淺談4k技術

□嚴星

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淺談4k技術

□嚴星

摘要：隨著科技的發展，4K超高清技術是近年來電視技術領域關注的焦點，許多電視節目開始使用4K技術參與制作，4K電視機也越來越多。本文介紹了4K技術的特性，列舉了一些4K電視制作方案，提出了阻礙我國4K電視技術發展的因素，并對4K技術的發展進行了展望。

關鍵詞：4K；分辨率；編碼方式；4K攝像機；4K制作；4K傳輸

一、4K特性

（一）4K分辨率

2012年5月，國際電信聯盟發布了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），相比傳統高清電視只能清晰顯示演員的面容，4K電視能纖毫畢現地展示人物和景物的細節，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超高清信號傳輸的是HDMI2.0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繞聲技術的發展。

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

在專業顯示領域，HDMI線的有限傳輸距離以及專業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適配器在現場制作方面發揮著重要作用，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信號傳輸等。此外，對于HDC系列攝像機系統，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，分別是當地時間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場直播的4K畫面。而其余國家根據不同安排，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年中央電視臺春節聯歡晚會，首次將4K技術應用在春節聯歡晚會的錄制中。中央電視臺在春晚現場一號演播廳旁邊搭建了一套4K EFP系統，參與春晚錄制，并對4K攝像機參數進行了測試和分析，為以后4K制作積累技術經驗。

2015年10月25日，中國足球超級聯賽倒數第二輪，廣州恒大淘寶坐鎮主場迎戰山東魯能，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，現場高清系統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，中國足協杯決賽第一回合江蘇舜天主場迎戰上海申花的比賽在南京奧體中心體育場打響，為了全面展現比賽盛況，江蘇電視總臺將4K高清大型電視轉播車開赴現場，進行高清公共信號、4K直播信號（通過IPTV和院線4K平臺）現場制作，并為網絡電視臺提供流媒體發布素材。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，分設兩個獨立的節目制作區，配備兩臺MVS-7000X頂級切換臺，可以獨立完成高清與4K兩版節目制作。本場比賽，轉播車系統被提升為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監看和技術畫面監看共采用三臺索尼PVM-X300 4K監視器，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電視技術發展的因素

（一）傳輸

由于4K超高清畫面數據量太大，傳統電視信號傳輸方式已經無法支持4K超高清傳輸。我國現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，改造現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4K傳輸，一種是依靠衛星傳輸，這種方式可以傳輸大數據量，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模硬件升級，加上無線網絡快速發展，改造方式可以多元化，4K傳輸的發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，對于電視節目而言，節目制作需要存儲大量的視頻素材，由于4K超高清畫面數據量太大，因此需要特別大的存儲空間。此外如果采用4K現場直播，直播現場的攝像機、傳輸線纜、矩陣切換臺、發射設備、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技術現場直播大型節目的硬件條件。

四、結語與展望

隨著4K超高清技術的不斷推廣與發展，4K技術已成為國內近期廣電業界的熱點，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發展的最前沿趨勢。

科技總是讓人對未來充滿了憧憬，在電視技術發展的進程中，高清和4K只是其中的一個環節。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，以及通過衛星全球覆蓋8K信號。

參考文獻：

1.李衛祖，施劍平.淺談4K轉播系統設計［J］.現代電視技術，2014（11）.

2.于路.中國4K現場制作進程與發展［J］.數碼影像時代，2015（12）.

3.鄔建中.當前我國4K電視產業的發展策略研究［J］.現代傳播，2015（5）.

4.王春樸，黃徐霞.4K電視發展展望及制作實踐［J］.視聽界，2013（3）.

（作者單位：廣東廣播電視臺）