超高清視頻技術(shù)及應(yīng)用研究

崔煜華

（中央廣播電視總臺(tái)，北京 100859）

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，超高清視頻技術(shù)日益成為數(shù)字媒體領(lǐng)域的焦點(diǎn)。從4K 到8K，這一技術(shù)不僅提升了分辨率，更拓展了色域、幀數(shù)等方面，為觀眾帶來前所未有的視覺體驗(yàn)。文章將深入探討超高清視頻技術(shù)的定義、歷史、標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵組成部分，通過剖析其在電影、電視、文教娛樂等領(lǐng)域的應(yīng)用，旨在呈現(xiàn)這一技術(shù)的全貌，揭示其對(duì)數(shù)字娛樂與傳媒產(chǎn)業(yè)的深遠(yuǎn)影響。

1 超高清視頻技術(shù)概述

1.1 超高清視頻技術(shù)的概念

超高清（Ultra High Definition，UHD）視頻技術(shù)也被稱作4K 或8K，是數(shù)字視頻的一種超高分辨率標(biāo)準(zhǔn)。超高清是根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)下，每個(gè)像素都能獨(dú)立顯示個(gè)性化的顏色，其色彩細(xì)膩度和真實(shí)度遠(yuǎn)超以往的高清技術(shù)[1]。

1.2 超高清視頻技術(shù)的歷史發(fā)展

科技的進(jìn)步促進(jìn)超高清視頻技術(shù)不斷發(fā)展。19世紀(jì)80 年代，普遍采用模擬電視系統(tǒng)，圖像質(zhì)量相對(duì)較差。隨著數(shù)字電視的出現(xiàn)，標(biāo)清和高清電視逐漸成為主流，帶來畫質(zhì)的顯著提升。真正的畫質(zhì)飛躍出現(xiàn)于21 世紀(jì)初，那時(shí)的超高清視頻技術(shù)剛開始嶄露頭角。2005 年，日本放送協(xié)會(huì)（Nippon Housou Kyoukai，NHK）開始進(jìn)行4K 和8K 的研發(fā)工作。2012 年，NHK 在倫敦奧運(yùn)會(huì)上進(jìn)行8K 實(shí)驗(yàn)播出。在此期間，4K、8K 超高清標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)被國際電信聯(lián)盟定為超高清電視的標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)入2010 年代后期，隨著電視和顯示設(shè)備技術(shù)的日趨成熟，以及視頻編碼、傳輸技術(shù)的進(jìn)步，超高清視頻技術(shù)得以廣泛應(yīng)用和普及。無論是電影制作、電視播出還是在線視頻平臺(tái)，超高清視頻都已經(jīng)成為新的標(biāo)準(zhǔn)，使觀眾能夠享受到前所未有的高質(zhì)量視覺體驗(yàn)[2]。

1.3 超高清視頻標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展階段

超高清視頻標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展經(jīng)歷了3 個(gè)階段。第1 階段是2016 年之前的探索階段，視頻標(biāo)準(zhǔn)主要圍繞超高清視頻的終端設(shè)備。第2 階段是2016—2020 年的發(fā)展階段，超高清視頻標(biāo)準(zhǔn)體系框架基本建立，標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域涉及基礎(chǔ)通用、內(nèi)容制播、網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)平臺(tái)、終端呈現(xiàn)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(fā)展，超高清視頻標(biāo)準(zhǔn)向行業(yè)應(yīng)用方面推進(jìn)，如向廣播電視、文教娛樂和工業(yè)制造等領(lǐng)域發(fā)展。我國超高清視頻標(biāo)準(zhǔn)的主要組織包括全國音頻、視頻及多媒體系統(tǒng)與設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC242）、全國廣播電影電視標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC239）、世界超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（UHD World Association，UWA）、深圳市8K 超高清視頻產(chǎn)業(yè)協(xié)作聯(lián)盟（SUCA），代表標(biāo)準(zhǔn)包括《 “百城千屏” 超高清視音頻傳播系統(tǒng)節(jié)目播出技術(shù)要求》《高動(dòng)態(tài)范圍電視系統(tǒng)顯示適配元數(shù)據(jù)技術(shù)要求》（GY/T 358—2022）等[3]。

2 超高清視頻產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵組成部分

2.1 內(nèi)容采集設(shè)備

超高清視頻產(chǎn)業(yè)內(nèi)容采集領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備包括攝像機(jī)、相機(jī)、監(jiān)視器和切換臺(tái)等。攝像機(jī)和相機(jī)負(fù)責(zé)捕捉高質(zhì)量的畫面，超高清攝像機(jī)和相機(jī)具備4K 或8K 的分辨率，以確保圖像的清晰度和細(xì)節(jié)，同時(shí)具備高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range，HDR）和寬色域（Wide Color Gamut，WCG）的功能，以獲取更加真實(shí)、豐富的顏色。例如，國內(nèi)自主研發(fā)與生產(chǎn)的8K EFP 超高清攝像機(jī)系統(tǒng)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于體育、晚會(huì)等超高清直播與轉(zhuǎn)播活動(dòng)中。監(jiān)視器用于實(shí)時(shí)預(yù)覽拍攝情況，能夠準(zhǔn)確無誤地顯示由攝像機(jī)或相機(jī)捕捉的畫面，以便于實(shí)時(shí)檢查和修改拍攝方案[4]。當(dāng)前，國外主流廠商均已推出8K監(jiān)視器產(chǎn)品，我國相關(guān)企業(yè)仍然以4K 為主，8K 產(chǎn)品仍處在研發(fā)階段。切換臺(tái)是視頻生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，在各種場景下都發(fā)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(shí)、流暢地進(jìn)行。依托我國互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)迅速發(fā)展的勢頭，導(dǎo)播臺(tái)制作系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用處于領(lǐng)先地位，8K 廣播級(jí)導(dǎo)播臺(tái)成為重要發(fā)展方向。

2.2 內(nèi)容制作系統(tǒng)

超高清視頻的內(nèi)容制作系統(tǒng)包括虛擬演播室、編解碼器、5G 背包、編輯系統(tǒng)、調(diào)色系統(tǒng)和制播系統(tǒng)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(fù)雜圖像的能力，以保證所提供虛擬環(huán)境的真實(shí)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(kuò)展現(xiàn)實(shí)（Extended Reality，XR）延展影棚兩大類，被廣泛應(yīng)用于綜藝節(jié)目、新聞節(jié)目和體育節(jié)目等制播。在超高清視頻中，常見的編解碼技術(shù)有H.265/HEVC、VP9、AV1、AVS2 等，在保證視頻質(zhì)量的同時(shí)，極大地降低視頻數(shù)據(jù)的大小，使得超高清視頻的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)超高清視頻的實(shí)時(shí)傳輸和直播。編輯系統(tǒng)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(yàn)和強(qiáng)大的剪輯功能。調(diào)色系統(tǒng)如DaVinci Resolve 等軟件，提供強(qiáng)大的顏色校準(zhǔn)和調(diào)整功能。制播系統(tǒng)整合了多個(gè)環(huán)節(jié)，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(tǒng)具備處理和輸出高質(zhì)量視頻的能力，同時(shí)還需要提供易用的操作界面和穩(wěn)定的工作性能，網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）化制播成為重要趨勢[5]。

2.3 傳輸與分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

由于超高清視頻具有大數(shù)據(jù)量的特性，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬和穩(wěn)定性有著極高的要求。5G 網(wǎng)絡(luò)以其超高的數(shù)據(jù)傳輸速率和低延遲特點(diǎn)，為超高清視頻的移動(dòng)傳輸提供了強(qiáng)大支撐，不僅使得超高清視頻可以在移動(dòng)環(huán)境下流暢播放，也為超高清視頻的實(shí)時(shí)直播提供了可能。除了5G 網(wǎng)絡(luò)，固定網(wǎng)絡(luò)（如光纖網(wǎng)絡(luò)）、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等也是傳輸超高清的關(guān)鍵。尤其是光纖網(wǎng)絡(luò)，超高清視頻通過超大帶寬實(shí)現(xiàn)快速的上傳和下載，滿足了家庭和商業(yè)使用者對(duì)超高清內(nèi)容的需求。

2.4 終端呈現(xiàn)設(shè)備

超高清的終端呈現(xiàn)設(shè)備是用戶體驗(yàn)超高清內(nèi)容的關(guān)鍵，包括彩色電視機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、手機(jī)以及商業(yè)顯示設(shè)備。新一代的超高清電視已經(jīng)能夠提供4K 或8K 的超高分辨率，配合HDR 技術(shù)使得畫面更為細(xì)膩生動(dòng)。隨著顯示技術(shù)的進(jìn)步，手機(jī)的屏幕分辨率也日益提高。目前，旗艦級(jí)手機(jī)已經(jīng)能夠提供超高清的顯示效果，用戶在手機(jī)上觀看視頻也能獲得非常好的體驗(yàn)。超高清的廣告顯示屏、電子白板等商業(yè)顯示設(shè)備能夠提供更清晰、更生動(dòng)的顯示效果，有助于提高信息傳遞和商業(yè)推廣的效果。

3 超高清視頻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 超高清視頻技術(shù)在電影領(lǐng)域的應(yīng)用

超高清視頻技術(shù)在電影領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。電影拍攝過程中，超高清攝影機(jī)能夠捕捉到無以比擬的細(xì)節(jié)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(huán)節(jié)，編輯師和調(diào)色師憑借高清技術(shù)豐富的像素細(xì)節(jié)和色彩深度，對(duì)超高清內(nèi)容進(jìn)行剪輯和調(diào)色，創(chuàng)造出絢麗的視覺效果，提高電影的藝術(shù)表現(xiàn)力。超高清技術(shù)還克服了畫面插幀、縮放等問題，使細(xì)節(jié)更為鮮明，觀眾體驗(yàn)感更佳。

3.2 超高清視頻技術(shù)在電視領(lǐng)域的應(yīng)用

超高清視頻技術(shù)在電視節(jié)目制作中的應(yīng)用正在不斷深入，超高清攝像設(shè)備能夠捕獲更為精細(xì)的圖像，極大地提高了源素材的質(zhì)量。原本看起來微小的細(xì)節(jié)在超高清攝像下均清晰可見，使得內(nèi)容更生動(dòng)、更具吸引力。在剪輯、特效處理和調(diào)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(chuàng)作空間。精準(zhǔn)的調(diào)色、更復(fù)雜的特效處理，甚至大幅裁剪和重組畫面，都不會(huì)丟失過多的細(xì)節(jié)，也改變了分發(fā)和播放階段。目前，許多電視臺(tái)開始提供4K、8K 的直播和點(diǎn)播服務(wù)。超高清信號(hào)對(duì)于傳輸和編解碼設(shè)備的要求較高，可以為用戶帶來更好的觀看體驗(yàn)。例如，多項(xiàng)超高清視頻技術(shù)應(yīng)用于2022 年的北京冬奧會(huì)直播與轉(zhuǎn)播活動(dòng)中，中央廣播電視總臺(tái)的北京冬奧會(huì)4K/8K 公共信號(hào)制作，超高分辨率使得觀眾能夠清晰捕捉到每一個(gè)運(yùn)動(dòng)瞬間，極大地提升了觀看體驗(yàn)。對(duì)于高分辨率和大數(shù)據(jù)量的視頻流處理，采用H.265/HEVC 等高效編碼技術(shù)，提高了信號(hào)的傳輸速度和穩(wěn)定性。新岸線（北京）科技集團(tuán)有限公司的超高速移動(dòng)通信系統(tǒng)（Enhanced Ultra High Throughput，EUHT）無線傳輸技術(shù)應(yīng)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(xiàn)場的實(shí)時(shí)情況。

3.3 超高清視頻技術(shù)在文教娛樂領(lǐng)域的應(yīng)用

在教育領(lǐng)域，超高清視頻技術(shù)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(zhì)使得用戶不會(huì)忽視復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)和細(xì)節(jié)，如復(fù)雜的圖表或者實(shí)驗(yàn)操作過程，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。在文化領(lǐng)域，超高清視頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于博物館、藝術(shù)館等場所，即使不能現(xiàn)場參觀，也能夠通過超高清視頻獲取身臨其境的體驗(yàn)。同時(shí)，超高清視頻技術(shù)能夠?qū)ξ幕z產(chǎn)進(jìn)行高質(zhì)量的數(shù)字化保存。在娛樂領(lǐng)域，超高清視頻技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛，網(wǎng)絡(luò)直播、電子競技等新形式的娛樂活動(dòng)也在利用超高清技術(shù)提升用戶體驗(yàn)。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?；顒?dòng)現(xiàn)場配備全球首輛 “8K+5G” 超高清視頻全業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)播車，通過8K 訊道完成8K、4K、高清晰度（High Definition，HD）規(guī)格的節(jié)目生成模式（Program Generating Mode，PGM）信號(hào)的傳輸工作，依托8K 超高清多城同步直播系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)8K 直播流在咪咕全生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的轉(zhuǎn)碼分發(fā)[6]。

4 結(jié)語

超高清視頻技術(shù)的蓬勃發(fā)展不僅引領(lǐng)著數(shù)字媒體的時(shí)代潮流，更為各領(lǐng)域注入新的創(chuàng)意與可能性。超高清視頻在電影、電視、教育等方面的廣泛應(yīng)用，彰顯其對(duì)多領(lǐng)域的深刻影響。未來，超高清技術(shù)將持續(xù)演進(jìn)，為人們帶來更加豐富、沉浸式的視聽體驗(yàn)，開啟數(shù)字娛樂新篇章。