4K超高清工作流程需要的編碼格式

孫奉明 松下電器廣播電視系統營銷公司

4K 是現在一個很熱門的話題，4K 全產業鏈涉及的設計層面非常多，今天我重點介紹關于電視臺新聞節目4K制作工藝流程中編碼格式的一些考量。

1. 播出業界4K路線圖

我們先來關注廣播電視機構在 4K 方面的發展概況。以日本電視臺4K的發展為例，日本4K的起步比較早，2014年就已經開始衛星、有線電視和IPTV的4K 超高清節目的試播。2016年，開展衛星4K和8K超高清節目的實驗播出，進一步擴大了4K和8K的影響力。2018年平昌冬奧會期間正式播出4K和8K超高清節目，在平昌冬奧會期間的某些時段，NHK播出了8K的競賽內容。日本的目標是在2020年東京奧運會進行4K還有部分8K的電視直播。目前4K在日本電視臺很熱，包括4K演播室的建設和4K的播出規劃，都在為東京奧運會4K和8K超高清節目播出做準備。奧運會是廣播電視一個很重要的展示平臺，奧運會轉播會應用先進技術，同時奧運會的轉播活動也推動了新技術的加速普及，我們的切身感受就是在2008年北京奧運會的高清轉播后，高清在全國迅速得到了普及。

國內超高清也正處于不斷發展的階段。已明晰的近期4K和8K的發展目標，就是在2022年北京冬奧會期間會進行4K及8K超高清HDR的電視轉播。

雖然日本和韓國的 4K 起步比較早，并已開展了不少工作，但是我國4K超高清的發展也很快速。2017年，廣東省為了拉動電子消費產業，已經開展4K超高清工作的試點，廣東電視臺2017年已開播4K超高清電視頻道，這是對我國4K發展的一個極大推動。從產業鏈的角度，中央電視臺在CCBN上也宣布了其4K超高清的建設規劃，步子邁的也相當大，甚至超越了廠家對4K超高清發展進程的預測。因為在中央電視臺4K超高清的規劃中，要建設一個4K綜合頻道，新聞節目類型已經納入總編室整體的規劃中。 4K綜合頻道一定是包含新聞節目內容，所以從這點來說，中央電視臺走在了世界的前列，因為至今還沒有一家開播的4K電視臺里有專門的4K新聞節目，最多也只是有一些新聞類型的專題片，中央電視臺4K超高清的規劃對廠家是一個非常大的推動。

圖1 日本4K/8K廣播的路線圖

最近，中央電視臺邀請大家共同探討有關新聞流程的4K化，因為中央電視臺時政新聞有中央領導人出鏡的內容，所以要從政治方面來考量，我們看到現在中央電視臺新聞聯播里的畫面寬高比依然是4∶3，所以不是完全由高清技術因素要求所定的。4K的新聞流程完全有別于數字電影、綜藝、體育和專題片等類型的節目，因為新聞采訪有一些特殊的要求。考慮到電視臺新聞采訪的特殊需要，結合4K高畫質的需求，以及電視臺向新媒體、網絡化、云化發展的方向，松下也提出了一個提案。以下介紹松下對電視臺新聞節目4K制作工藝流程的一些考量。

電視臺ENG向超高清推進，要面向新聞報道 “高畫質”及“網絡”并重，以適合4K/8K時代的高畫質技術及網絡技術的實現。

國內超高清也正處于不斷發展的階段。已明晰的近期4K和8K的發展目標，就是在2022年北京冬奧會期間會進行4K及8K超高清HDR的電視轉播。

雖然日本和韓國的 4K 起步比較早，并已開展了不少工作，但是我國4K超高清的發展也很快速。2017年，廣東省為了拉動電子消費產業，已經開展4K超高清工作的試點，廣東電視臺2017年已開播4K超高清電視頻道，這是對我國4K發展的一個極大推動。從產業鏈的角度，中央電視臺在CCBN上也宣布了其4K超高清的建設規劃，步子邁的也相當大，甚至超越了廠家對4K超高清發展進程的預測。因為在中央電視臺4K超高清的規劃中，要建設一個4K綜合頻道，新聞節目類型已經納入總編室整體的規劃中。 4K綜合頻道一定是包含新聞節目內容，所以從這點來說，中央電視臺走在了世界的前列，因為至今還沒有一家開播的4K電視臺里有專門的4K新聞節目，最多也只是有一些新聞類型的專題片，中央電視臺4K超高清的規劃對廠家是一個非常大的推動。

最近，中央電視臺邀請大家共同探討有關新聞流程的4K化，因為中央電視臺時政新聞有中央領導人出鏡的內容，所以要從政治方面來考量，我們看到現在中央電視臺新聞聯播里的畫面寬高比依然是4∶3，所以不是完全由高清技術因素要求所定的。4K的新聞流程完全有別于數字電影、綜藝、體育和專題片等類型的節目，因為新聞采訪有一些特殊的要求。考慮到電視臺新聞采訪的特殊需要，結合4K高畫質的需求，以及電視臺向新媒體、網絡化、云化發展的方向，松下也提出了一個提案。以下介紹松下對電視臺新聞節目4K制作工藝流程的一些考量。電視臺ENG向超高清推進，要面向新聞報道 “高畫質”及“網絡”并重，以適合4K/8K時代的高畫質技術及網絡技術的實現。

圖2 電視臺新聞向高畫質及網絡并重推進

我們最近向中央電視臺提供的新聞部門 4K 應用方案，在流程里充分考慮了電視臺業務的一些需要，這對其他電視臺4K業務的發展也有很好的借鑒作用。

4K 工作流程所追求的要素。一是時效性和信息收集力。新聞采訪最重要的是要有很高的時效性，很強的信息采集能力，這就要求攝像機應具有良好的機動性并便于操作，同時要求攝像機所記錄和傳輸的碼流應盡量低，能夠適配我們臺內現有的網絡環境，能夠適配現有的無線網絡傳輸，能夠進行網絡化和云化的處理。

二是高畫質。4K 節目拍攝需要更高的畫面質量，但新聞采訪拍攝，沒有專門的布光條件，所以要求4K攝像機的靈敏度要高，要有大的寬容度，能適應各種不同的應用的場合；在保證高畫質的基礎上采用高效率的圖像壓縮格式。

三是媒資的考量。在媒資的存儲和云存儲方面，采用低碼率和高效率圖像壓縮，在保持高畫質的同時，盡力壓縮數據容量；考慮媒資內容長期保存的特性，在選擇媒資格式時，應選擇目前的主流格式，以保障今后技術的兼容和發展。

圖3 4K工作流程所追求的要素

2. 4K壓縮編碼技術

以上提到的 4K 工作流程的三個要素都涉及到編碼。其實數字化之前在進行模擬信號處理時，也要考慮降低信號帶寬來降低信息量以達到更高的效率，例如RGB域向YPrPb域的轉換。數字化后，圖像壓縮編碼技術不斷演進和發展，松下公司的圖像壓縮編碼格式也歷經了技術的不斷演進和發展。

松下在數字化早期，推出了 DVCPRO 圖像壓縮編碼系列，包括25M、50M和100M的碼率。不同碼率對應的圖像質量有所差異，國際標準化組織根據主觀評價和科學的研究，規定了適合高標清圖像質量所需的碼率，270Mbps標清大約應采用5∶1的壓縮，所以無論是DVCPRO還是其他廠家的50M的圖像壓縮格式，都符合國際標準化組織的規定，在數字化進程中起到了非常重要的作用。到了高清以后，開始還是采用這種DV壓縮格式，但碼率成倍增加，因為高清與標清相比，水平和垂直分辨率都大約增加了一倍，所以高清的圖像壓縮碼率從標清的50M提高到200M，隨著新媒體和高清化的到來，在此背景下，松下開發了新的高效壓縮編碼格式AVC/H.264，由于壓縮效率較之以前的DV格式提高一倍，在保證高清圖像質量要求的基礎上，碼率也從 200M降低至到100M。松下的 AVC100 M壓縮格式是一個中心點，如果采用4∶4∶4的記錄，則要采用更高的200 M碼率。

圖4 松下公司圖像壓縮格式的進化

在 2012 年以后，為了適應電視臺融合媒體網絡化和無線傳輸技術的發展，松下推出AVC LongG壓縮編碼格式,把高清的100M碼率分別降為50M、25M、12M，以適應臺內的網絡傳輸環境，同時，12 M碼率也能適配無線傳輸環境。與高清相比，4K的水平和垂直分辨率都增加了一倍，也就是說4K/50P超高清的信息量是1080/50i高清的8倍。雖然松下現有的壓縮編碼格式AVC可以承載600M到800M的碼率，但是對于4K新聞采訪這樣一個高碼率,顯然是完全承受不了的負擔。

松下公司圖像壓縮格式的進化見圖 4。

為了滿足 4K 超高清新聞采訪報道的實際需求，松下新開發的處理器采用了更優的H.265壓縮編碼。我們知道，降低4K碼率需從兩個方面來考慮，一是用更優的H.265壓縮編碼格式，二是采用幀間壓縮的方式。松下采用H.265編碼和LongG幀間壓縮方式，從兩個方面來降低4K的碼率，實現了將現有100M碼流的應用環境平移到4K的制作環境中。

采用 H.265 高效視頻壓縮格式，在維持高畫質同時實現低比特率數據量，便于利用現有環境，實現更快的工作流程；同時，H.265編碼符合壓縮技術的發展趨勢，可以保障今后技術的兼容和發展。

下一代的壓縮技術及利用用途。從超高清技術發展來看，4K到8K必須采用新的壓縮算法，下一代高效率壓縮編碼“HEVC/H.265”可以滿足4K到8K超高清技術發展的要求。目前，H.265已經應用于很多網站和一些傳輸分發環節；一些名牌攝像機、照相機也應用了H.265編碼技術，H.265已是一個非常成熟的技術。

圖5 松下4K壓縮編碼提案

圖6 下一代高效率壓縮編碼“HEVC/H.265”

H.265 與 H.264 的 關 鍵 技 術 相 比， 塊 劃 分 結構在 H.264 4×4、8×8、16×16的基礎上增加了32×32、64×64，更細的塊劃分結構更有利于細節的處理；幀內預測由H.264的8種預測方向擴展到33種預測方向；H.264的幀間預測單元有6種分割模式，H.265的幀間預測單元增加到8種分割模式；與H.264比較，H.265的文件大小減少了一半，壓縮效率是H.264的兩倍。

HEVC/H.265 編碼具有約 2 倍于 H.264 編碼的效率，此外，采用壓縮效率更好的4K HEVC LongG幀間壓縮方式，與Intra相比，效率提升了4倍。所以雖然超高清比高清的信息量增加了8倍，但是我們通過H.264→H.265將效率提升2倍，Intra→LongG將效率提升4倍，兩種方式帶來的疊加8倍編碼效率的提升，實現了在現有網絡使用100M碼流就可以進行4K超高清節目的制作。

圖7 HEVC/H.265 與 MPEG-4 AVC/ H.264 性能比較

松下新的攝像機開發。為了同時保證4K 高分辨率與高動態范圍HDR，大感光像素尺寸非常重要。4K比高清的像素數增加了四倍，所以如果4K攝像機感光器件尺寸還與高清攝像機相同，會使感光像素的面積變小，難以確保攝像機的動態范圍。

松下新的攝像機開發。為了同時保證4K 高分辨率與高動態范圍HDR，大感光像素尺寸非常重要。4K比高清的像素數增加了四倍，所以如果4K攝像機感光器件尺寸還與高清攝像機相同，會使感光像素的面積變小，難以確保攝像機的動態范圍。

松下開發了大尺寸的 4K 攝像機感光器件。松下肩扛高清攝象機采用的是2/3英寸感光器件，我們最近開發的肩扛4K攝像機采用的是4/3英寸的感光器件，為對應B4鏡頭，采用光學放大實現大像素尺寸，更大尺寸的感光器件，可以積累更多的電荷，這樣能夠達到更大的動態范圍。

松下手持 4K 攝像機也大大增加了感光器件的尺寸，從之前的1/3英寸變為采用新的1英寸鏡頭實現大像素尺寸,更好地改善了它的性能。

松下的感光元件路線圖是以單板的大型感光器件為中心進行開發，將會以全新技術的OLED感光器件進行8K攝像機的產品線研發。

圖8 松下 AVC Intra（幀內壓縮）與 AVC LongG(幀間壓縮 )編碼性能比較

圖9 攝像機感光器件尺寸對4K高精細畫面的影響

表1 肩扛HD攝像機與4K攝像機感光器件尺寸比較

表2 手持HD攝像機與4K攝像機感光器件尺寸比較

圖10 松下感光元件路線圖

松下在存儲介質方面的新進展。松下在 P2 卡的原有規格基礎上，又開發了高速P2卡（ExpressP2卡），ExpressP2卡容量更大，可以達到512G，數據傳輸速率更快，Express P2卡數據讀出速率可以達到10Gbps，上載10小時AVC LongG25 節目只需2分鐘；使用 512 GB 卡記錄 AVC-LongG25, 可記錄 34 小時。ExpressP2卡專門用于4K超高清內容的記錄，同時也兼容HD格式。松下還根據不同用途所需要的可靠性，準備了兩種存儲介質micro P2卡和SD card（對現有介質也會繼續支持）。

圖11 松下面對超高清的記錄介質

經過多年實踐，業已證明松下的 P2 卡、micro P2以及ExpressP2卡的高安全性和高可靠性。由于P2卡可以記錄100M的碼率，所以無論是高清還是4K，只要采用100M的碼率，P2卡和ExpressP2卡可以互相通用，用戶可根據經濟性進行靈活的選擇。

經過多年實踐，業已證明松下的 P2 卡、micro P2以及ExpressP2卡的高安全性和高可靠性。由于P2卡可以記錄100M的碼率，所以無論是高清還是4K，只要采用100M的碼率，P2卡和ExpressP2卡可以互相通用，用戶可根據經濟性進行靈活的選擇。

松下 4K 超高清工作流程的效率見表 3。

松下建議的 4K 超高清碼率有兩種：50Mbps和100Mbps。4K超高清究竟選擇100Mbps碼率還是50Mbps碼率，這與我們在高清時選擇不同的碼率一樣，即根據業務的種類和實際的需要來進行不同碼率的選擇。如果選擇100M碼率， 松下512G的ExpressP2卡數據率可以達到10Gbps，數據讀出可以達到73倍速，如果選擇50M碼率，數據讀出可以達到146倍速，這對于高效率的4K超高清工作流程的建設是非常有利的。

3. 總結

以上介紹了電視臺新聞 ENG 采集向 4K 推進的過程中，如何構建系統，如何選擇碼率，希望能夠對電視臺向4K方向的發展起到幫助。

圖12 不同存儲介質數據讀出速率比較

表3 松下4K超高清工作流程效率

對以上內容做一個總結。一是松下 4K 采用與HD工作效率相當的高效壓縮編碼HEVC/H.265及采用幀間壓縮方式，實現了與HD相當的100Mbps記錄比特率；HEVC/H.265及QoS實現了外場嚴峻通信環境下高畫質圖像的傳送。

二是開發了符合 8K 更高畫質技術發展趨勢的大感光器件，可保證最佳動態范圍及可操作性。

三是存儲介質方面新的發展，開發了高速 P2 卡（ExpressP2卡）以及高安全性與高效率并重的記錄媒體－P2卡與MicroP2卡的靈活提案。

松下的ENG推進目標是面向新聞報道 “高畫質”及“網絡”并重，以適合4K/8K時代的高畫質技術（感光器件/壓縮編碼）及網絡技術的實現。