4 K超高清應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

付 軍

（作者單位：貴州廣播電視臺(tái)）

1 超高清4 K發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，隨著4 K技術(shù)不斷完善，各國都把4 K電視發(fā)展納入發(fā)展規(guī)劃，詳細(xì)規(guī)劃制定了發(fā)展時(shí)間表、路線圖。日本可以說是4 K視頻鼻祖，其原計(jì)劃2014發(fā)展智能電視，2016年發(fā)展4 K，到2020年發(fā)展8 K。但日本的4 K發(fā)展超乎人們想象，比原來規(guī)劃提前兩年實(shí)現(xiàn)，4 K在巴西里約世界杯的應(yīng)用，提前四年實(shí)現(xiàn)，8 K在巴西里約熱內(nèi)盧奧運(yùn)會(huì)和地面廣播應(yīng)用，且將在2020東京奧運(yùn)會(huì)實(shí)現(xiàn)8K視頻轉(zhuǎn)播。歐洲廣播電視聯(lián)盟積極推動(dòng)4 K電視發(fā)展，制定了比較詳細(xì)的規(guī)劃。如表1。

表1 歐洲廣播電視聯(lián)盟推動(dòng)4 K電視發(fā)展規(guī)劃表

我國也在積極推動(dòng)4 K技術(shù)在廣電領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，部分有條件的廣電和新媒體已在不同領(lǐng)域應(yīng)用和規(guī)劃搭建4 K視頻系統(tǒng)，央視為下一代超高分辨率節(jié)目制作、播出，為制定行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，積極進(jìn)行技術(shù)實(shí)踐，投建了國內(nèi)第一個(gè)4 K超高清制作系統(tǒng)，國內(nèi)知名的媒體4 K花園、騰訊，在節(jié)目制作、體育直播平臺(tái)大規(guī)模應(yīng)用4 K視頻技術(shù)。其次，江蘇廣電、湖南廣電、浙江廣電、上海SMG和山東廣電等，分別集成不同架構(gòu)的4 K轉(zhuǎn)播車項(xiàng)目，在為基帶轉(zhuǎn)換IP級(jí)聯(lián)探索積累經(jīng)驗(yàn)，為全I(xiàn)P集成時(shí)代到來做好技術(shù)儲(chǔ)備。

相較于4 K視頻系統(tǒng)集成目前還無法互聯(lián)互通，4 K視頻采集端攝像機(jī)相對(duì)成熟。世界主流廠家主要有索尼、池上、GV、松下和佳能等，人們使用較多是索尼產(chǎn)品。鏡頭是攝像機(jī)最前端的部分，也是獲取素材第一環(huán)節(jié)，鏡頭好壞直接影響畫面還原度和影像質(zhì)量。在世界廣播電視鏡頭領(lǐng)域，佳能鏡頭備受好評(píng)。在箱式鏡頭領(lǐng)域富士占居較大市場(chǎng)份額，也是各傳媒首選。業(yè)內(nèi)最大倍率107倍箱式長(zhǎng)焦鏡頭，適用于各種場(chǎng)景。世界最小、最輕量的富士4 K廣播鏡頭2018全新上市，采用九片光圈葉片，產(chǎn)生自然唯美的虛化效果，頗具看點(diǎn)。

在顯示終端方面，隨著視頻技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代，以京東方為代表的顯示面板廠家，以海信、TCL為代表的電視機(jī)廠家，都在積極推動(dòng)超高清終端進(jìn)入家庭，拉動(dòng)消費(fèi)升級(jí)，對(duì)4 K推廣具有積極影響，高清素材和影視劇的不斷增多，必將推動(dòng)4 K產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展。

2 高動(dòng)態(tài)范圍HDR

4 K視頻3 840×2 160分辨率，與高清相比分辨率顯著提高，能將更清晰、更寬廣的圖像呈現(xiàn)給觀眾。在顯示細(xì)節(jié)上更加得心應(yīng)手，如在素尺寸不變、觀看距離不變情況下，能使人看到更廣、更清晰的內(nèi)容，HDR高動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)用，進(jìn)一步提高色域動(dòng)態(tài)范圍，HDR目標(biāo)是把電視動(dòng)態(tài)范圍提高2個(gè)數(shù)量級(jí)達(dá)到與人眼瞳孔無調(diào)節(jié)時(shí)相當(dāng)?shù)某潭取ｏ@示端OLED需顯示純黑、高亮度的動(dòng)態(tài)范圍（寬容度分辨率）也提高到1 000 000：1，量化（灰度分辨率）12 bit，幀速率（時(shí)間分辨率）提高到120/100 P。

目前，拍攝和顯示技術(shù)均有了長(zhǎng)足發(fā)展，電視行業(yè)需新的制作/傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，這個(gè)新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就是HDR。它是建立一個(gè)比SDR更大的色彩/亮度坐標(biāo)體系并改變系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，以再現(xiàn)更大的色域和更高的亮度動(dòng)態(tài)。國際電聯(lián)2016年7月發(fā)布ITU-R BT.2100文件，建議HDR采用PQ（ST2084）和HLG作為播出格式。PQ（Perceptual Quantization）定義了EOTF（電光轉(zhuǎn)換特性，監(jiān)視器即電視機(jī)中，電信號(hào)轉(zhuǎn)換為顯示光亮度的特性）即精確匹配顯示終端動(dòng)態(tài)范圍。HLG（Hybrid-Log Gamma）定義了OETF（光電轉(zhuǎn)換特性，攝像機(jī)中被攝景物光亮度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的特性）采用與現(xiàn)有標(biāo)清/高清電視相同的相對(duì)亮度體系HLG的EOTF非線性特性是為兼容SDR設(shè)計(jì)的，再現(xiàn)相對(duì)亮度，是對(duì)傳統(tǒng)電視體系的改進(jìn)，擴(kuò)展了高亮度景物再現(xiàn)能力。

索尼建議HDR中間母版格式S-Log3，S-Log3是索尼攝影機(jī)使用的OETF可利用成像器件的全部動(dòng)態(tài)范圍，與之對(duì)應(yīng)用于顯示的是S-Log3 EOTF，支持4 000%動(dòng)態(tài)范圍，S-Log3是用于制作HDR中間格式，不直接用于播出，播出時(shí)用轉(zhuǎn)換器把S-Log3轉(zhuǎn)換成PQ或HLG，轉(zhuǎn)換后亮度不變。

3 IP化應(yīng)用以及編碼方式

在今后4 K轉(zhuǎn)播車視頻集成中，如還采用傳統(tǒng)基帶級(jí)聯(lián)，3G四線級(jí)聯(lián)將產(chǎn)生大量耗材，增加系統(tǒng)集成復(fù)雜程度，矩陣系統(tǒng)將變得巨大，線路繁雜。4 K視音頻采用IP級(jí)聯(lián)方式，與以往基帶級(jí)聯(lián)最大不同是，將眾多連線用矩陣分配方式交由IP交換機(jī)來完成，網(wǎng)線、光纖解決問題更加簡(jiǎn)便，減少線材使用量，統(tǒng)一調(diào)控,系統(tǒng)集成度高，如圖1。

圖1 IP交換機(jī)工作流程圖

采用通用的共享/雙向IP架構(gòu)，為共享/雙向數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)的IP架構(gòu)用于專用/單向AV數(shù)據(jù)傳輸時(shí)須采用專門協(xié)議。目前10G以太網(wǎng)無法傳輸無壓縮4 K視頻，要傳輸4 K須引入壓縮編碼，ST 2022-6只規(guī)定了凈切換（Clean Sw）原則，凈切換是輸出信號(hào)在切換前和切換后保持幀同步，畫面無損。要實(shí)現(xiàn)IP凈切換ST 2022-6的視頻、音頻、元數(shù)據(jù)混合打包，以保證接受端視頻實(shí)現(xiàn)凈切換，基于COTS以太網(wǎng)交換機(jī)PTP的時(shí)間同步（PTP適用于IP網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步的IEEE 1588 PTP協(xié)議）。有效解決IP化視音頻流沒有幀邊界問題，實(shí)現(xiàn)凈切換。10 G以太網(wǎng)帶寬不能傳輸4 K/60 P基帶信號(hào)，須采用壓縮編碼降低碼率。ST 2022對(duì)4 K編碼沒有明確定義，在SMPTE支持者內(nèi)對(duì)4 K編解碼方案有不同選擇，各廠商解決方案并不相同，不同技術(shù)方案設(shè)備在IP域無法實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)。

應(yīng)用IP級(jí)聯(lián)可大大降低耗材使用，簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成步驟，提高系統(tǒng)聯(lián)通調(diào)度統(tǒng)一。但是，當(dāng)前實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中存在很多問題，各廠家各自為陣，協(xié)議端口不開放，編碼方式不統(tǒng)一，不能互相讀取協(xié)議層，使視頻系統(tǒng)級(jí)聯(lián)不能完全I(xiàn)P化，而廠家要單獨(dú)為廣電視音頻系統(tǒng)級(jí)聯(lián)開放開發(fā)，在封裝環(huán)節(jié)搭建新構(gòu)架，從利益分配考慮，誰都不愿意做出妥協(xié)，阻礙了IP化級(jí)聯(lián)進(jìn)程。從目前情況看，國內(nèi)已知或在籌劃的方案，都不能完全實(shí)現(xiàn)真正意義上IP集成。處于安全考慮，退而求其次選擇基帶和IP互為備份的方式集成，IP集成度也大大提高。4 K視頻目前我國還沒有出臺(tái)統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，廣電總局倡導(dǎo)有條件省市先行先試，在目前狀況下，最好的方案是，高清、4 K長(zhǎng)期共同存在，以滿足不同觀眾的選擇。

未來4 K編碼方案最大可能將優(yōu)選選擇大家普遍認(rèn)可的SMPTE2110編碼標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)具有大寬帶、無阻礙、無壓縮和單獨(dú)路由的特點(diǎn)，由VSF TR-03發(fā)展而來，獲得大多數(shù)廠商支持。FCD（Final Committee Draft）已投票通過，無壓縮HD視頻草案已獲SMPTE通過，ST2110內(nèi)容包括：ST2110-10系統(tǒng)定時(shí)、ST2110-20未壓縮的活動(dòng)視頻、ST2110-21業(yè)務(wù)整形未壓縮視頻、ST2110-30未壓縮PCM音頻和ST2110-40輔助數(shù)據(jù)。目前還沒有完全正真意義上的無壓縮4 K,但各廠家和集成商都在積極優(yōu)化在IP過渡期的替代方案，且技術(shù)每天都在更新，IP化可能比預(yù)想的時(shí)間大大縮短。ST 2110物理層/數(shù)據(jù)層傳輸要求對(duì)比如表2。

表2 ST 2110物理層/數(shù)據(jù)層傳輸要求對(duì)比表

4 4 K技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)

未來視音頻系統(tǒng)級(jí)聯(lián)，將會(huì)向全I(xiàn)P集成方向發(fā)展，各聯(lián)盟、周邊設(shè)備生產(chǎn)商、視音頻廠家協(xié)商、數(shù)據(jù)鏈測(cè)試和協(xié)議端口開放，最終會(huì)形成各方都能接受的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)或互相兼容的格局，最終形成互聯(lián)互通。但這一進(jìn)程會(huì)經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，也有可能提前超預(yù)期，目前存在問題是各方還無法完全達(dá)成統(tǒng)一共識(shí)，隨著談判進(jìn)程不斷推進(jìn)，最終將形成一個(gè)互相妥協(xié)利益共享的結(jié)果。同時(shí)各種替代方案、解決辦法每天都在不斷推陳出新，在IP化過渡期起替代作用，不影響超高清應(yīng)用和發(fā)展。

未來所有集成設(shè)備調(diào)度、整合、數(shù)據(jù)分配都將由SDN數(shù)據(jù)控制，進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，有效解決了基帶集成設(shè)備間各自為陣的局面，簡(jiǎn)化了工作程序，提高工作效率。同時(shí)，對(duì)從業(yè)者提出更高要求，特別是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)知識(shí)儲(chǔ)備，SDN控制系統(tǒng)便于視音頻集中管理，但也增加了系統(tǒng)調(diào)度分配難度和安全問題，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，又波及到備份系統(tǒng)，對(duì)節(jié)目安全直播、制作都構(gòu)成相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。所以，應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全，提升系統(tǒng)安全防火墻迫在眉睫。傳統(tǒng)的基帶級(jí)聯(lián)，端口連接安全可靠，IP化端口相較基帶存在諸多隱患，轉(zhuǎn)播系統(tǒng)常年在外奔波，勢(shì)必造成網(wǎng)口級(jí)聯(lián)松動(dòng)，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。對(duì)目前已有或正在考慮上馬4 K系統(tǒng)或項(xiàng)目的媒體，提出了必須思考的課題。IP視音頻級(jí)聯(lián)沒有足夠成熟的范例，也沒有在長(zhǎng)期使用中積累的經(jīng)驗(yàn)，目前也不能完全實(shí)現(xiàn)真正意義上的IP化，要完全實(shí)現(xiàn)IP化任重道遠(yuǎn)。而當(dāng)前節(jié)目制作水平、觀眾審美不斷提高，市場(chǎng)又有需求，所以各傳媒都在積極制定、規(guī)劃4 K視頻方案。因此，在目前情況下，就應(yīng)積極面對(duì)4 K視頻系統(tǒng)搭建中存在的問題，優(yōu)化方案，結(jié)合自身節(jié)目制作需求做出合理化布局，即考慮眼前需求又預(yù)留未來發(fā)展空間，IP末端鏈路預(yù)留，提高更換設(shè)備可操作性，這樣不但可以滿足節(jié)目制作的需求，又無后患之憂。IP化從根本上說只是改變了系統(tǒng)級(jí)聯(lián)方式，并沒有顛覆系統(tǒng)大的框架，人們不能為IP而IP，而忽略自身發(fā)展和需求，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。

未來SDN控制系統(tǒng)，可以預(yù)見AI人工智慧、語音識(shí)別系統(tǒng)的介入，在提高系統(tǒng)集中統(tǒng)一管理的同時(shí)，還可加強(qiáng)PC自我學(xué)習(xí)與管理，人們不用再去調(diào)度或控制本來AI能做的事情，只用下指令告訴AI需做什么就可以。從目前AI發(fā)展情況來看，這是完全有可能實(shí)現(xiàn)的，只是傳媒視音頻系統(tǒng)搭平臺(tái)忽略了AI發(fā)展，沒有和自身需求有效結(jié)合，商家也沒有這方面開發(fā)，市場(chǎng)、廠家、傳媒?jīng)]有形成共振，也就沒有形成羊群效應(yīng)。隨著5G在全國試點(diǎn)全面鋪開，未來大規(guī)模商業(yè)運(yùn)用，將極大提高移動(dòng)端傳輸速率，傳輸方式也將變得多元化，將更加快速便捷。隨著墨子號(hào)的升空，量子通信已進(jìn)入專線測(cè)試階段，有關(guān)量子計(jì)算機(jī)、通信密鑰也在積極推進(jìn)，這將會(huì)是一項(xiàng)顛覆傳統(tǒng)傳輸方式和計(jì)算革命，也是通信安全級(jí)別最高的項(xiàng)目，當(dāng)前區(qū)塊鏈處在風(fēng)口浪尖，區(qū)塊鏈除全世界都知道火爆的比特幣概念以外，在諸多領(lǐng)域，區(qū)塊鏈技術(shù)已蠢蠢欲動(dòng)，這也是除現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)以外獨(dú)有的鏈態(tài)環(huán)境體系，傳媒不可小看其作用。在搭建平臺(tái)集成系統(tǒng)時(shí)，人們要考慮這些看似遙遠(yuǎn)又實(shí)實(shí)在在發(fā)生的新事物，進(jìn)行超前謀劃，為將來發(fā)展融合預(yù)留足夠空間和拓展環(huán)境，盡可能將系統(tǒng)使用率提高，拉伸使用時(shí)間。

隨著4 K技術(shù)不斷革新，產(chǎn)品性價(jià)比逐步回歸理性，周邊設(shè)備優(yōu)化升級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)、編碼、端口和協(xié)議等的統(tǒng)一，必將推動(dòng)4 K視頻技術(shù)全面發(fā)展。4 K視頻不斷涌現(xiàn)，必將帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，制造出人們能用得起、受歡迎的產(chǎn)品，從而推動(dòng)4 K向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)，帶動(dòng)、拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。