4K技術在廣電行業的發展與應用

唐 勇

1 4K 技術在廣電行業中的發展

1.1 在信號格式中的發展

圖1

隨著我國廣電技術的發展，在電視節目的制作中也開始逐漸采用4K 標準的信號格式。4K 信號格式具有五個維度，如圖1 所示。在分辨率（空間分辨率）方面，從高清的1920×1080 像素發展到4K的3840×2160 像素，是高清格式的4 倍，能夠顯示更多的圖像細節。在色域（色彩分辨率）方面，從高清的Rec.709 標準發展到Rec.2020 標準，能夠顯示的色彩數量是高清信號的大約兩倍，從而呈現更艷麗的色彩。在量化（灰度分辨率）方面，從高清的8/10bit 發展到4K 的10/12bit，這使得4K信號的碼率大幅提升，在記錄更多圖像信息的同時擁有更好的圖像質量。在幀率（時間分辨率）方面，從高清的25/50/60P 發展到4K 的50/100/120P，更高的圖像幀率可以減少圖像的拖影現象，這一點在體育類節目中表現尤為明顯，同時更高的幀率還能減少對人眼的刺激，降低視覺疲勞。在動態范圍（寬容度分辨率）方面，從高清的SDR 標準發展到4K的HDR 標準，在HDR 標準中，圖像亮度可以達到最高10 000 尼特，在10bit 量化下，圖像對比度最高能夠達到100 000:1，可以最大程度還原圖像細節。

在視頻信號格式大幅提高的同時，音頻信號也從高清時代的立體聲發展到4K 時代的5.1/7.1 環繞聲，甚至更加立體動聽的16 聲道全景聲。綜上可知，4K 標準的信號格式，完全超越高清格式，必然是未來發展的主流。

1.2 在觀眾體驗中的發展

圖2

4K 的色彩系統由Rec.709 標準提升到了Rec.2020 標準，如圖2 所示。因為Rec.2020 標準的彩色三角型面積接近于Rec.709 標準的兩倍，色彩標準的提升使得畫面色彩感更強、色彩還原度更高，更加逼近真實影像，給觀眾一個更豐富多彩的觀看體驗。同時，空間分辨率提升到3840×2160像素標準以后，畫面可以顯示更多的細節，更完整的還原攝像機拍攝的原始畫面，使整個畫面更能夠呈現出更加真實的場景，讓觀眾對于整個畫面的感受更加深入，更加身臨其境。最后再配合高幀率、高動態范圍等指標，使觀眾有更良好的觀看感受。因此，4K 技術的全面發展，一定會給觀眾帶來更好的觀看體驗，更好的吸引觀眾。

1.3 在行業產業中的發展

目前廣電行業相關公司如索尼、草谷等都推出了許多4K 格式的采、編、播設備，但由于4K 信號的高分辨率、高色域、高動態范圍等特性，對4K格式設備的性能要求非常高，這就使得許多設備價格昂貴，尤其是顯示設備。目前的廣電行業中，一般的顯示器、監視器等顯示設備還沒有辦法滿足4K信號的播放需求，必須使用特制的4K 顯示設備，這就使得設備成本大幅提升，而且短期內看不到降價的可能。與此同時，許多已經拍攝、編輯完成的4K 成片沒有辦法在原有的高清電視頻道中進行播放，為了配合電視高清頻道的播出，編導需要將已經制作好的4K 節目轉換為高清節目來進行播放，由此也造成一定的資源浪費。如果需要播放4K 信號節目，則需要新建一整套4K 格式的電視播出系統，這就要求投入巨大的人力、物力和財力，這對處在行業下行期的廣電系統來說，都是嚴峻考驗。

為了應對這一問題，工業和信息化部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺聯合印發《超高清視頻產業發展行動計劃（2019-2022 年）》。計劃明確提出，將按照“4K 先行、兼顧8K”的總體技術路線，大力推進4K 視頻產業發展和相關領域的應用。

2 4K 技術在廣電行業中的應用

2.1 4K 技術在國際的應用

在國際方面，各國對4K 技術的研究非常廣泛，對4K 標準的競爭非常激烈。目前主要的標準化組織包括電影和電視工程師協會（SMPTE）、視頻服務論壇（VSF）和高級媒體工作流程協會（AMWA）等。由此可見，未來的4K 業務競爭將會非常激烈。所以，我們需要掌握國際方面對4K 技術的應用，并及時轉化為我們的技術，促進我國4K 技術的發展。例如，在2018 年俄羅斯世界杯期間，許多賽事都運用了4K 技術進行現場直播，這使得觀眾更清晰準確地觀看賽場內的情況，體驗身臨其境的感受。美國的Netflix 公司率先推出4K 網絡電視，搶占行業制高點。日本計劃在2020 的東京奧運會上全面采用4K技術進行比賽直播，甚至還宣稱將要嘗試8K 技術直播奧運會，如果最終能實現，將使許多無法到達奧運會現場的觀眾更加全面、清晰、及時的掌握現場賽事狀況，更好的享受四年一次的奧運盛宴。這也將是電視行業的一個重大突破。

2.2 4K 技術在國內的應用

2017 年12 月23 日，廣東廣播電視臺4K 超高清電視頻道啟動試驗播出，成為我國首個4K 超高清電視頻道。2018 年10 月1 日，中央廣播電視總臺開播國內首個上星超高清電視頻道-CCTV4K 超高清頻道。2018 年10 月16 日，廣東廣播電視臺綜藝頻道4K 超高清頻道開播，這也是全國首個省級電視4K 超高清頻道。與此同時，北京、上海、浙江等地正在緊鑼密鼓的開展4K 頻道的建設工作，預計不久的將來會有更多的4K 頻道上線開播。

在2019 年春節聯歡晚會上，中央廣播電視總臺首次實現春晚在4K 超高清頻道直播。2019 年04月26 日，在第二屆“一帶一路”國際合作高峰論壇開幕式上，中央廣播電視總臺首次采用4K 超高清信號進行了全程直播。在不斷摸索和總結之后，在2019 年10 月1 日，中央廣播電視總臺采用4K超高清信號全程直播新中國成立70 周年慶祝大會、盛大閱兵和群眾游行等活動，獲得了國內外一致好評。這標志我國廣電行業在4K 關鍵技術應用方面，已經取得質的突破。

2.3 4K 技術應用的未來展望

4K 技術雖然已經獲得廣泛應用，但目前仍然處于發展的初期階段。廣電行業目前實現4K 信號的方式主要有3 種，分別是傳統的基帶3G SDI*4 技術、新興的基帶12G SDI 技術和SDI OVER IP 技術。前兩種基帶SDI 技術是基于傳統技術的擴展，向下兼容性好，更符合廣大從業者的操作習慣。實現的主要方法是把4 幅高清畫面拼合成一幅4K 畫面，實現技術主要是SQD 和2SI 兩種。但是這種拼接很難保證完美無缺，而且系統設計復雜，設備價格昂貴，系統建成以后擴展困難，只能用于過度時期。SDI OVER IP 技術，是目前行業內公認的未來發展主流。因為該技術克服了傳統基帶SDI 技術的許多缺點，同時利用IT 行業大量成熟的設備和協議。這使得廣電行業可以與電信和互聯網行業深度融合，更好的發揮各自的優勢。該技術目前主流的標準有SMPTE ST2022-6 和SMPTE ST2110 系列。主要差別是ST2022-6 標準是在IP 網絡中直接傳輸復合的視音頻信號，而ST2110 系列標準則是分開傳輸視頻、音頻和輔助數據等信號，更節省帶寬。4K 信號兩種標準的對比如圖3 所示。

圖3

3 結束語

目前我國4K 技術正處在高速發展期，廣電行業已經開發出一套比較完整的節目制作、播出、傳輸和分發等相關技術。本文通過論述4K 技術在我國廣電行業中的發展以及在國內外的應用，希望能夠對我國的4K 技術發展起一定的推動作用。