從480p標(biāo)清到720p高清，再由720p高清到1080p全高清，直到最近的4K、8K超高清開始進(jìn)入民用領(lǐng)域(在視頻監(jiān)控領(lǐng)域也用像素來劃分，100萬，200萬，500萬，800萬，1000萬，1200萬等)，可以清晰的看到整個的發(fā)展趨勢。而更高的分辨率意味著可以顯示更多的畫面細(xì)節(jié)與層次感，從視頻采集到傳輸，到最終顯示也因此需要不斷變化。正是由于4K技術(shù)能夠讓我們看到更大的畫面，更豐富的色彩與細(xì)節(jié)，因此也成為了目前備受矚目的技術(shù)。
注：4K這個名詞已然成為代名詞，它可能指以支持4K標(biāo)準(zhǔn)的攝像機、線纜、編/解碼器、顯示、芯片等，具體指向產(chǎn)品依據(jù)上下文描述推測。
2012年8月ITU推出了ITU-R Recommendation BT.2020(以下簡稱Rec.2020)超高清電視廣播系統(tǒng)與節(jié)目源制作國際標(biāo)準(zhǔn)。Rec.2020為超高清定義了兩種16:9數(shù)字顯示規(guī)格的物理分辨率：3840×2160與7680×4320，即4K和8K的物理分辨率。自此拉開了4K超高清的序幕，從分辨率上看是1080P的4倍，但很多人往往走入了一個誤區(qū)，只知道4K的分辨率，卻不知道原生4K的標(biāo)準(zhǔn)還定義了色深，色域等方面的要求，接下來，我們從幾個方面來剖析4K發(fā)展的問題，它到底離我們有多遠(yuǎn)那?
注：4K在分辨率上，分為電視4K分辨率3840x2160和電影4K分辨率 4096x2160。因此在顯示技術(shù)上，也分為ITU-RBT.2020電視顯示技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和DCI數(shù)字影院技術(shù)規(guī)范。
一.4K的誕生與發(fā)展
2012年下半年，國際電信聯(lián)盟無線電通信部門(ITU-R)頒布了面向新一代超高清UHD(Ultra-high definition)視頻制作與顯示系統(tǒng)的Rec.2020標(biāo)準(zhǔn)，重新定義了電視廣播與消費電子領(lǐng)域關(guān)于超高清視頻顯示的各項參數(shù)指標(biāo)，其中4K的物理分辨率為3840×2160，而8K則為7680×4320。之所以超高清視頻顯示系統(tǒng)會有兩個階段，實際上是因為全球各個地區(qū)超高清視頻顯示系統(tǒng)發(fā)展差異性所造成的，例如在電視廣播領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先的日本就直接發(fā)展8K電視廣播技術(shù)，避免由4K過渡到8K可能出現(xiàn)的技術(shù)性障礙。而在世界的其他地區(qū)，多數(shù)還是以4K技術(shù)作為下一代的電視廣播發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)。2020年第32屆夏季奧林匹克運動會將在日本東京召開，據(jù)國外消息透露，日本準(zhǔn)備在2020年使用8K技術(shù)轉(zhuǎn)播奧運會，至此8K進(jìn)入我們的生活已經(jīng)有了清晰的時間表，相信最近幾年全球電視分辨率也將迎來新一輪的拉升。
2015年3月26日，索尼中國專業(yè)系統(tǒng)集團在CCBN展會上向江蘇省廣播電視總臺交付中國第一輛4K轉(zhuǎn)播車，這也是國內(nèi)首次具備4K/高清同播能力的現(xiàn)場制作系統(tǒng)。隨著越來越多的演唱會，發(fā)布會，現(xiàn)場直播采用了4K轉(zhuǎn)播，不管主辦方是否是為了噱頭吸引人氣，但告訴我們的是4K離我們越來越近了。
二.4K能給我們帶來多少震撼
4K的賣點不僅僅是畫面空間分辨率的提升，還有很多諸如幀率、色彩深度、色彩空間、編解碼技術(shù)、電視機技術(shù)發(fā)展趨勢等細(xì)節(jié)，如果你對這些細(xì)節(jié)也感興趣的話，不妨來一起探討一下，由于作者的水平及認(rèn)知有限，如有錯誤，請讀者在下方留言。
1.分辨率及幀率
Rec.2020標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Ultra-high definition超高清圖像的顯示分辨率為3840×2160與7680×4320，畫面顯示比例為16∶9，支持的幀掃描頻率包括120p、60p、59.94p、50p、30p、29.97p、25p、24p、23.976p。當(dāng)中，可以發(fā)現(xiàn)所有超高清標(biāo)準(zhǔn)的影像都是基于逐行掃描的，經(jīng)歷近百年的隔行掃描技術(shù)終于在超高清時代退出了歷史舞臺。
2.色深及色域的提升
在色彩方面，Rec.2020標(biāo)準(zhǔn)相對于Rec.709標(biāo)準(zhǔn)作出了大幅度的改進(jìn)。首先是色深方面，由Rec.709標(biāo)準(zhǔn)的8bit提升至10bit或12bit，其中10bit針對的是4K系統(tǒng)，12bit則是針對8K系統(tǒng)。這一提升對于整個影像在色彩層次與過渡方面的增強起到了關(guān)鍵的作用。
如下圖所示，人眼可以看到的色域范圍，藍(lán)**域為Rec.2020的標(biāo)準(zhǔn)色域，綠**域為Rec.709的標(biāo)準(zhǔn)色域，紅**域為我國數(shù)字電視等效于歐洲廣播聯(lián)盟的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
標(biāo)準(zhǔn)的提升使視頻在色彩層次與過渡方面起到了關(guān)鍵的作用，而色域面積的提升能顯示更加豐富的色彩，只是相對來說，越廣的色域?qū)τ陲@示設(shè)備的性能要求就更高。
3.非壓縮傳輸所需的帶寬
標(biāo)準(zhǔn)為10bit，23.976幀：4K圖像的帶寬3840×2180×10×3×23.976=6.02Gbps
標(biāo)準(zhǔn)為10bit，30幀：4K圖像的帶寬3840×2180×10×3×30=7.5Gbps
標(biāo)準(zhǔn)為10bit，60幀：4K圖像的帶寬3840×2180×10×3×60=15.0Gbps
標(biāo)準(zhǔn)為12bit，120幀：4K圖像的帶寬3840×2180×12×3×60=18.0Gbps
所以，傳輸接口是否支持4K，主要看接口帶寬是否夠用，4K的帶寬因為色深、采樣格式、幀率不一樣，對傳輸帶寬的要求也不一樣。
4.傳輸線纜
4.1 HDMI
HDMI是“高清晰度多媒體接口(High DefinitionMultimedia Interface)”的簡稱，2002年4月，日立、松下、飛利浦、Silicon Image、索尼、湯姆遜、東芝七家公司共同組建了HDMI高清多媒體接口組織，并且在同年12月9日發(fā)布了1.0標(biāo)準(zhǔn)，其最大的特點是同時可以傳輸視頻和音頻信號，對于組建家庭影院、消費電子類產(chǎn)品而言，可以大大減少線纜的數(shù)量。經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展和演進(jìn)，HDMI接口目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在平板電視、數(shù)碼相機攝像機、高清播放機、投影機、PC、手機、平板電腦、車載電子設(shè)備等非常多的領(lǐng)域，已經(jīng)成為消費電子設(shè)備中不可缺少的視頻接口，其版本也一路升級到2.0支持4K的傳輸。
HDMI2.0功能對比
4.2 SDI
各種SDI標(biāo)準(zhǔn)均使用75歐姆阻抗同軸電纜和BNC連接器進(jìn)行傳輸，這和模擬視頻場合中使用的傳輸媒介一致。
4.3DisplayPort
據(jù)稱全新標(biāo)準(zhǔn)將總帶寬提升到了32.4Gbps，具備四條通道各自分配8.1Gbps，比之前DP 1.2/1.2a版本接口增大了50%帶寬，幾乎是1.1版標(biāo)準(zhǔn)的三倍。這可是一個不小的提高。
通過表格我們可以看出以上部分線纜標(biāo)準(zhǔn)也只能滿足超高清一部分低標(biāo)準(zhǔn)的帶寬需求，而對于更高的帶寬需求，廠家也采用了多通道，多線纜的模式去解決，相信未來會有更多的解決方案的出臺。
5. 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)(H.265HEVC)
前面提到了4K的視頻碼流如此的大，高清傳輸線纜又受距離的局限性，這個時候就需要將視頻進(jìn)行壓縮傳輸，采用更高的壓縮率的H.265方案的應(yīng)用正式登陸舞臺，在不久的將來，新的壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.266也將浮出水面，提供更好的壓縮比和視覺效果。
H.265/HEVC標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)特點：
H.265/HEVC的編碼架構(gòu)大致上和H.264/AVC的架構(gòu)相似，主要也包含，幀內(nèi)預(yù)測(intra prediction)、幀間預(yù)測(inter prediction)、轉(zhuǎn)換 (transform)、量化(quantization)、去區(qū)塊濾波器(deblocking filter)、熵編碼(entropy coding)等模塊。但在HEVC編碼架構(gòu)中，整體被分為了三個基本單位，分別是：編碼單位(codingunit,CU)、預(yù)測單位(predict unit,PU) 和轉(zhuǎn)換單位(transform unit,TU )。
比起H.264/AVC，H.265/HEVC提供了更多不同的工具來降低碼率，以編碼單位來說，H.264中每個宏塊(marcoblock/MB)大小都是固定的16x16像素，而H.265的編碼單位可以選擇從最小的8x8到最大的64x64 。
同時，H.265的幀內(nèi)預(yù)測模式支持33種方向(H.264只支持8種)，并且提供了更好的運動補償處理和矢量預(yù)測方法。
反復(fù)的質(zhì)量比較測試已經(jīng)表明，在相同的圖象質(zhì)量下，相比于H.264，通過H.265編碼的視頻大小將減少大約40%。由于質(zhì)量控制的測定方法不同，這個數(shù)據(jù)也會有相應(yīng)的變化。
2014年12月，四川廣電網(wǎng)絡(luò)、四川電信等共同籌備已久的高清互動電視4K體驗專區(qū)正式推出，碼率達(dá)到15-20Mbps。
2015年NBA中國賽，現(xiàn)場信號由中國電信編碼為HEVC 30Mbps@3840×2160/50P，通過百視通機頂盒進(jìn)行4K直播。
制作精良的4K節(jié)目或者說 UHDTV 和目前的HDTV(2K、1080p)相比并不僅僅是分辨率上達(dá)到兩倍(或者說像素達(dá)到四倍)，在幀頻(或者說時間取樣)、每像素色深、色域等方面都有極大的不同，如果只是炒作4K 而沒有在這三方面做好的話，那也只是縮水版的 4K，也是偽4K。一部放映級別的4K影片碼流達(dá)到250M左右，下圖是《北京烤鴨與美女》的4K片源采用H.264編碼，碼流可以超過40Mbps，這個時候H.265就孕育而生了，給我們提供更好的畫面質(zhì)量的同時，帶來了更低的碼流。
6.芯片
成像傳感器的芯片是4：3而高清采用16：9的模式一種處理方法是將上下進(jìn)行裁邊處理，這樣一塊880萬像素的傳感器有效像素已經(jīng)不足，通過插值算法補足分辨率，這種做法就是一種偽4K。而Exmor成像器全部像素為1160萬，有效像素達(dá)到880萬，為用戶打造最佳的4K分辨率。
7.海量存儲
目前主流的存儲仍然以磁帶，機械硬盤，光盤作為主要的媒介。在一般人眼里，磁帶存儲已經(jīng)成為一個過時的技術(shù)，然而在云計算、云存儲的背景之下，磁帶存儲卻依然呈現(xiàn)出高增長。近日，某公司成功研發(fā)出存儲量高達(dá)185TB的磁帶，這一技術(shù)足以讓藍(lán)光光盤，硬盤等存儲介質(zhì)自嘆不如。
新型磁帶密度為每平方英寸可以保存184GB的海量數(shù)據(jù)，一個完整的磁帶數(shù)據(jù)存儲達(dá)到了185TB，這相當(dāng)于3700張雙層藍(lán)光光碟，30塊6TB硬盤。磁帶存儲的問題是讀取速度慢，因此許多大公司用來做數(shù)據(jù)備份，存儲對于訪問要求不高的海量數(shù)據(jù)。
有沒有一種可以保存100年的材質(zhì)，還能夠經(jīng)受住鹽化，腐蝕的折磨那?于是出現(xiàn)了藍(lán)光盤庫，其擁有500萬次的無故障操作，多線程的搜索，配合管理軟件，人臉的檢索，適用于廣電，金融，醫(yī)療，政府機關(guān)等使用。
機械硬盤的使用應(yīng)該是更為熟悉，在每個人的個人電腦，服務(wù)器也都少不了機械硬盤，在60年的發(fā)展當(dāng)中，單碟容量在不斷的增大，冗余技術(shù)在不斷的提升，其廣泛用于視頻監(jiān)控存儲的磁盤列陣，NVR也是大受好評。高密度的磁盤柜，RAID的冗余機制讓其數(shù)據(jù)更安全可靠，尋道速度，緩存容量，傳輸速度也在不斷的提升。
8.顯示
顯示目前主要以顯示器，電視，投影儀為主，4K投影又采用TI(德州儀器)生產(chǎn)的單片DLP芯片或三片DLP的各廠商以及采用LCoS技術(shù)的索尼(影院放映機目前只有巴可、科視、NEC、索尼)。
2016年1月，TI發(fā)布了一款面向家庭影院、商業(yè)及教育領(lǐng)域投影顯示的0.67英寸4K UHD芯片。這款最新的DLP產(chǎn)品在單芯片投影架構(gòu)中可實現(xiàn)高分辨率和高亮度的解決方案，并可幫助制造商擴大4K UHD投影顯示屏的應(yīng)用，從而接觸到更廣泛的用戶群。DLP 4K UHD解決方案利用DMD芯片的速度優(yōu)勢及高級圖像處理能力，可憑借4百萬個微鏡將超過8百萬個像素傳送到屏幕上。每個微鏡可在一秒內(nèi)切換超過9000次，從而在屏幕上的每一幀內(nèi)都生成兩個完全不同且唯一的像素，以實現(xiàn)全4K UHD分辨率。有了TI的4KUHD芯片組，投影儀制造商可以靈活的應(yīng)用燈、LED、激光光源來生產(chǎn)DLP的投影。
2014年小米電視2發(fā)布引發(fā)了真?zhèn)?K的討論，強調(diào)自身并非“偽4K”的RGBW模式。僅僅是顯示分辨率達(dá)到這完全不夠，一款成熟的UHDTV應(yīng)該至少具備3840×216010bit 60Hz(最好能到120Hz)，遵循Rec.2020色域，至少支持DP1.2或HDMI2.0接口，提供RGB獨立調(diào)控以及H.265視頻解碼的硬件支持(可以通過外接盒子解決)等。
總結(jié)：4K從視頻的采集到傳輸，到編解碼，到存儲，到顯示中間的任一一個環(huán)節(jié)都卻一不可，從終端應(yīng)用來講，無論是4K電視，4K顯示器還是4K投影都面臨著一個片源少的問題，那為什么影視公司，電視節(jié)目制作公司不多制作些4K的片源那，一個字，“貴”。顯示芯片、成像芯片技術(shù)壟斷導(dǎo)致價格昂貴，4K的超高存儲量以致需要更多的存儲空間，帶來設(shè)備的成本以及空間的成本。或許有人會說，降價就會普及，普及就會再降價，道理固然對，但是現(xiàn)階段擁有4K核心技術(shù)的廠家屈指可數(shù)，且沒有形成強烈的供求關(guān)系。
從模擬/標(biāo)清視頻升級到高清(720P，1080P)，整個過程并未完成，還在過渡當(dāng)中。從標(biāo)清到高清視覺感受完美，可以明顯感覺到畫面清晰度的改善，而從高清到超高清的轉(zhuǎn)變卻無法體驗到那種逼真和細(xì)膩，用戶也并不愿意花大價錢去升級改造。那些已經(jīng)升級成高清的是否會再多等幾年直接升級到8K?而那些正在著手改造的會使用一部分高清，再加體驗一點4K那?要想普及4K，恐怕要等到視頻采集設(shè)備成主流的那一天吧，如同新能源汽車的普及是先有充電樁的普及，還是先有電動汽車的普及道理相似。目前UHDTV已經(jīng)出于較普遍現(xiàn)象，其較高的性價比，用戶升級換代先行擁有了終端，那我的4K大電視就成為了一個花瓶了，小編以為，您可以先買個4K攝像機安裝在無人機下，用4K大彩電看看外面精彩的世界。
那么，4K到底離我們有多遠(yuǎn)?我的答案是遠(yuǎn)在天邊，近在眼前。
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