4K技術漫談

郭晉麟

（山西廣電信息網絡（集團）有限責任公司，太原　030000）

1　4K簡介

4K是一個分辨率的范疇。圖像的大小可以用像素分辨率來表示，例如高清電視機、高清顯示器以及藍光通常具備1920×1080的分辨率。1920×1080 這組數據表示的是該圖像由水平方向每行1920個像素以及垂直方向每列1080個像素組成的。為了表述簡便、方便交流，業界也常常以圖像水平方向上的像素值來表示圖片的大小，并且一般情況下會用“K”來描述像素值，其中1K相當于1024個像素，nK就是指圖像的水平方向每行像素值達到或者接近1024的n 倍。以此為標準，4K圖像就是指水平方向每行像素值達到或者接近1024的4倍，即4096個圖像。

如今常見的4K分辨率有4096×2160和3840×2160 兩種。國際電信聯盟定義了UHDTV標準（Ult r a High Definition Television，超清電視）和FHDTV 標準（Full High Definition Television，全高清電視），采用3840×2160分辨率的電視或顯示器也叫做UHDTV標準產品。與1920×1080分辨率的FHDTV相比，UHDTV的分辨率剛好是FHDTV的四倍，在屏幕尺寸相同的情況下可以顯示更加精細的圖像，而且由于寬高比同樣是16∶9，UHDTV標準產品也能很好地兼容FHDTV的圖像，更容易被用戶接受。故3840×2160的4K分辨率也是廣電行業超清電視節目的主要標準。

2　4K技術特點

2.1　4K認證標準

在今年CES上，UltraHD Premium認證首次進入人們的視野，支持Ult raHD Premium認證的不僅僅是電視廠商，更有好萊塢級別的電影制作公司，以及制定標準的杜比、DTS等技術公司，還有DIRECTTV、Netf lix這樣的內容運營商。因此不能認為Ult raHD Premium僅僅是一個認證，它更代表了一個4K時代下的內容產業鏈，集合多家內容產業鏈上的生產者組成的聯盟。嚴格意義上來說，UltraHD Premium并不能算作一個標準，但它為了規范4K生態鏈，卻有著不可忽視的重要意義。

UltraHD Premium主要為顯示器、電視等設備提供認證，認證的技術標準如下：

⊙ 分辨率：3840×2160像素。

⊙ 色深 ：10bit。

⊙ 信號輸入：支持BT.2020。

⊙ 色域：大于90% DCI-P3（廣色域標準）色彩空間。

⊙ HDR：支持SMPTE ST 2084 EOTF的高動態范圍影像光電轉換。

⊙ 亮度動態范圍：亮度1000nits（尼特，亮度單位）以上/黑位低于0.05nits（主要針對LCD）；亮度540nits以上/黑位低于0.0005nits（主要針對OLED）。

2.2　HDR

HDR全稱是High-Dynamic Range，高動態范圍圖像技術。這項技術其實很早以前就應用在了攝影領域中，人們在拍照過程中會發現這一功能：開啟HDR，開啟后拍攝昏暗場景時會較之前更為明亮、通透，而現在這項技術已經應用于家用電視領域。

傳統電視所能展現的亮度范圍極為有限，與人眼所能感知的亮度范圍相差甚遠。究其原因，傳統電視在畫面顯示中，明亮處不亮，而昏暗處又暗不下去，最終則導致人眼感知到的電視畫面層次感差，大量細節丟失，HDR超畫質顯示技術就是為解決這一問題應運而生的。HDR技術對電視畫面帶來的提升非常直觀，即便是普通用戶也能通過肉眼分辨出來。

搭載HDR技術的家庭電視能夠拓展亮度的動態表現范圍，通過提高明亮畫面的亮度，控制昏暗畫面的亮度，由此來強化明暗畫面之間的對比度，展示出與人眼所能獲取到的動態范圍及其接近的畫面，從而帶來更加逼真、出色的畫質感受。

2.3　BT.2020色彩空間

BT.2020色彩空間已被ITU（國際電信聯盟組織）定位為4K/8K時代的一個圖像信號色域標準，同時也是4K Ult raHD藍光的標準之一。普通藍光標準使用的是BT.709色彩空間，它僅覆蓋了BT.2020色彩空間的35.9%，而后者是目前顯示設備中最大的色彩空間，其覆蓋了CIE 1931色彩空間（國際照明委員會定義的一系列色度學標準，是一種理論上的理想色彩空間）的75.8%，可以顯示更多的色彩，令畫面表現更加生動。

2.4　視頻接口

目前可以輸出4K分辨率的接口只有HDMI和DP（Display-Port），其中HDMI接口想要輸出4K分辨率，就必須使用支持HDMI 1.4或更高標準的產品；DP接口需要輸出4K分辨率的話要支持DP 1.2標準。各類接口的具體參數如下：

⊙ HDMI 1.4接口：數據帶寬10.2Gb/s，支持4096×2160@24Hz、3840×2160@30Hz。

⊙ HDMI 2.0 接口：數據帶寬18Gb/s，支持4096×2160@60Hz、3840×2160@60Hz。

⊙ DP 1.2接口：數據帶寬21.6Gb/s，支持4096×2160@60Hz、3840×2160@60Hz。

3　4K業務應用

3.1　市場前景

目前，4K產業鏈上各個環節的技術均已趨于成熟，完成了從研發走向商用的進程。同時，越來越低廉、親民化的使用成本讓更多的用戶都能夠體驗4K，進而促進4K整條產業鏈進入良性發展的循環中。而當下4K產業鏈遇到的挑戰，已經不再是為了突破某項技術，達到某項標準，而是如何將整條產業鏈緊密地相互聯結，它比片源、傳輸及存儲等這些曾被我們認為是巨大挑戰的問題更難，因為對于它來說最重要的是4K產業鏈上各個環節的一致配合，而不是僅靠一部分人的單方面努力就能夠達到的。

不可否認，4K在市場中的發展遇到的片源、傳輸及存儲問題等是不得不面對的巨大挑戰。但是4K這條產業鏈上的公司樂于接受挑戰并且正在逐步解決這些問題，讓這些問題慢慢變得不再那么尖銳，整條超高清產品鏈正在被一股向上的力量牽引。這肯定了4K行業發展的一個健康態勢。

3.2　廣電的4K

4K技術已成為廣電行業未來的重要發展方向，2014年韓國開通了全球第一個4K超高清頻道，日本也于同年開始試播4K超高清節目。而放眼國內，為了滿足眾多用戶對高清影視日益增長的需求，大連開播了全國首家4K超高清頻道，并且北京、四川、深圳、廣東、湖南、重慶等地也于其后相繼推出了高清互動電視4K體驗專區的服務。為了給用戶呈現出最完美的4K超高清畫面，廣電4K體驗專區的片源均采用了15到20兆的高碼率，保證4K高清畫面每一幀的品質，做到纖毫畢現。

4K體驗專區的推出對于廣電網絡的用戶而言，不用去影院，只需坐在家里，動一動遙控器，就可以隨時隨地點播各種高清大片。省去了舟車勞頓、排隊等候等繁雜事宜，用戶在家就能享受到與影院相媲美的音效和畫質。

值得一提的是，看廣電的4K影片不需要專門更換或升級高清機頂盒，用戶可以通過原來的高清機頂盒直接點播廣電超高清4K大片。而為了讓每個用戶在觀看時，能夠享受到最佳的觀看效果，廣電利用自身有線電視網絡的優勢，專門為4K高清體驗專區配備了專享的獨立帶寬，保證用戶在觀看時不會出現卡頓、黑屏、聲音不連續等現象。

2017年末，在廣東電視中心舉行廣東4K超高清電視試驗播出活動，我國首個4K電視頻道——廣東影視（4K超高清）頻道正式試播，完成了我國首個4K電視頻道的開播。

最后關于4K行業最為詬病的片源問題，廣電4K體驗專區的片源非常豐富，目前已擁有近百部影片，并且還在持續更新。這得益于廣電多年來積累的與眾多視頻行業上游制作廠商的良好合作，為4K 在廣電的發展鋪平了道路。

4　廣電4K發展前景

4.1　4K發展面臨的問題

4.1.14K節目源

時至今日，用戶購入4K超高清分辨率電視機的成本越來越低，但是當用戶將電視購入后，會發現目前大部分的高清電視信號和網絡流媒體內容都是以1080p為主的，而4K技術擁有的額外像素還無法完全發揮作用。

放眼國際，Netf lix（美國一家內容運營商）雖然已經推出了在線的4K超高清流媒體內容，但是目前的內容種類非常有限。另外，三星與M-Go（美國一家內容運營商）建立了合作關系，并同時宣布將在韓國本土獨家提供超過70個超高清的節目源。不過大部分的流媒體服務提供商都承認，目前絕大多數的4K節目都是從高清信號轉制而來。

就在Netf lix推出在線的4K超高清流媒體服務8個月之后，其在本土主要的競爭對手亞馬遜也推出了自己的4K流媒體服務。而這一次，亞馬遜則從索尼和英國廣播公司等內容提供商獲得了節目原始信號，轉制成4K超高清信號提供給用戶觀看。

4.1.2高帶寬承載

目前全世界4K內容普及的另一大難點就是對帶寬的要求。目前4K流媒體內容需要的帶寬是原來高清信號的4倍，因此除了要滿足4K電視這種硬件要求外，用戶還需要有充足的帶寬來支持4K節目超高的碼率。比如上文提到的Netf lix和M-Go運營的H.265編碼節目就需要至少15Mbps的帶寬要求，目前這個標準對于大部分用戶來說仍比較困難，而且還只是最低標準。

在解決用戶帶寬不夠的問題之前，使用藍光載體來觀看4K節目是一個不錯的體驗。未來4K藍光協會能否為用戶帶來真正的4K標準藍光光盤，也是業界非常關注的方面。

4.2　廣電4K未來的發展前景

近年來，盡管4K技術已逐漸變得主流，但是運營商除了要解決帶寬的瓶頸之外，還有許多技術障礙仍待解決。例如DirecTV為了給4K鋪平道路，于2014年12月發送了專用衛星，可以提供4K超高清內容給美國和波多黎各的用戶。另外各大體育賽事的現場直播也成為4K發揮作用的重要領域。2014年世界杯期間BBC已經嘗試了采用超高清信號的直播方式。但信號傳輸的比特率是最大的技術壁壘，4K的UHD信號至少需要36Mb/s的帶寬容量，并且現有資源的更新也是一個世界級的難題。

4K衛星傳輸技術可以達到64Mb/s的傳輸速度，可以穩定的向用戶推送4K電視節目內容。一部4K電影片源的容量大約在110～140GB之間，目前中國國內各大網絡運營商提供的帶寬還不足以應對4K電視節目傳輸的需求。而最新的4K衛星傳輸解決方案提供的傳輸速度，讓4K電視節目傳輸在技術上已經不存在問題。同時技術專家還表示：“衛星高速傳輸數據采用一點對多點的廣播式數據傳輸方式，傳輸速度不受用戶數量的影響，因此用戶越多，單個用戶傳輸成本就越低，用戶達到一定數量，傳輸成本幾乎可以忽略不計?！边@些技術特性將為4K電視信號在市場上商業化的運營提供完善的支撐。

在地面上的數字電視節傳方面，國內有線電視網絡擁有1G的頻譜帶寬，經調制后理論值最多可達256G的超高帶寬，并且廣電直播的共享傳輸方式，在保證高碼流節目正常傳送的同時，能夠最大程度的節省帶寬資源，為4K超高清電視節目提供了行業內最佳的地面節傳承載網絡。同時從國外的商用及試驗情況來看，4K節目在有線電視網絡中的傳輸既可以在DVB雙向網絡中進行，也可以在FTTH（光纖到戶）的網絡內進行，長遠看來這兩種方式可以長短互補，實現更多的用戶量覆蓋。所以目前國內現有的有線電視網絡是提供4K超高清電視服務的最佳選擇。

2016-2018年我們正式進入4K時代，用戶將不會看到往年只有4K硬件而沒有4K資源的這種尷尬情況。雖然在技術上仍存在不少瓶頸待廣電行業的專家們解決，不過我們相信，既然有2006年藍光元年的那種發展態勢，4K技術未來在中國的發展也不存在什么問題。終有一天，4K這項技術會完全走進百姓家中，就像我們現在看高清1080p電影或電視一樣簡單而普遍?！?/p>

[1]曹煜.淺談4K技術的發展和應用[J].工程技術：引文版，2016（6）：00015-00015.

[2]胡波，陳楠.淺談4K技術的發展及應用[J].數字傳媒研究，2015，32（6）：76-77.

[3]程瑋.淺析4K技術的集成應用[J].中國安防，2015（8）：53-55.

[4]范宇航.創造魅力影像時空——淺談4K技術的電視實踐應用[J].現代電視技術，2014（11）：66-69.