字版發行，并用4K數字放映機放映。還有的4K電影是由35mm膠片拍攝的，再轉成4K的數字格式。當使用4K數字投影機將圖像投射在大熒幕上時，典型的“陰影”現象就會消失，而且絕對再也看不到單個的像素點了。由于膠片電影的分辨率與4K大致相當或者會略好，故轉錄之后也能保證電影的清晰度。

3 4K發展的問題

目前說來，對于線下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空間，4K電影的存儲空間大約是一部3D電影的4倍，即便是藍光光盤也無法完整存儲。目前在歐洲一些少數國家的4K電視頻道開播，但是都是處于試驗階段，配套的設施和相關的產業沒有成熟，這些都是短期內無法解決的。對于消費者而言，獲得4K視頻依然需要大費周折。

關于4K視頻存儲空間過大的問題，目前最有希望的解決方案是由國際電信聯盟（ITU）批準的下一代新的視頻標準H.265，這項新的標準將有利于4K視頻傳播，減小了4K視頻的存儲空間和網絡傳播資源利用。H.265是繼H.264提出的新的視頻標準，業內預計該標準將極大的推動4K視頻的發展。標準推動技術的發展是在發展的歷史上屢見不鮮。新批準的H.265標準將通過改進后的壓縮技術，讓4K視頻傳播耗費的資源更少。

另一個制約4K發展的問題是接口，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。想要達到4K顯示，顯示設備必須支持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，老舊的設備是無法完成的。

4 發展前景

前些年隨著電影《阿凡達》變得炙手可熱的3D技術如今顯得后勁不足。3D技術主要向更立體的方向發展。可是因為片源缺失等原因，3D技術開始銷聲匿跡。當然，片源缺失也是4K電影發展路上的絆腳石。4K級別的分辨率可提供880多萬像素，實現電影級的畫質，相當于當前頂級的1080p分辨率的四倍還多。當然超高清的代價也是不菲的，每一幀的數據量都達到了50MB，因此無論解碼播放還是編輯都需要頂級配置的機器。所以，片源缺失，播放設備，分辨率標準不統一等原因是4K發展的主要攔路虎：

其實當前無論是投影還是高端的大尺寸電視已經滿足了4k分辨率電影的顯示效果。而且從電影素材上來說，當前一般都是35mm膠片拍攝素材，理論上也已經到達了這個要求（實際上很難，應該選用70mm膠片），但是依然有太多的因素限制了4K電影的普及。

不僅僅是當前家庭中的播放器，許多電影院的放映設備大多停留在2K分辨率的水平。而4K分辨率的播放設備大都價格高昂，這一點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）等多種標準讓廠家出產的產品難以達到統一，這也阻礙了4K的普及。

當前我們常用的依然是35mm膠片拍攝素材負片（Negative Film Stock），而其清晰度是4K，到了發行拷貝（Film Print） 1K數字高清理論上可以達到2K的清晰度，這樣的清晰度應該是無法達到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的整體進步。

當前風行的藍光光盤基本已經達到1080p影片的存儲極限，4k電影的尺寸將會達到1080p的4倍，將會給電影發行介質帶來新的挑戰，不過當前的支持更高更大儲存的藍光光盤已經研發成功，距離上市也指日可待。

不過，4K雖然進步有限，但仍給多媒體行業帶來了重要的飛躍，阻止人們轉向4K是不太可能的。4K將提供更優質的圖像、電影和視頻，減少混淆、豐富細節、加寬色域。4K是朝著精細化的道路前進，這也是顯示設備一直在走的道路。這個趨勢是不可阻擋的。最近，亞馬遜宣布，將會在德國推出在線4K視頻節目。包括電影大片和電視劇兩種不同的內容。如今，4K技術已經不知不覺地滲透在我們的生活的方方面面。4K技術已經不止應用在電影院。家庭影院系統已經在構建中，企業也看到了這塊大蛋糕，在相配套的信號源、拍攝設備、投影機、環繞聲系統上做足功夫。4K電視已經問世。日后，在強大的硬件支撐下，相信在網絡上享受4K電影已經不遠了。

柏堂琪，專科學歷，陜西鎮坪縣廣電網絡公司，工程師。

作者簡介：李舉剛，本科學歷，陜西省廣電網絡鎮坪縣支公司，高級工程師。