浅谈4k技术

一、4K特性

（一）4K分辨率

2012年5月，国际电信联盟发布了BT.2020“超高清电视UHDTV”标准的建议，将屏幕物理分辨率达到3840×2160及以上的电视称之为超高清电视。当前，最为常见的4K分辨率规格是3840×2160，它是高清电视（HD）分辨率的4倍，4K又称为2160P。高清1080p 能够显示的有效像素为2,073,600（1920×1080），4K能够显示的有效像素为8,294,400（3840×2160），相比传统高清电视只能清晰显示演员的面容，4K电视能纤毫毕现地展示人物和景物的细节，图像不但更清晰，而且层次也更丰富。

（二）4K编码方式

在信号源方面，4K电视信号采用HEVC编码格式，也就是H.265编码。这是因为4K电视信号传输要求极高，传统的H.264编码已经不能满足传输需要。H.265能够在有限带宽下传输更高质量的网络视频，这种视频编码标准可以将视频压缩到原先的一半大小，并支持4K至8K视频，为互联网传输扫清了障碍。在相同的图象质量下，通过H.265编码的视频大小比H.264缩小约39%～44%。

（三）4K视频接口

目前4K视频接口接入方式主要有HDMI、Display Port和HDBaseT。

　　方式一：HDMI

在物理性能上，HDMI 1.4最高可用视频传输带宽为10.2Gbit/s，理论上都能支持4K/30p(8bit)的信号传输，但是，如果从实时非压缩传输角度而言，4K传输速率需要达到12Gbit/s，真正代表HDMI开始全方位支持4K超高清信号传输的是HDMI2.0标准。首先，HDMI2.0标准在物理性能上与HDMI1.4相比有了不小的飞跃，从原本10.2Gbit/s的可用视频传输带宽提升到18Gbit/s，可以真正满足4K/60p(8bit)信号的传输。其次，HDMI 2.0标准完整支持Rec.2020的色域空间标准，符合超高清影音技术未来的发展趋势。而音频传输方面，HDMI 2.0最高可以支持32声道的音频信号传输，以适应未来家用多声道环绕声技术的发展。

方式二：Display Port

和HDMI一样，Display Port也允许音频与视频信号共用一条线缆传输，支持多种高质量数字音频。目前Display Port的接头有两种：一种是标准型，类似USB、HDMI等接头；另一种是低矮型。最新的DisplayPort 1.3将音频和视频带宽增加到32.4Gbps。

　　方式三：HDBaseT

　　在专业显示领域，HDMI线的有限传输距离以及专业线缆偏高的价格都大大限制了其应用，而HDBaseT传输距离远且价格相对便宜。HDBaseT并没有像HDMI跟Display Port一样重新设计接口，而是采用大众都不陌生的8P8C(RJ45)接头，俗称水晶头或以太网接头，传输介质采用了人们常见的网线。HDBaseT标准除了提供视频信号传输功能外，还具有网络连接以及以太网供电(POE)功能。HDBaseT标准目前最高支持20Gb/s的传输速率，传输距离长达100米。 HDBaseT既可以将完整的4K非压缩视频信号传送到网络设备，也可以实现点对点连接。

（四）定义4K显示的BT.2020标准

新的BT.2020标准相对于业界此前比较认同的BT.709标准在色彩显示效果的要求上大幅度提升，色彩深度由8bit提升至10bit，有效改善了8bit因视频抖动引起明显的色阶区块，也就是我们在电视上常常观察到的类似“梯田”一样色彩阴影。这进一步降低了画质噪点，给用户带来更好的体验。在色域方面，新的标准相比传统标准可提供78.5%的色域覆盖，而上一代标准仅为38.5%，色域扩展近一倍。

（五）4K摄像机

目前，索尼、Panasonic、JVC、BMD、AJA等公司针对4K电视制作流程推出了4K摄像机。索尼公司的4K摄像机系统主要包括两大部分，即BPU-4000基带处理器和CA-4000摄像机适配器。其中，CA-4000适配器在现场制作方面发挥着重要作用，该适配器的主要功能是：视频信号返送、音频通道、内部通话、寻像器以及Tally信号传输等。此外，对于HDC系列摄像机系统，用户只需要通过增添PMW-F55、BPU4000、CA-4000等设备就可以获得更多基于HD的增值操作应用。如基于4K分辨率画面的HD信号“选切”，能够在简单选切模式下同时输出两路HD选切信号，也可以在变焦透视选切模式下输出一路带有数字变焦和透视选切的HD画面。其中，PMW-F55 摄像机安装了Super35 mm4k CMOS成像器，能够兼容PL镜头，使用LA-FZB2镜头座适配器还可安装B4卡口镜头，配备全域快门，可有效解决传统摄像机“果冻效应”和“闪光带”问题，LA-FZB2镜头座适配器可将高清变焦镜头与PMW-F55摄像机头连接好，用于4K拍摄。

二、4K电视制作

2014年巴西世界杯使用4K转播车制作赛事直播信号，并使用卫星完成4K信号传输覆盖，这是4K电视转播信号第一次能够实时地被观众接收使用。国际足联与索尼公司合作，从整个64场比赛中选取了3场比赛制作4K信号，分别是当地时间6月28日举行的小组赛第三轮的一场，7月4日举行的1/4决赛的一场和7月13日举行的决赛。本次4K转播的信号，根据FIFA TV的整体设计考虑，将只在英国伦敦一家影院可以看到现场直播的4K画面。而其余国家根据不同安排，如日本会延后一天播放4K全场比赛，而大部分国家，包括国内消费者则是需要在索尼store卖场等通过4K电视展示4K精彩比赛片断。

2015年中央电视台春节联欢晚会，首次将4K技术应用在春节联欢晚会的录制中。中央电视台在春晚现场一号演播厅旁边搭建了一套4K EFP系统，参与春晚录制，并对4K摄像机参数进行了测试和分析，为以后4K制作积累技术经验。

2015年10月25日，中国足球超级联赛倒数第二轮，广州恒大淘宝坐镇主场迎战山东鲁能，广东广播电视台携手索尼高清影视技术学院，让4K转播车参与本场比赛制作。在现场14台高清摄像机的基础上，添加了5台4K摄像机，包括主机位全景1号机和特写2号机（F55），以及两队替补席两侧3，4号机（F55），还有右侧球门后的5号机（HDC4300+富士80倍4K B4镜头）。除5个4K机位外，另调取广东广播电视台高清转播车PGM信号，利用MVS-7000X自带的上变化通道，将其转为4K信号供导播选择，现场高清系统的飞猫信号和池上超高速摄像机的慢动作回放画面经过上变化后，也可以切换至4K PGM。另选取了4个4K机位进入PWS-4400进行4K慢动作回放。

2015年11月22日，中国足协杯决赛第一回合江苏舜天主场迎战上海申花的比赛在南京奥体中心体育场打响，为了全面展现比赛盛况，江苏电视总台将4K 高清大型电视转播车开赴现场，进行高清公共信号、4K直播信号（通过IPTV和院线4K平台）现场制作，并为网络电视台提供流媒体发布素材。江苏台4K转播车是国内第一辆支持4K制作的大型转播车，常规讯道配置具备16路高清讯道加4路4K F55讯道，分设两个独立的节目制作区，配备两台MVS-7000X顶级切换台，可以独立完成高清与4K两版节目制作。本场比赛，转播车系统被提升为18路高清讯道（扩展一台超高速摄像机和球门网带摄像机）和7路4K讯道（扩展两台4K讯道HDC-4300摄像机和一台4K超高速摄像机）共25个机位。两套索尼PWS-4400完成4K慢动作制作和HIGHLIGHT集锦回放。导演4K监看和技术画面监看共采用三台索尼PVM-X300 4K监视器，另外，车上还放置了一台65寸索尼4K电视用于检视最终效果。

三、阻碍我国4K电视技术发展的因素

（一）传输

由于4K超高清画面数据量太大，传统电视信号传输方式已经无法支持4K超高清传输。我国现阶段高清分辨率还在普及中，很多电视频道目前仍然是标清播出。城市电视网络经过几十年发展，覆盖面广，网络错综复杂，如果重新铺设线缆，工程量太大，尤其是一些老旧小区，改造现有的传输线缆十分困难，而且改造成本巨大。目前看来，有两种方式可以实现4K传输，一种是依靠卫星传输，这种方式可以传输大数据量，但是需要用户安装新的接收终端。另一种是依靠网络传输，这种方式不需要大规模硬件升级，加上无线网络快速发展，改造方式可以多元化，4K传输的发展可以通过网络升级来促进。

（二）存储及设备升级

4K超高清画面的存储压力主要在于制作端，对于电视节目而言，节目制作需要存储大量的视频素材，由于4K超高清画面数据量太大，因此需要特别大的存储空间。此外如果采用4K现场直播，直播现场的摄像机、传输线缆、矩阵切换台、发射设备、接收传输设备等等，都需要新的升级。目前来看，国内市场还不具备通过电视真正全程使用4K技术现场直播大型节目的硬件条件。

四、结语与展望

随着4K超高清技术的不断推广与发展，4K技术已成为国内近期广电业界的热点，更多的像素、更高的帧频、更沉浸式的体验，消费者最能直接感受到电视技术的发展成果。大屏幕、超高清画质将是未来把观众留在电视机前一个非常重要的手段，超高清电视技术也必将成为广电行业发展的最前沿趋势。

科技总是让人对未来充满了憧憬，在电视技术发展的进程中，高清和4K只是其中的一个环节。人眼的分辨率约为6K，因而今后的6K和8K才是真正的电视新时代，4K只是“超高清”时代的序幕。2020年的东京奥运会，组委会计划提供完整的8K信号服务，包括制作和传输8K赛事信号，以及通过卫星全球覆盖8K信号。

参考文献：

1.李卫祖，施剑平.浅谈4K转播系统设计[J].现代电视技术，2014(11).

2.于路.中国4K现场制作进程与发展[J].数码影像时代，2015(12).

3.邬建中.当前我国4K电视产业的发展策略研究[J].现代传播，2015(5).

4.王春朴，黄徐霞.4K电视发展展望及制作实践[J].视听界，2013(3).