4 K超高清應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

付 軍

（作者單位：貴州廣播電視臺）

1 超高清4 K發(fā)展現(xiàn)狀

當前，隨著4 K技術(shù)不斷完善，各國都把4 K電視發(fā)展納入發(fā)展規(guī)劃，詳細規(guī)劃制定了發(fā)展時間表、路線圖。日本可以說是4 K視頻鼻祖，其原計劃2014發(fā)展智能電視，2016年發(fā)展4 K，到2020年發(fā)展8 K。但日本的4 K發(fā)展超乎人們想象，比原來規(guī)劃提前兩年實現(xiàn)，4 K在巴西里約世界杯的應(yīng)用，提前四年實現(xiàn)，8 K在巴西里約熱內(nèi)盧奧運會和地面廣播應(yīng)用，且將在2020東京奧運會實現(xiàn)8K視頻轉(zhuǎn)播。歐洲廣播電視聯(lián)盟積極推動4 K電視發(fā)展，制定了比較詳細的規(guī)劃。如表1。

表1 歐洲廣播電視聯(lián)盟推動4 K電視發(fā)展規(guī)劃表

我國也在積極推動4 K技術(shù)在廣電領(lǐng)域的實際應(yīng)用，部分有條件的廣電和新媒體已在不同領(lǐng)域應(yīng)用和規(guī)劃搭建4 K視頻系統(tǒng)，央視為下一代超高分辨率節(jié)目制作、播出，為制定行業(yè)技術(shù)標準，積極進行技術(shù)實踐，投建了國內(nèi)第一個4 K超高清制作系統(tǒng)，國內(nèi)知名的媒體4 K花園、騰訊，在節(jié)目制作、體育直播平臺大規(guī)模應(yīng)用4 K視頻技術(shù)。其次，江蘇廣電、湖南廣電、浙江廣電、上海SMG和山東廣電等，分別集成不同架構(gòu)的4 K轉(zhuǎn)播車項目，在為基帶轉(zhuǎn)換IP級聯(lián)探索積累經(jīng)驗，為全IP集成時代到來做好技術(shù)儲備。

相較于4 K視頻系統(tǒng)集成目前還無法互聯(lián)互通，4 K視頻采集端攝像機相對成熟。世界主流廠家主要有索尼、池上、GV、松下和佳能等，人們使用較多是索尼產(chǎn)品。鏡頭是攝像機最前端的部分，也是獲取素材第一環(huán)節(jié)，鏡頭好壞直接影響畫面還原度和影像質(zhì)量。在世界廣播電視鏡頭領(lǐng)域，佳能鏡頭備受好評。在箱式鏡頭領(lǐng)域富士占居較大市場份額，也是各傳媒首選。業(yè)內(nèi)最大倍率107倍箱式長焦鏡頭，適用于各種場景。世界最小、最輕量的富士4 K廣播鏡頭2018全新上市，采用九片光圈葉片，產(chǎn)生自然唯美的虛化效果，頗具看點。

在顯示終端方面，隨著視頻技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的升級換代，以京東方為代表的顯示面板廠家，以海信、TCL為代表的電視機廠家，都在積極推動超高清終端進入家庭，拉動消費升級，對4 K推廣具有積極影響，高清素材和影視劇的不斷增多，必將推動4 K產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展。

2 高動態(tài)范圍HDR

4 K視頻3 840×2 160分辨率，與高清相比分辨率顯著提高，能將更清晰、更寬廣的圖像呈現(xiàn)給觀眾。在顯示細節(jié)上更加得心應(yīng)手，如在素尺寸不變、觀看距離不變情況下，能使人看到更廣、更清晰的內(nèi)容，HDR高動態(tài)范圍應(yīng)用，進一步提高色域動態(tài)范圍，HDR目標是把電視動態(tài)范圍提高2個數(shù)量級達到與人眼瞳孔無調(diào)節(jié)時相當?shù)某潭取ｏ@示端OLED需顯示純黑、高亮度的動態(tài)范圍（寬容度分辨率）也提高到1 000 000：1，量化（灰度分辨率）12 bit，幀速率（時間分辨率）提高到120/100 P。

目前，拍攝和顯示技術(shù)均有了長足發(fā)展，電視行業(yè)需新的制作/傳輸技術(shù)標準提升系統(tǒng)動態(tài)范圍，這個新技術(shù)標準就是HDR。它是建立一個比SDR更大的色彩/亮度坐標體系并改變系統(tǒng)的傳輸函數(shù)，以再現(xiàn)更大的色域和更高的亮度動態(tài)。國際電聯(lián)2016年7月發(fā)布ITU-R BT.2100文件，建議HDR采用PQ（ST2084）和HLG作為播出格式。PQ（Perceptual Quantization）定義了EOTF（電光轉(zhuǎn)換特性，監(jiān)視器即電視機中，電信號轉(zhuǎn)換為顯示光亮度的特性）即精確匹配顯示終端動態(tài)范圍。HLG（Hybrid-Log Gamma）定義了OETF（光電轉(zhuǎn)換特性，攝像機中被攝景物光亮度轉(zhuǎn)換為電信號的特性）采用與現(xiàn)有標清/高清電視相同的相對亮度體系HLG的EOTF非線性特性是為兼容SDR設(shè)計的，再現(xiàn)相對亮度，是對傳統(tǒng)電視體系的改進，擴展了高亮度景物再現(xiàn)能力。

索尼建議HDR中間母版格式S-Log3，S-Log3是索尼攝影機使用的OETF可利用成像器件的全部動態(tài)范圍，與之對應(yīng)用于顯示的是S-Log3 EOTF，支持4 000%動態(tài)范圍，S-Log3是用于制作HDR中間格式，不直接用于播出，播出時用轉(zhuǎn)換器把S-Log3轉(zhuǎn)換成PQ或HLG，轉(zhuǎn)換后亮度不變。

3 IP化應(yīng)用以及編碼方式

在今后4 K轉(zhuǎn)播車視頻集成中，如還采用傳統(tǒng)基帶級聯(lián)，3G四線級聯(lián)將產(chǎn)生大量耗材，增加系統(tǒng)集成復雜程度，矩陣系統(tǒng)將變得巨大，線路繁雜。4 K視音頻采用IP級聯(lián)方式，與以往基帶級聯(lián)最大不同是，將眾多連線用矩陣分配方式交由IP交換機來完成，網(wǎng)線、光纖解決問題更加簡便，減少線材使用量，統(tǒng)一調(diào)控,系統(tǒng)集成度高，如圖1。

圖1 IP交換機工作流程圖

采用通用的共享/雙向IP架構(gòu)，為共享/雙向數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計的IP架構(gòu)用于專用/單向AV數(shù)據(jù)傳輸時須采用專門協(xié)議。目前10G以太網(wǎng)無法傳輸無壓縮4 K視頻，要傳輸4 K須引入壓縮編碼，ST 2022-6只規(guī)定了凈切換（Clean Sw）原則，凈切換是輸出信號在切換前和切換后保持幀同步，畫面無損。要實現(xiàn)IP凈切換ST 2022-6的視頻、音頻、元數(shù)據(jù)混合打包，以保證接受端視頻實現(xiàn)凈切換，基于COTS以太網(wǎng)交換機PTP的時間同步（PTP適用于IP網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精確時鐘同步的IEEE 1588 PTP協(xié)議）。有效解決IP化視音頻流沒有幀邊界問題，實現(xiàn)凈切換。10 G以太網(wǎng)帶寬不能傳輸4 K/60 P基帶信號，須采用壓縮編碼降低碼率。ST 2022對4 K編碼沒有明確定義，在SMPTE支持者內(nèi)對4 K編解碼方案有不同選擇，各廠商解決方案并不相同，不同技術(shù)方案設(shè)備在IP域無法實現(xiàn)互通互聯(lián)。

應(yīng)用IP級聯(lián)可大大降低耗材使用，簡化系統(tǒng)集成步驟，提高系統(tǒng)聯(lián)通調(diào)度統(tǒng)一。但是，當前實際運用當中存在很多問題，各廠家各自為陣，協(xié)議端口不開放，編碼方式不統(tǒng)一，不能互相讀取協(xié)議層，使視頻系統(tǒng)級聯(lián)不能完全IP化，而廠家要單獨為廣電視音頻系統(tǒng)級聯(lián)開放開發(fā)，在封裝環(huán)節(jié)搭建新構(gòu)架，從利益分配考慮，誰都不愿意做出妥協(xié)，阻礙了IP化級聯(lián)進程。從目前情況看，國內(nèi)已知或在籌劃的方案，都不能完全實現(xiàn)真正意義上IP集成。處于安全考慮，退而求其次選擇基帶和IP互為備份的方式集成，IP集成度也大大提高。4 K視頻目前我國還沒有出臺統(tǒng)一的國家標準，廣電總局倡導有條件省市先行先試，在目前狀況下，最好的方案是，高清、4 K長期共同存在，以滿足不同觀眾的選擇。

未來4 K編碼方案最大可能將優(yōu)選選擇大家普遍認可的SMPTE2110編碼標準。這一標準具有大寬帶、無阻礙、無壓縮和單獨路由的特點，由VSF TR-03發(fā)展而來，獲得大多數(shù)廠商支持。FCD（Final Committee Draft）已投票通過，無壓縮HD視頻草案已獲SMPTE通過，ST2110內(nèi)容包括：ST2110-10系統(tǒng)定時、ST2110-20未壓縮的活動視頻、ST2110-21業(yè)務(wù)整形未壓縮視頻、ST2110-30未壓縮PCM音頻和ST2110-40輔助數(shù)據(jù)。目前還沒有完全正真意義上的無壓縮4 K,但各廠家和集成商都在積極優(yōu)化在IP過渡期的替代方案，且技術(shù)每天都在更新，IP化可能比預想的時間大大縮短。ST 2110物理層/數(shù)據(jù)層傳輸要求對比如表2。

表2 ST 2110物理層/數(shù)據(jù)層傳輸要求對比表

4 4 K技術(shù)未來發(fā)展趨勢

未來視音頻系統(tǒng)級聯(lián)，將會向全IP集成方向發(fā)展，各聯(lián)盟、周邊設(shè)備生產(chǎn)商、視音頻廠家協(xié)商、數(shù)據(jù)鏈測試和協(xié)議端口開放，最終會形成各方都能接受的統(tǒng)一標準或互相兼容的格局，最終形成互聯(lián)互通。但這一進程會經(jīng)歷相當長的時間，也有可能提前超預期，目前存在問題是各方還無法完全達成統(tǒng)一共識，隨著談判進程不斷推進，最終將形成一個互相妥協(xié)利益共享的結(jié)果。同時各種替代方案、解決辦法每天都在不斷推陳出新，在IP化過渡期起替代作用，不影響超高清應(yīng)用和發(fā)展。

未來所有集成設(shè)備調(diào)度、整合、數(shù)據(jù)分配都將由SDN數(shù)據(jù)控制，進行集中統(tǒng)一管理，有效解決了基帶集成設(shè)備間各自為陣的局面，簡化了工作程序，提高工作效率。同時，對從業(yè)者提出更高要求，特別是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)知識儲備，SDN控制系統(tǒng)便于視音頻集中管理，但也增加了系統(tǒng)調(diào)度分配難度和安全問題，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，又波及到備份系統(tǒng)，對節(jié)目安全直播、制作都構(gòu)成相當大的挑戰(zhàn)。所以，應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)安全，提升系統(tǒng)安全防火墻迫在眉睫。傳統(tǒng)的基帶級聯(lián)，端口連接安全可靠，IP化端口相較基帶存在諸多隱患，轉(zhuǎn)播系統(tǒng)常年在外奔波，勢必造成網(wǎng)口級聯(lián)松動，影響系統(tǒng)安全運行。對目前已有或正在考慮上馬4 K系統(tǒng)或項目的媒體，提出了必須思考的課題。IP視音頻級聯(lián)沒有足夠成熟的范例，也沒有在長期使用中積累的經(jīng)驗，目前也不能完全實現(xiàn)真正意義上的IP化，要完全實現(xiàn)IP化任重道遠。而當前節(jié)目制作水平、觀眾審美不斷提高，市場又有需求，所以各傳媒都在積極制定、規(guī)劃4 K視頻方案。因此，在目前情況下，就應(yīng)積極面對4 K視頻系統(tǒng)搭建中存在的問題，優(yōu)化方案，結(jié)合自身節(jié)目制作需求做出合理化布局，即考慮眼前需求又預留未來發(fā)展空間，IP末端鏈路預留，提高更換設(shè)備可操作性，這樣不但可以滿足節(jié)目制作的需求，又無后患之憂。IP化從根本上說只是改變了系統(tǒng)級聯(lián)方式，并沒有顛覆系統(tǒng)大的框架，人們不能為IP而IP，而忽略自身發(fā)展和需求，造成不必要的經(jīng)濟損失和資源浪費。

未來SDN控制系統(tǒng)，可以預見AI人工智慧、語音識別系統(tǒng)的介入，在提高系統(tǒng)集中統(tǒng)一管理的同時，還可加強PC自我學習與管理，人們不用再去調(diào)度或控制本來AI能做的事情，只用下指令告訴AI需做什么就可以。從目前AI發(fā)展情況來看，這是完全有可能實現(xiàn)的，只是傳媒視音頻系統(tǒng)搭平臺忽略了AI發(fā)展，沒有和自身需求有效結(jié)合，商家也沒有這方面開發(fā)，市場、廠家、傳媒?jīng)]有形成共振，也就沒有形成羊群效應(yīng)。隨著5G在全國試點全面鋪開，未來大規(guī)模商業(yè)運用，將極大提高移動端傳輸速率，傳輸方式也將變得多元化，將更加快速便捷。隨著墨子號的升空，量子通信已進入專線測試階段，有關(guān)量子計算機、通信密鑰也在積極推進，這將會是一項顛覆傳統(tǒng)傳輸方式和計算革命，也是通信安全級別最高的項目，當前區(qū)塊鏈處在風口浪尖，區(qū)塊鏈除全世界都知道火爆的比特幣概念以外，在諸多領(lǐng)域，區(qū)塊鏈技術(shù)已蠢蠢欲動，這也是除現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)以外獨有的鏈態(tài)環(huán)境體系，傳媒不可小看其作用。在搭建平臺集成系統(tǒng)時，人們要考慮這些看似遙遠又實實在在發(fā)生的新事物，進行超前謀劃，為將來發(fā)展融合預留足夠空間和拓展環(huán)境，盡可能將系統(tǒng)使用率提高，拉伸使用時間。

隨著4 K技術(shù)不斷革新，產(chǎn)品性價比逐步回歸理性，周邊設(shè)備優(yōu)化升級，標準、編碼、端口和協(xié)議等的統(tǒng)一，必將推動4 K視頻技術(shù)全面發(fā)展。4 K視頻不斷涌現(xiàn)，必將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級換代，制造出人們能用得起、受歡迎的產(chǎn)品，從而推動4 K向產(chǎn)業(yè)化邁進，帶動、拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。