超高清視頻技術及應用研究

崔煜華

（中央廣播電視總臺，北京 100859）

0 引言

隨著科技的飛速發展，超高清視頻技術日益成為數字媒體領域的焦點。從4K 到8K，這一技術不僅提升了分辨率，更拓展了色域、幀數等方面，為觀眾帶來前所未有的視覺體驗。文章將深入探討超高清視頻技術的定義、歷史、標準以及產業鏈的關鍵組成部分，通過剖析其在電影、電視、文教娛樂等領域的應用，旨在呈現這一技術的全貌，揭示其對數字娛樂與傳媒產業的深遠影響。

1 超高清視頻技術概述

1.1 超高清視頻技術的概念

超高清（Ultra High Definition，UHD）視頻技術也被稱作4K 或8K，是數字視頻的一種超高分辨率標準。超高清是根據視角寬度而非高度來定義的，通常涵蓋兩種主要格式：3 840×2 160（4K）和7 680×4 320（8K）。在超高清標準下，每個像素都能獨立顯示個性化的顏色，其色彩細膩度和真實度遠超以往的高清技術[1]。

1.2 超高清視頻技術的歷史發展

科技的進步促進超高清視頻技術不斷發展。19世紀80 年代，普遍采用模擬電視系統，圖像質量相對較差。隨著數字電視的出現，標清和高清電視逐漸成為主流，帶來畫質的顯著提升。真正的畫質飛躍出現于21 世紀初，那時的超高清視頻技術剛開始嶄露頭角。2005 年，日本放送協會（Nippon Housou Kyoukai，NHK）開始進行4K 和8K 的研發工作。2012 年，NHK 在倫敦奧運會上進行8K 實驗播出。在此期間，4K、8K 超高清標準陸續被國際電信聯盟定為超高清電視的標準。進入2010 年代后期，隨著電視和顯示設備技術的日趨成熟，以及視頻編碼、傳輸技術的進步，超高清視頻技術得以廣泛應用和普及。無論是電影制作、電視播出還是在線視頻平臺，超高清視頻都已經成為新的標準，使觀眾能夠享受到前所未有的高質量視覺體驗[2]。

1.3 超高清視頻標準發展階段

超高清視頻標準發展經歷了3 個階段。第1 階段是2016 年之前的探索階段，視頻標準主要圍繞超高清視頻的終端設備。第2 階段是2016—2020 年的發展階段，超高清視頻標準體系框架基本建立，標準領域涉及基礎通用、內容制播、網絡與業務平臺、終端呈現等方面。第3 階段是2020 年以后，隨著8K 超高清視頻及電視的發展，超高清視頻標準向行業應用方面推進，如向廣播電視、文教娛樂和工業制造等領域發展。我國超高清視頻標準的主要組織包括全國音頻、視頻及多媒體系統與設備標準化技術委員會（SAC/TC242）、全國廣播電影電視標準化技術委員會（SAC/TC239）、世界超高清視頻產業聯盟（UHD World Association，UWA）、深圳市8K 超高清視頻產業協作聯盟（SUCA），代表標準包括《 “百城千屏” 超高清視音頻傳播系統節目播出技術要求》《高動態范圍電視系統顯示適配元數據技術要求》（GY/T 358—2022）等[3]。

2 超高清視頻產業鏈關鍵組成部分

2.1 內容采集設備

超高清視頻產業內容采集領域的關鍵設備包括攝像機、相機、監視器和切換臺等。攝像機和相機負責捕捉高質量的畫面，超高清攝像機和相機具備4K 或8K 的分辨率，以確保圖像的清晰度和細節，同時具備高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）和寬色域（Wide Color Gamut，WCG）的功能，以獲取更加真實、豐富的顏色。例如，國內自主研發與生產的8K EFP 超高清攝像機系統，目前已經廣泛應用于體育、晚會等超高清直播與轉播活動中。監視器用于實時預覽拍攝情況，能夠準確無誤地顯示由攝像機或相機捕捉的畫面，以便于實時檢查和修改拍攝方案[4]。當前，國外主流廠商均已推出8K監視器產品，我國相關企業仍然以4K 為主，8K 產品仍處在研發階段。切換臺是視頻生產中的關鍵設備，在各種場景下都發揮著重要作用。尤其是在直播中，它能夠確保畫面的流暢切換，使得視頻秀及時、流暢地進行。依托我國互聯網行業迅速發展的勢頭，導播臺制作系統的研發與應用處于領先地位，8K 廣播級導播臺成為重要發展方向。

2.2 內容制作系統

超高清視頻的內容制作系統包括虛擬演播室、編解碼器、5G 背包、編輯系統、調色系統和制播系統等。在超高清視頻制作中，虛擬演播室具備處理高分辨率和復雜圖像的能力，以保證所提供虛擬環境的真實感和豐富度。目前，主流的虛擬演播室有虛擬制片（Virtual Production，VP）攝影棚、擴展現實（Extended Reality，XR）延展影棚兩大類，被廣泛應用于綜藝節目、新聞節目和體育節目等制播。在超高清視頻中，常見的編解碼技術有H.265/HEVC、VP9、AV1、AVS2 等，在保證視頻質量的同時，極大地降低視頻數據的大小，使得超高清視頻的存儲和傳輸成為可能。5G 背包是借助5G 的高帶寬和低延遲特性，實現超高清視頻的實時傳輸和直播。編輯系統如Adobe Premiere Pro、Final Cut Pro 等軟件，在超高清視頻制作中需要處理大量的4K、8K 甚至更高分辨率的視頻文件，能夠提供流暢的工作體驗和強大的剪輯功能。調色系統如DaVinci Resolve 等軟件，提供強大的顏色校準和調整功能。制播系統整合了多個環節，提供從拍攝到播出的一體化解決方案。超高清視頻的制播系統具備處理和輸出高質量視頻的能力，同時還需要提供易用的操作界面和穩定的工作性能，網絡全網際互連協議（Internet Protocol，IP）化制播成為重要趨勢[5]。

2.3 傳輸與分發網絡

由于超高清視頻具有大數據量的特性，對于網絡帶寬和穩定性有著極高的要求。5G 網絡以其超高的數據傳輸速率和低延遲特點，為超高清視頻的移動傳輸提供了強大支撐，不僅使得超高清視頻可以在移動環境下流暢播放，也為超高清視頻的實時直播提供了可能。除了5G 網絡，固定網絡（如光纖網絡）、衛星網絡等也是傳輸超高清的關鍵。尤其是光纖網絡，超高清視頻通過超大帶寬實現快速的上傳和下載，滿足了家庭和商業使用者對超高清內容的需求。

2.4 終端呈現設備

超高清的終端呈現設備是用戶體驗超高清內容的關鍵，包括彩色電視機、虛擬現實設備、手機以及商業顯示設備。新一代的超高清電視已經能夠提供4K 或8K 的超高分辨率，配合HDR 技術使得畫面更為細膩生動。隨著顯示技術的進步，手機的屏幕分辨率也日益提高。目前，旗艦級手機已經能夠提供超高清的顯示效果，用戶在手機上觀看視頻也能獲得非常好的體驗。超高清的廣告顯示屏、電子白板等商業顯示設備能夠提供更清晰、更生動的顯示效果，有助于提高信息傳遞和商業推廣的效果。

3 超高清視頻技術的應用領域

3.1 超高清視頻技術在電影領域的應用

超高清視頻技術在電影領域的應用日益廣泛。電影拍攝過程中，超高清攝影機能夠捕捉到無以比擬的細節和色彩，為電影的后期制作提供了豐富的素材。在后期制作環節，編輯師和調色師憑借高清技術豐富的像素細節和色彩深度，對超高清內容進行剪輯和調色，創造出絢麗的視覺效果，提高電影的藝術表現力。超高清技術還克服了畫面插幀、縮放等問題，使細節更為鮮明，觀眾體驗感更佳。

3.2 超高清視頻技術在電視領域的應用

超高清視頻技術在電視節目制作中的應用正在不斷深入，超高清攝像設備能夠捕獲更為精細的圖像，極大地提高了源素材的質量。原本看起來微小的細節在超高清攝像下均清晰可見，使得內容更生動、更具吸引力。在剪輯、特效處理和調色階段，超高清提供的高分辨率和大色彩空間為制作人員帶來更大的創作空間。精準的調色、更復雜的特效處理，甚至大幅裁剪和重組畫面，都不會丟失過多的細節，也改變了分發和播放階段。目前，許多電視臺開始提供4K、8K 的直播和點播服務。超高清信號對于傳輸和編解碼設備的要求較高，可以為用戶帶來更好的觀看體驗。例如，多項超高清視頻技術應用于2022 年的北京冬奧會直播與轉播活動中，中央廣播電視總臺的北京冬奧會4K/8K 公共信號制作，超高分辨率使得觀眾能夠清晰捕捉到每一個運動瞬間，極大地提升了觀看體驗。對于高分辨率和大數據量的視頻流處理，采用H.265/HEVC 等高效編碼技術，提高了信號的傳輸速度和穩定性。新岸線（北京）科技集團有限公司的超高速移動通信系統（Enhanced Ultra High Throughput，EUHT）無線傳輸技術應用于8K 超高清視頻直播中，它借助5G 的高帶寬和低延遲特性，使得超高清直播更加流暢，更能反映現場的實時情況。

3.3 超高清視頻技術在文教娛樂領域的應用

在教育領域，超高清視頻技術為在線教育和課程錄制提供了新的可能。清晰度極高的畫質使得用戶不會忽視復雜的知識點和細節，如復雜的圖表或者實驗操作過程，大大提高了教學質量。在文化領域，超高清視頻技術被廣泛應用于博物館、藝術館等場所，即使不能現場參觀，也能夠通過超高清視頻獲取身臨其境的體驗。同時，超高清視頻技術能夠對文化遺產進行高質量的數字化保存。在娛樂領域，超高清視頻技術的應用更為廣泛，網絡直播、電子競技等新形式的娛樂活動也在利用超高清技術提升用戶體驗。例如，咪咕視訊科技有限公司通過8K 超高清多城同步直播新模式，使用 “5G+8K+云直播” 舉辦第十四屆音樂盛典咪咕匯，在全國多城異地超高清同步直播。活動現場配備全球首輛 “8K+5G” 超高清視頻全業務轉播車，通過8K 訊道完成8K、4K、高清晰度（High Definition，HD）規格的節目生成模式（Program Generating Mode，PGM）信號的傳輸工作，依托8K 超高清多城同步直播系統，實現8K 直播流在咪咕全生產系統內的轉碼分發[6]。

4 結語

超高清視頻技術的蓬勃發展不僅引領著數字媒體的時代潮流，更為各領域注入新的創意與可能性。超高清視頻在電影、電視、教育等方面的廣泛應用，彰顯其對多領域的深刻影響。未來，超高清技術將持續演進，為人們帶來更加豐富、沉浸式的視聽體驗，開啟數字娛樂新篇章。