4K技術在高校精品課程建設中的應用

2018-12-10 09:13:16王健寇宏

軟件導刊 2018年9期

王健　寇宏

摘要 4K技術具有高寬容度、高寬色域和高對比度優勢，研究4K技術發展現狀，分析4K技術在教育領域，特別是高校精品課程制作及視頻作品創作中的效果。對比8種當前適用于高校的4K攝像機產品，分析5種非線性編輯軟件，闡述4K制作前期準備及后期編輯工作，概括4K攝制中應注意的問題。將4K技術運用到高校新興和有發展潛力的學科中，對促進高校“雙一流”建設，縮短與國外的技術差距，增強學生的學習興趣，打造優質精品課程，加快高校一流學科建設都具有重要意義。

關鍵詞 4K技術；4K攝像機；4K攝制；精品課程建設

DOIDOI：10.11907/rjdk.181177

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）009016204

英文標題Application of 4K Technology in Colleges and Universities

--副標題

英文作者WANG Jian，KOU Hong

英文作者單位（School of Computer and Information Technology，Liaoning Normal University， Dalian 116081， China）

英文摘要Abstract：In order to enhance the interest of college students in learning，to create quality courses in colleges and universities and speed up the construction of firstclass disciplines in colleges and universities.，based on the characteristics of 4K with high latitude，high color gamut and high contrast，this paper studies the development of 4K technology at home and abroad，describes the preparation and postediting of 4K production and summarizes the attention problems in 4K production. Eight 4K video cameras currently available for colleges and universities are compared， and 5 nonlinear editing softwares are analyzed.The results show that 4K technology is applied in the field of education，especially in the production of excellent courses in colleges and universities and the creation of video works to achieve better results.The conclusion is that 4K technology should be applied to new and potential disciplines in colleges and universities to shorten the technological gap with foreign countries and promote the construction of "dual firstclass" colleges and universities，and it is hoped to provide a reference for the application of 4K technology in colleges and universities.

英文關鍵詞Key Words：4K technology； 4K camera； 4K shooting；fine course construction

14K技術發展狀況

2005年4K技術誕生，主要用于當時的好萊塢電影放映。2012年8月，美國消費電子產品協會公布“超高清”概念，即分辨率至少為3 840×2 160像素。隨后，索尼將此技術命名為“4K超高清”。同年，國際電信聯盟（ITU）發布了超高清的國際標準ITU-RBT.2020[1]，在該標準中，將超高清的空間特性分為3 840×2 160 和7 680×4 320兩種級別，分別稱為4K 和8K格式。

國外4K技術的研究及應用較早，歐美和日韓發展最為迅速。國外4K技術應用經歷了3個階段：①早期嘗試階段。在早期嘗試階段由于沒有4K錄像機，只能先將視音頻信號用本機存儲卡記錄，后期再進行剪輯。4K技術在很多方面展現出優越性能，從4K畫面中裁切出部分畫面用于高清制作，不僅保證了畫質還節省了機位與人力；②4K現場轉播系統建立。2013年相關廠商發布了基于35mm全畫幅攝影機的4K訊道攝像機系統，4K轉播系統得以真正建立。這一時期主要是在不影響原有高清轉播的前提下進行4K制作；③4K技術完整應用。德國、俄羅斯、馬來西亞、印度等國進行了4K超高清衛星傳輸，日本、捷克、法國、英國、美國則進行了地面4K超高清傳輸。美國采用VP9和HEVC編碼的4K串流技術實現互聯網傳輸；波蘭通過HbbTV混合廣播技術傳輸4K信號，可同時傳輸廣播和互聯網數據。2014年后半年，我國實現了4K的EFP轉播。2015年，國內多家電視機構進行多場4K轉播實踐[2]。2016年5月，華為啟動 “4K影視技術人才養成計劃”，培訓4K技術人才。2015年12月，中國傳媒大學開始建設1400m24K演播室。2016年10月18日，4K超高清演播室正式運行，意味著中國傳媒大學開始正式啟用亞洲第一個高校4K演播室，開啟了高校4K研究及人才培養新時代[3]。

24K制作前期準備

4K技術在影視行業，以及專業、高端的應用領域，如教育領域得到應用。良好的教育環境離不開先進的教學手段和技術手段。4K最直觀的優勢是其超高清畫質，擁有4倍于1080P的分辨率，帶來前所未有的視覺體驗。2018年1月15日，教育部宣布我國慕課數量居世界第一[4]。大規模開放性課程建設不僅對教育教學是一種變革，對錄制課程工作也是前所未有的挑戰。

精品課程制作使用4K技術，不僅能有2D狀態的細致真實畫面，還能顯示原生態3D畫面，從收音、布景、布光以及場記，都要有所調整。利用4K攝像機對教學活動進行拍攝時，應做好拍攝前的準備工作，有拍攝主題、策劃方案等。

2.14K攝像機

目前主流的4K攝像機來自索尼、松下、JVC和佳能等傳統廠商，其中以索尼產品最為豐富，專業級的有F65、F55、NEX系列等，還有手持設備如PXWZ150等。在標清和高清時代，攝像機的功能定位存在明顯差異，主要分為電影級、廣播級、專業級和家用級。隨著電子技術的快速發展， 4K設備越來越趨于融合發展，其功能定位也逐漸模糊。電影級面向的是專業團隊，家用級面向普通大眾。面向創作團隊、功能豐富、操作性強、性價比高的一類攝像機定義為“專業級”。表1為一些品牌專業級4K攝像機型號對比。

索尼PXWZ150手持式攝錄一體機，采用最新研發的1英寸ExmorRS COMS成像器件，12倍光學變焦鏡頭，可提供卓越的4K圖像質量。120fpsHFR全高清慢動作拍攝，能夠進行不間斷的高速畫面錄制，無需等待緩沖，能夠用于高校教學中關鍵鏡頭的長時間高速畫面記錄，對于實驗性質的教學拍攝場合非常適用[5]。

AU-EVA1攝像機是松下公司2017年開發的具有EF鏡頭口的緊湊型、重量輕的4K60p存儲卡攝像機，采用5.7K、超35mm MOS傳感器，可采集到4K、2K甚至720p信號，獲得很高的圖像質量。雖然其定位于電影制作，但是價格適中，可用于高校教學。其配有移動手柄，除可用于高速的手持拍攝外，還可安裝在無人機、穩定器或搖臂上進行更復雜的攝像工作。與同類產品或技術相比，其具有獨有的雙原生ISO 800/3200，電子圖像穩定系統E.I.S，可拍攝紅外視頻[6]。

JVC的GY-HM200是一款內置12倍超高清鏡頭和1/2.3英寸CMOS傳感器的4K超高清攝錄機，它可以50Mbps速率錄制4∶2∶2的60p視頻，最大亮點是可記錄標清到超高清的各種格式文件，配有先進的IP網絡通信，采用經濟實惠的存儲卡進行記錄[7]。

UHK-430是池上最新推出的4K攝像機系統，具有高畫質、高可靠性和低功耗特點，采用3片2/3英寸真4K分辨率的CMOS傳感器，標準B4鏡頭卡口，可拍攝出寬動態和高對比度畫面。用戶可根據自身需要選擇適合的光學模塊，可對聚焦輔助區域的大小、顏色、輪廓顏色進行調整。與當前國內外同類產品或技術相比，攝像機機頭與CCU之間實現了非壓縮4K信號傳輸（40Gbp），畫面質量優于其它采用壓縮信號的4K攝像機[8]。

佳能EOS C300配置了自行開發的Super 35mm規格、約885萬有效像素的大型CMOS傳感器，實現了高畫質影像。EOS C300的EF卡口可充分利用包括魚眼、移軸等特殊效果鏡頭在內的超過70款EF鏡頭，完成豐富多彩的影像表現。可拍攝最高ISO102400、增益54dB的超高感光度。采用模塊化設計，組裝快捷方便，可擴展，在眾多領域具有優勢。采用與佳能XF系列專業級攝像機相同的XF編解碼器，生成出色的高品質圖像，使數字文件滿足大多數后期制作要求[9]。

Black magic URSA Mini Pro 4.6K攝像機采用Super 35mm傳感器，可選用EF或PL鏡頭卡口，還配備廣播級視頻傳感器的B4卡口版本，記錄介質采用CFast 2.0，可在機內以 Apple Pro Res 或Cinema DNG RAW 格式記錄UHD/HD，拍攝分辨率最高 3840×2160。其特點是價格便宜，機內記錄功能強大，后期制作方便。缺點是太大太重且存儲介質只有一種[10]。

FT-ONE-LS-12G是中朋榮推出的4K可變幀頻攝像機，支持4K高速拍攝且機身小巧輕便，采用機頭與基站分離式設計，可在4K與HD兩種分辨率下工作，支持最新的12G-SDI接口，支持4K50P格式下的10 倍速循環錄制模式，接線簡潔方便，可扛肩使用，回訪時可捕捉新的慢動作視頻，慢動作面板具有多個自定義按鍵，使用方便[11]。

ALEXA SXT是阿萊（ARRI）公司推出的能更新升級的4K攝像機，可在機內錄制ProRes 4K Cine（4 096×2 637像素）和ProRes 4K UHD（3 840×2 160像素）格式，采用自主研發的ALEXA 65攝影機的電子系統以及獨特的片門全開、4∶3與16∶9影像傳感器模式，能夠以ARRIRAW或ProRes格式錄制。為簡化現場工作流程，ALEXA SXT分別提供了3組HD-SDI輸出。ARRI ALEXA的優勢在于能將最優秀的整體畫質與最高效的現場/后期工作流程結合得天衣無縫[12]。

2.2制作流程

4K制作一般采用兩種方式。

（1）普通質量制作的4K XAVC編碼格式。這種制作方法采用壓縮視頻文件，可在硬件要求低的環境中使用。前期選取XAVC壓縮編碼的4K攝像機進行拍攝記錄，后期使用非編軟件直接對XAVC格式視頻進行剪輯。如果需要精細制作，可使用后期編輯軟件進行處理，然后渲染出視頻文件。

（2）高質量制作的4K RAW+藍光方式。它追求的是高清晰度的畫面質量，前期拍攝采用的記錄方式是4K RAW格式，形成高低碼流兩種素材，即MPEG2和4K RAW。后期編輯時，粗略剪輯采用MPEG2壓縮文件完成，特效與校色采用RAW格式完成，然后將所有素材進行組合輸出高質量的視頻文件[13]。

2.3存儲設備

4K技術對感光度要求很高，因此占用存儲空間大。從拍攝初期到結束，如果沒有充足的存儲設備，拍攝人員就要謹慎地對教學活動進行錄制。現有4K攝像機既有機內直接拍攝存儲，也有外接記錄存儲，兩種方式各有利

弊，應根據實際情況進行選擇。

2.4顯示設備

通常將其稱為4K監視器。專業監視器會內置一組高精度工具，包括波形示波器、RGB分量示波器、矢量示波器和直方圖等，以便準確衡量信號質量。監視器不僅用于現場制作監看，后期制作和調色環節也必不可少。

2.5資金方面

使用4K攝像機進行教學活動是為了讓學生有更好的學習體驗，但要做好資金預算。

34K后期編輯制作

4K后期的視頻編輯制作是優質精品視頻課程不可或缺的環節。結合美術、動畫等高科技展現技術進行后期制作，讓教學者的思想精髓通過清晰的視頻結構、色彩和排列變得生動精彩，使學習體驗得到質的飛躍。4K后期編輯制作主要依賴非線性編輯系統。非線性編輯系統由硬件和軟件兩部分組成。

一套完備的非線性編輯硬件通常由計算機平臺、視音頻傳輸接口卡、媒體驅動器、視音頻監視器構成[14]。計算機平臺是硬件部分的核心，計算機平臺有基于Macintosh機的系統、基于PC機的系統和基于SGI工作站的系統。

錄制的4K視音頻信號傳輸到計算機平臺需要一個視音頻傳輸接口卡，它有兩類：一類是有硬件加速功能的，如Edius SP for HDV、MATROX RT.X2等；另一類無硬件加速功能，如1394、SDI接口卡。視頻的采集與輸出需要媒體驅動器，隨著技術進步，其種類越來越多，由最初的以磁帶、光盤存儲介質的播放機發展到以P2卡、藍光盤、硬盤為存儲介質的4K攝錄一體機，表1中索尼PXW-Z150手持式攝錄一體機就是以硬盤為存儲介質。視音頻監視器主要用來監視和監聽音視頻信號，能夠反映出缺陷以及細微變化。當前4K監視器種類繁多，較有影響力的有索尼PVM-X300 4K專業監視器、Blackmagic Video Assist 4K監視器、佳能DP-V3010 4K監視器、松下BT-4LH310 4K監視器等。后期剪輯設備還有一些附屬小型設備，如監聽耳機、連接線、操作臺等。

后期編輯軟件很多，功能特點各不相同，表2是幾種常見的非線性編輯軟件比較。

后期編輯制作完成之后要輸出，4K視頻圖像對于存儲介質要求比較嚴苛，由于生成的4K視頻是高清視頻的4倍碼率，加上各種復雜的特效以及多層編輯，使存儲帶寬需求數倍增長。互聯網的發展，可將輸出的4K視頻直接上傳到云平臺，但是需要用很高的帶寬進行上傳下載，對傳統網絡接口提出挑戰；也可將其存入SSD設備，當前SSD設備的讀寫性能可滿足4K 制作需求，但SSD設備價格昂貴，容量固定；也可轉化成HD藍光盤進行存儲，還可轉化成安卓/ISO系統的尺寸碼流，可在線觀看。總之，存儲方式要根據實際情況選擇。

44K攝制注意事項

4.1監視器

4K監視器可真實還原色彩，具有高對比度、高分辨率特性。具有4K分辨率的監視器能進行非常精細的調整，如實顯示色彩與層次。以往監視器亮度可能會隨著視頻信號平均亮度的增加而減弱，4K監視器可以有效避免該問題，在后期制作時可用于調色和視覺效果，同時方便在拍攝現場確認圖像。目前4K顯示器尺寸都比較大，所以最好選擇帶有可調整支架的產品。

4.2伽馬曲線

所謂伽馬曲線，就是一個“成像物件”對入射光線作出 “反應”而獲得的曲線，我們眼睛就是“成像物件”，它的伽馬曲線不是一條直線，使人眼對光線呈非線性反應。但是攝像機中的CMOS影像感應器成像方式是通過硅感光成像，是一種物理成像方式，攝像機對光線是呈線性的。因此，攝像機的伽馬與人眼的伽馬就沖突了。攝像機要對所獲得的線性感光信息進行調整，CMOS影像感應器在拍攝視頻后會輸出RGB信息，這種RGB信息是直線信號，經過攝像機內部的“伽馬調整模塊”將其調為非線性信息，然后輸出。這是攝像機調整伽馬曲線的過程，是攝像機必須經過的一個步驟。4K攝像機允許手動調整伽馬曲線，可擁有1600%的寬廣動態效果，不僅可以維持與伽馬曲線的連續性，還能實現色階平滑并且抑制曝光過度。因此，在使用4K攝像機時要詳細調整其伽馬曲線，得到更真實、標準的影像。

4.3記錄媒介

4K高分辨率已成為后期制作的主流，其優勢不言而喻，但對存儲介質、容量以及穩定性要求也達到前所未有的高度。目前最流行的存儲介質是基于閃存（Nand flash）的，如CF卡、SD卡、SDHC卡、MMC卡、SM卡、xD卡、SSD固態硬盤等。但對于4K高分辨率視頻來說，這些存儲介質都顯得容量較小。256G的SD卡錄制時間對比見表3。

因此，要選取適當的存儲記錄媒介對4K視頻進行記錄。目前Blackmagic記錄4K分辨率采用其獨特的UHS-II卡進行記錄，避免使用如XDCAM、P2以及SSD等昂貴的存儲方案。UHS-II卡能夠全面兼容常規SD卡槽，而AJA則采用Pak SSD作為存儲介質，可提供多種容量，其中Pak 1000具有1TB容量，且AJA Pak 1000 SSD存儲介質可實現UHD 60p和4K 60p的蘋果HD記錄，在圖像質量和文件大小之間尋找更好的平衡點。

4.4拾音與錄制

聲音內容及質量至關重要，要根據指向性、構造、位置等特性選取合適的話筒。不管是內景還是外景拍攝，都要先錄一段空音，因為特定的環境有特定的聲音。拾取聲音要盡量靠近發聲體，聲畫景別要一致且盡可能避免話外聲干擾。在錄制聲音時要監聽音樂，確保最佳品質[15]。

5結語

4K技術的廣泛應用以及后期編輯制作的系統化，為4K技術在高校的應用奠定了基礎。高校對精品課程的4K制作除了要考慮資金、設備等因素外，還要綜合考慮后期編輯制作的需要。如果高校擁有自己的數據管理團隊和后期剪輯調色團隊，采用4K RAW方式無疑是高質量制作最佳方案。4K超高清將會越來越多地融入校園生活的方方面面，帶來更好的應用體驗。

將4K超高清技術應用到有發展潛力的學科中，特別是應用在一些核心課程的關鍵和重要內容上，達到“好鋼用在刀刃上”的目的，能有效促進高校“雙一流”建設，在某些方面取得突破性進展。

參考文獻參考文獻：

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[8]現代電視技術編輯部.BIRTV 2017產品、技術及應用項目評選活動評出34項獲獎項目[J].現代電視技術，2017（8）：156157.

[9]數碼影像時代編輯部.佳能EOS C300 MARKII測評變革[J].數碼影像時代，2015（9）：9295.

[10]數碼影像時代編輯部.Blackmagic Design發布URSA Mini Pro 4.6K攝影機[J].數碼影像時代，2017（3）：1819.