4K技術(shù)在廣電行業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用

唐 勇

1 4K 技術(shù)在廣電行業(yè)中的發(fā)展

1.1 在信號格式中的發(fā)展

圖1

隨著我國廣電技術(shù)的發(fā)展，在電視節(jié)目的制作中也開始逐漸采用4K 標(biāo)準(zhǔn)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(fā)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(xì)節(jié)。在色域（色彩分辨率）方面，從高清的Rec.709 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展到Rec.2020 標(biāo)準(zhǔn)，能夠顯示的色彩數(shù)量是高清信號的大約兩倍，從而呈現(xiàn)更艷麗的色彩。在量化（灰度分辨率）方面，從高清的8/10bit 發(fā)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(zhì)量。在幀率（時間分辨率）方面，從高清的25/50/60P 發(fā)展到4K 的50/100/120P，更高的圖像幀率可以減少圖像的拖影現(xiàn)象，這一點在體育類節(jié)目中表現(xiàn)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(tài)范圍（寬容度分辨率）方面，從高清的SDR 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展到4K的HDR 標(biāo)準(zhǔn)，在HDR 標(biāo)準(zhǔn)中，圖像亮度可以達(dá)到最高10 000 尼特，在10bit 量化下，圖像對比度最高能夠達(dá)到100 000:1，可以最大程度還原圖像細(xì)節(jié)。

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(fā)展到4K 時代的5.1/7.1 環(huán)繞聲，甚至更加立體動聽的16 聲道全景聲。綜上可知，4K 標(biāo)準(zhǔn)的信號格式，完全超越高清格式，必然是未來發(fā)展的主流。

1.2 在觀眾體驗中的發(fā)展

圖2

4K 的色彩系統(tǒng)由Rec.709 標(biāo)準(zhǔn)提升到了Rec.2020 標(biāo)準(zhǔn)，如圖2 所示。因為Rec.2020 標(biāo)準(zhǔn)的彩色三角型面積接近于Rec.709 標(biāo)準(zhǔn)的兩倍，色彩標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)以后，畫面可以顯示更多的細(xì)節(jié)，更完整的還原攝像機(jī)拍攝的原始畫面，使整個畫面更能夠呈現(xiàn)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(tài)范圍等指標(biāo)，使觀眾有更良好的觀看感受。因此，4K 技術(shù)的全面發(fā)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(yè)產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展

目前廣電行業(yè)相關(guān)公司如索尼、草谷等都推出了許多4K 格式的采、編、播設(shè)備，但由于4K 信號的高分辨率、高色域、高動態(tài)范圍等特性，對4K格式設(shè)備的性能要求非常高，這就使得許多設(shè)備價格昂貴，尤其是顯示設(shè)備。目前的廣電行業(yè)中，一般的顯示器、監(jiān)視器等顯示設(shè)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(shè)備，這就使得設(shè)備成本大幅提升，而且短期內(nèi)看不到降價的可能。與此同時，許多已經(jīng)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(jìn)行播放，為了配合電視高清頻道的播出，編導(dǎo)需要將已經(jīng)制作好的4K 節(jié)目轉(zhuǎn)換為高清節(jié)目來進(jìn)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(jié)目，則需要新建一整套4K 格式的電視播出系統(tǒng)，這就要求投入巨大的人力、物力和財力，這對處在行業(yè)下行期的廣電系統(tǒng)來說，都是嚴(yán)峻考驗。

為了應(yīng)對這一問題，工業(yè)和信息化部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺聯(lián)合印發(fā)《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)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(shù)路線，大力推進(jìn)4K 視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展和相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 4K 技術(shù)在廣電行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 4K 技術(shù)在國際的應(yīng)用

在國際方面，各國對4K 技術(shù)的研究非常廣泛，對4K 標(biāo)準(zhǔn)的競爭非常激烈。目前主要的標(biāo)準(zhǔn)化組織包括電影和電視工程師協(xié)會（SMPTE）、視頻服務(wù)論壇（VSF）和高級媒體工作流程協(xié)會（AMWA）等。由此可見，未來的4K 業(yè)務(wù)競爭將會非常激烈。所以，我們需要掌握國際方面對4K 技術(shù)的應(yīng)用，并及時轉(zhuǎn)化為我們的技術(shù)，促進(jìn)我國4K 技術(shù)的發(fā)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(shù)進(jìn)行現(xiàn)場直播，這使得觀眾更清晰準(zhǔn)確地觀看賽場內(nèi)的情況，體驗身臨其境的感受。美國的Netflix 公司率先推出4K 網(wǎng)絡(luò)電視，搶占行業(yè)制高點。日本計劃在2020 的東京奧運會上全面采用4K技術(shù)進(jìn)行比賽直播，甚至還宣稱將要嘗試8K 技術(shù)直播奧運會，如果最終能實現(xiàn)，將使許多無法到達(dá)奧運會現(xiàn)場的觀眾更加全面、清晰、及時的掌握現(xiàn)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(yè)的一個重大突破。

2.2 4K 技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)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(nèi)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(shè)工作，預(yù)計不久的將來會有更多的4K 頻道上線開播。

在2019 年春節(jié)聯(lián)歡晚會上，中央廣播電視總臺首次實現(xiàn)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(jìn)行了全程直播。在不斷摸索和總結(jié)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(nèi)外一致好評。這標(biāo)志我國廣電行業(yè)在4K 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用方面，已經(jīng)取得質(zhì)的突破。

2.3 4K 技術(shù)應(yīng)用的未來展望

4K 技術(shù)雖然已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，但目前仍然處于發(fā)展的初期階段。廣電行業(yè)目前實現(xiàn)4K 信號的方式主要有3 種，分別是傳統(tǒng)的基帶3G SDI*4 技術(shù)、新興的基帶12G SDI 技術(shù)和SDI OVER IP 技術(shù)。前兩種基帶SDI 技術(shù)是基于傳統(tǒng)技術(shù)的擴(kuò)展，向下兼容性好，更符合廣大從業(yè)者的操作習(xí)慣。實現(xiàn)的主要方法是把4 幅高清畫面拼合成一幅4K 畫面，實現(xiàn)技術(shù)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(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，設(shè)備價格昂貴，系統(tǒng)建成以后擴(kuò)展困難，只能用于過度時期。SDI OVER IP 技術(shù)，是目前行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的未來發(fā)展主流。因為該技術(shù)克服了傳統(tǒng)基帶SDI 技術(shù)的許多缺點，同時利用IT 行業(yè)大量成熟的設(shè)備和協(xié)議。這使得廣電行業(yè)可以與電信和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)深度融合，更好的發(fā)揮各自的優(yōu)勢。該技術(shù)目前主流的標(biāo)準(zhǔn)有SMPTE ST2022-6 和SMPTE ST2110 系列。主要差別是ST2022-6 標(biāo)準(zhǔn)是在IP 網(wǎng)絡(luò)中直接傳輸復(fù)合的視音頻信號，而ST2110 系列標(biāo)準(zhǔn)則是分開傳輸視頻、音頻和輔助數(shù)據(jù)等信號，更節(jié)省帶寬。4K 信號兩種標(biāo)準(zhǔn)的對比如圖3 所示。

圖3

3 結(jié)束語

目前我國4K 技術(shù)正處在高速發(fā)展期，廣電行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出一套比較完整的節(jié)目制作、播出、傳輸和分發(fā)等相關(guān)技術(shù)。本文通過論述4K 技術(shù)在我國廣電行業(yè)中的發(fā)展以及在國內(nèi)外的應(yīng)用，希望能夠?qū)ξ覈?K 技術(shù)發(fā)展起一定的推動作用。