8K UHD技術發(fā)展現(xiàn)狀及應用研究

孫天宇，胡偉屹

（1.洛陽師范學院 文學院，河南 洛陽 471934；2.學習強國學習平臺有限責任公司，北京 100000）

0 引 言

2022年，北京冬奧會在國家體育館“鳥巢”拉開帷幕。開幕式通過科技與美學的完美融合，為全世界的觀眾帶來一場震撼的視覺盛宴。北京冬奧會開幕式憑借壯觀的蒲公英燈光秀、裸眼3D瀑布、奧運五環(huán)破冰等極具視覺沖擊力的場面，瞬間沖上世界各大媒體熱榜。這些豐富多彩、極具創(chuàng)新和表現(xiàn)力的視覺效果都是通過8K LED屏幕實現(xiàn)的。“鳥巢”定制了全球最大的可呈現(xiàn)8K以上分辨率的LED屏幕來向世界呈現(xiàn)具有中國特色的冬奧會開幕式和中國最頂尖的科技創(chuàng)新水平。

該LED屏幕占地11 500 m2，由40 000多個LED模塊組成。它不僅是世界上最大的LED屏幕，而且搭配有世界頂尖的顯示技術和播控系統(tǒng)。以5G+8K+AI技術為支撐，北京冬奧會開幕式首次使用前所未有的8K超高清（Ultra High Definition，UHD）屏幕和50 f·s-1幀速，以超高清和流暢感給觀眾留下深刻印象。

借由本屆冬奧會，觀眾們近距離體驗了一次8K技術帶來的視覺盛宴，更多的人了解到超高清視頻的真實觀感，從側面提升了8K技術在世界范圍內的傳播和影響力，從中能夠一窺未來技術發(fā)展的軌跡。

1 影像畫質從FHD到8K UHD的轉變

早期，消費者接觸到的視頻分辨率通常為全高清（Full High Definition，F(xiàn)HD）。FHD的分辨率參數(shù)為1 920×1 080，也稱作1 080p。FHD在之前很長一段時間內是各大流媒體平臺內容使用的主流畫質分辨率。電子設備制造巨頭們大多將此分辨率作為最高支持畫質來生產旗下產品。相應地，作為“自媒體”的個體內容創(chuàng)作者們也就把FHD設置為展現(xiàn)自己作品的最高輸出畫質。隨著科技的進步，這個“很長一段時間”在近些年迎來終結。人們意識到，眼前用來了解世界的屏幕已經不能滿足他們進一步探索的需求，于是視頻畫質也就向“更清晰”的方向前進，各種諸如2K，4K甚至8K等遠高于FHD的分辨率應運而生[1]。

8K UHD像素高、畫面銳利，畫面中人物的胡須、皮膚紋路都能清晰地呈現(xiàn)出來。CES（International Consumer Electronics Show）消費電子展為參會者展示了8K UHD技術所帶來的革命性成果[2]。2022年，8K UHD技術再度成為世界媒體焦點。電子行業(yè)巨頭紛紛發(fā)布了8K分辨率的顯示設備。

電視參數(shù)往往涉及2K，4K，8K，QHD，UHD，F(xiàn)HD等專業(yè)術語。影響畫面清晰度的指標還有PPI?！癙”指代“像素”。通常，像素數(shù)越多，圖像越清晰。當該數(shù)值減小時，圖片會變得模糊或“像素化”。PPI指像素密度，是指每英寸像素的數(shù)量。PPI是衡量顯示器真實清晰度的指標。PPI數(shù)值越高，像素密度也就越高，所呈現(xiàn)的畫面細節(jié)也就更多[3]。

8K UHD是目前行業(yè)公認的最新高分辨率標準。8K UHD顯示和視頻數(shù)據(jù)對應水平方向大約8 000個像素。8K UHD分辨率為7 680×4 320，像素數(shù)是4K的4倍，是1 080p的16倍。它是Rec.2020 UHDTV標準中定義的最高分辨率。4K與8K的區(qū)別不僅在于分辨率和像素數(shù)，還在于色彩的鮮艷度和存在感[4]。8K分辨率下“幀數(shù)120 Hz”指1秒鐘能顯示120幀的畫面。刷新率越高，畫面越流暢。由于該數(shù)值約為4K的兩倍，因此與過去相比，8K能夠減少模糊并呈現(xiàn)更銳利的圖像。此外，在8K和4K中，色域也兼容BT.2020標準，以使圖像盡可能接近實際顏色，從而可以清晰地區(qū)分明暗。

2 8K技術在各大領域的應用

8K UHD內容具有高分辨率和高色域的特點。即使圖像被分割，局部畫面的清晰度也不會明顯失真。因此，8K技術在大型活動、沉浸式娛樂、醫(yī)療衛(wèi)生及航空航天領域被廣泛運用。

2.1 8K UHD技術被廣泛運用于體育賽事直播

體育賽事加快了8K UHD技術的普及。中央廣播電視總臺借助8K UHD制作和轉播技術為全球觀眾呈現(xiàn)2022年北京冬奧會期間所舉辦的一系列精彩紛呈的活動[5]。在北京冬奧會和殘奧會期間，中央廣播電視總臺為開閉幕式，花樣滑冰、速滑、跳臺滑雪等比賽提供長達200個小時的8K超高清視頻。奧運會期間，所有與冬奧會相關的節(jié)目都在央視CCTV-8K頻道中播出，還通過全國各大城市的8K LED大屏播出。8K UHD為觀眾提供更高解析度的畫面和更多細節(jié)，觀眾可以看到更加真實的紋理，如運動員衣服上銘牌的詳細信息、頭盔表面的漸變和比賽道具的細節(jié)；對雪地和冰面的刻畫也會更加生動，如雪橇掠過雪地激起的雪花，冰面被冰刀劃過的痕跡等。聚集在冬奧會的人們甚至可以觀察到每個人的面部表情。

2.2 8K UHD讓老電影舊貌換新顏

8K UHD技術為老舊電影修復工作注入新鮮血液。作為4K修復產品，由電影資料館和中央廣播電視總臺合作完成的4K修復《永不消逝的電波》是4K還原作品中的佳作。人物著裝的質感、墻紙的紋理以及植被飽滿的色彩都在一定程度上得到修復。這些細節(jié)和紋理呈現(xiàn)出極強的表現(xiàn)力。8K電影修復則為影片帶來更進一步的“質感”提升，光影漸變等精細像素繪制的流暢度、龐大的信息量、多樣的色彩變化及層次感等，都在8K電影修復中活躍起來。通過調整影片畫面的灰度、色彩、對比度亮度、HDR（高動態(tài)范圍成像）等參數(shù)獲得想要的改變，還可以根據(jù)環(huán)境光線設置更為合理的對比度，為老電影添加層次和色彩。

2.3 8K UHD在家庭娛樂中的運用

8K UHD可實現(xiàn)真實場景的逼真再現(xiàn)，從本質上還原人眼的有效分辨率。8K UHD還彌合了現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間的差距。8K UHD與AI和物聯(lián)網等其他技術的融合，為新的智能生活范式奠定了基礎。人們可以在舒適的家中參與身臨其境的活動，如參加音樂會，遠程工作，玩VR和AR游戲以及鍛煉身體等等。

3 8K UHD生態(tài)系統(tǒng)完善

8K UHD商業(yè)應用涉及超高清內容拍攝、制作、存儲、傳輸及設備端呈現(xiàn)等多個領域。在蓬勃發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)中，8K技術的突破加速了超高清的商業(yè)部署。在硬件層面，相機、電視等硬件設備的成本將會降低，這將帶動更多8K內容的產生。在軟件層面，借助云計算和人工智能的存儲、編解碼技術的進步，8K視頻內容的數(shù)據(jù)量將大大減少。在設備體驗層面，8K設備的日益普及，使普通用戶體驗到超高清視頻帶來的視覺沖擊。在視頻傳輸層面，數(shù)據(jù)套餐價格的下調，將加速超高清視頻的商業(yè)化落地。

3.1 8K技術在電視領域的應用

2022年，8K顯示設備會加速普及。韓國三星公司生產的支持8K播放的75QN900A型電視外觀纖薄，并搭配HDMI 2.1高速視頻接口，將最大帶寬從原來 HDMI 2.0 的 18 Gb·s-1提高到 48 Gb·s-1。HDMI 2.1的改進也有利于視頻和游戲，例如自動低延遲模式（Auto Low-latency Mode，ALLM）和可變刷新率（Variable Refresh Rate，VRR）都能為用戶帶來更好的視覺體驗。自動低延遲模式能夠在電視與兼容的視頻游戲機配對時自動啟用，使其游戲模式降低輸入延遲。此外，這款電視還能夠將原本低于4K分辨率的內容通過芯片解碼提升到8K，從而展示出超高清細節(jié)，其接近4 000 nit峰值亮度的高動態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）技術也會在真實使用環(huán)境中展現(xiàn)出更好的視覺效果。

日本索尼公司生產的全分區(qū)背光8K HDR智能電視Z8H系列，憑借自主研發(fā)的“X1無限”圖形處理芯片，能將任何分辨率的視頻內容轉換為更為逼真的8K UHD。X1無限芯片通過精確分析和處理數(shù)據(jù)，以4倍于4K的分辨率為8K圖像提供支持，同時為具有更深層次感、紋理和細節(jié)的場景提供支持。即使是前期通過4K和2K設備拍攝的圖像和視頻也可以通過X1無限芯片處理，利用AI算法和邊緣計算技術將4K和2K圖像轉換為8K圖像。該過程通過線縮放技術將原本的分辨率放大至8K，再通過對所拍攝的圖片和視頻用超分辨率處理來優(yōu)化和再現(xiàn)近似真實世界的紋理。

3.2 8K在VR領域的發(fā)展

適配索尼最新一代視頻游戲機Play Station 5（PS5）的頭戴設備PSVR2正在研發(fā)中，索尼在VR技術領域取得了重大進展。在“趨向現(xiàn)實”的主題演講中，索尼公司詳細介紹了這款VR設備。該設備通過搭載OLED自發(fā)光面板的微型顯示器，能夠實現(xiàn)單眼4K、雙眼8K的超高分辨率，可投射高清3D空間，消除晶格和紗窗效應，避免像素化，來提供更為清晰的圖像。除改進視覺效果外，PSVR2還對信號傳輸延遲進行了優(yōu)化，以提供更舒適的視聽體驗。

臉書旗下的Oculus Quest 2頭戴設備也支持最高8K UHD的視頻播放，并能借助Visbit 8K VR Videos這一世界上第一款主要用于播放8K分辨率下360°或180°VR視頻的應用程序體驗虛擬現(xiàn)實帶來的視覺沖擊。應用程序中的視頻都選自世界頂級內容創(chuàng)作者的作品，通過Visbit獨家視覺優(yōu)化（VVOS）技術在Visbit云端進行預轉碼，并以視頻的最高分辨率也就是8K UHD播放視頻。

3.3 8K技術在攝影攝像領域的發(fā)展

由日本松下公司推出的AK-SHB800 8K攝像機，配備8K全尺寸CMOS圖像傳感器。8K傳感器可生成廣角、大畫布，處理單元可以從中生成4個單獨的畫面方便后期“裁剪”。其搭載的ROI系統(tǒng)能夠從單個8K攝像機系統(tǒng)生成4種不同高清信號或“虛擬攝像機”，顯著降低運維成本，使其非常適合體育廣播、舞臺及演播室使用。攝像機系統(tǒng)可以從高分辨率、廣角8K圖像中裁剪多達4個單獨的高清視頻，并且每個裁剪的圖像都可以單獨平移、傾斜和縮放，自動廣角畸變校正功能，能實時消除周邊裁剪所導致的圖像畸變，讓畫面看起來更加自然。

此外，日本佳能公司也發(fā)布了能夠拍攝8K視頻的高端機型EOS R5C[6]。該機型是佳能電影相機系列的新成員。它繼承了上代EOS R5機型的大部分優(yōu)點，解決了在拍攝8K或高幀率4K視頻時機身過熱問題。在攝錄方面，EOS R5C可以錄制8K 60 f·s-1的12 bit色深RAW超高規(guī)格視頻，與R5的8K 30 f·s-1相比有了很大的進步。它還支持通過HDMI端口以高達8K/30P的速度將ProRes RAW視頻輸出到外部錄像機。

4 8K UHD落地仍面臨市場化選擇

盡管在技術層面有著上述的諸多進步，但由于片源匱乏、拍攝成本高、顯示設備昂貴、普通消費者難以區(qū)分8K和4K分辨率等因素的制約，8K UHD的普及仍需走很長的路[7-8]。

阻礙8K UHD技術推廣的主要原因是內容制作成本過高。用于拍攝的8K相機和攝像機價格昂貴，主要受眾群體是專業(yè)電影制作人，處理和編輯素材還需要性能強但價格昂貴的計算機。目前，僅有少數(shù)流媒體平臺提供8K內容。雖然國內的BILIBILI、國外的YouTube、VIMEO等平臺有制作精良的8K視頻，但包括Netflix、HBO、Hulu在內的大部分重量級流媒體平臺目前最高的視頻解析度仍為4K。另外，即使是支持8K視頻播放的平臺，也有著原生8K視頻稀少的問題，一些所謂的“8K視頻”大部分都是通過AI算法將4K內容插入像素以提高圖像質量，獲得近似8K的體驗。

盡管索尼、松下、佳能等公司都有推出能夠拍攝8K UHD視頻的攝像機，但視頻本身對于拍攝者設備的存儲空間也有一定要求。錄制1分鐘的8K視頻，需要近200 GB的儲存空間。儲存容量和超高的價格也限制了8K設備在民用領域的普及。目前，只有國家級電視臺或大型影視制作公司有能力使用。

真正的8K內容還需要用戶有更高的網絡帶寬。想要流暢地欣賞8K視頻，需要更快的網速。4K視頻1小時會消耗約7 GB的網絡流量，并且需要25 MB·s-1或更高的網速。根據(jù)計算，8K視頻1小時將消耗約30 GB的流量，并且至少需要100 MB·s-1的網速。Speedtest專業(yè)測速網站所提供的全球平均固定寬帶速度數(shù)據(jù)表明，全球一半人口的網絡速度低于這個要求。即便是在中國、美國、歐洲等互聯(lián)網發(fā)達的國家和地區(qū)，也無法做到每一個地區(qū)都能達到流暢觀看8K UHD視頻的標準。高額的網費對于普通家庭來說也是一筆巨大的支出。

5 5G賦能推動8K技術普及

《超高清視頻產業(yè)發(fā)展行動計劃（2019—2022年）》指出，到2022年，CMOS圖像傳感器、光學鏡頭、專業(yè)視頻處理芯片等核心部件，以及編解碼芯片必須取得突破，8K前端核心設備將形成產業(yè)化能力，8K超高清電視終端銷量將占電視總銷量的5%以上。

2022年北京冬奧會為中國推進8K廣播戰(zhàn)略提供了契機。中央廣播電視總臺為此推出了CCTV-8K頻道。現(xiàn)在，中國觀眾可以在新設立的8K UHD頻道以超高清的視覺體驗觀賞北京冬奧會和殘奧會等大型活動[9]。此外，“百城千屏”計劃將8K技術引入民間，中國運營商在工業(yè)和信息化部的指導下，在北京、上海、重慶等20個城市邀請用戶參與到8K UHD體驗中來，通過升級8K UHD視頻專區(qū)，進一步拓展8K內容，確保用戶通過組播專網和8K超高清智能終端加載并播放8K UHD春晚、冬奧會、文化宣傳片等視頻節(jié)目。

通過5G賦能8K UHD向觀眾轉播奧運會這一重大創(chuàng)舉，將會對視頻行業(yè)圍繞該模式建立更廣泛的興趣面發(fā)揮重要作用。8K UHD技術與高速大容量通信技術5G相結合，將在影視制作、大型活動、安防、醫(yī)療衛(wèi)生及教育等各個領域創(chuàng)造新價值。隨著5G+8K的運用和全國8K屏幕建設工作的開展，2022年，8K UHD技術在中國將會有更為廣闊的前景。

6 結 語

目前8K仍非業(yè)界主流，輸出內容匱乏是8K短期內無法普及的主要原因。盡管8K可以在傳統(tǒng)的廣播和流媒體之外應用，包括游戲、虛擬現(xiàn)實和用戶自行生成內容，但這些還都處于起步階段?，F(xiàn)階段8K播放設備對普通人而言仍然十分昂貴，為了充分利用8K分辨率，至少需要65英寸或者以上的8K屏幕。屏幕越大，花費也就越高。對于相同的屏幕尺寸，8K的價格要比4K貴2到3倍，如果沒有豐富且具有特色的8K內容，很難讓消費者買單。

8K技術加速超車，電視面板批量生產、價格持續(xù)走低，使得大尺寸顯示設備價格逐漸下滑。攝影和攝像等上游產業(yè)推陳出新，索尼、佳能等電子巨頭發(fā)布8K拍攝設備促進了8K內容矩陣的建設。只有當無線技術進一步提速，媒體和電影制作公司豐富8K內容、大尺寸面板價格走低時，與8K相關的民用產品價格才會下降，屆時才能讓受眾享受8K所帶來的視覺沖擊。