超高清視頻技術應用探析

張家樂，鄧文治

（中國軟件評測中心，北京 100048）

0 引言

隨著社會發展與技術進步，超高清視頻技術與相關產品正在獲得越來越廣泛的關注和應用。國家也在大力發展超高清視頻產業，超高清的概念逐漸深入人心，4K與8K的產品也已進入消費級市場。超高清視頻內容能夠為使用者帶來極佳的視覺體驗，也能夠為生產制造環境提供更為精細、準確的監測檢驗手段，其重要支撐是超高清視頻技術的持續迭代與發展。本文將對超高清視頻的關鍵技術進行介紹和淺析，并對超高清視頻的應用場景進行探索與分析。

1 關鍵技術及指標

目前，超高清視頻每幀畫面的尺寸要求達到4K（3840×2160）或8K（7680×4320）水平，同時，滿足高幀率（最高至每秒120幀）、高位深（10比特或12比特）、廣色域（WCG，Wide Color Gamut）、高動態范圍（HDR，High Dynamic Range）等特性[1][2]。從產品鏈路上來看，超高清涵蓋了視頻采集與編輯、編解碼、傳輸分發、顯示呈現等環節。

視頻采集設備是視頻內容的生產者，超高清視頻拍攝生成的內容需要滿足尺寸、幀率等的要求，也要滿足人眼觀看的舒適性，盡量真實地還原拍攝場景。采集設備一般由鏡頭、圖像傳感器、圖像信號處理器組成，為了實現更好的拍攝效果，鏡頭需要持續改善光學性能以提高成像水平，圖像傳感器需要在滿足像素數量要求的同時抑制噪聲，圖像信號處理器則需要不斷優化自動曝光、自動白平衡、自動對焦的能力。在消費電子及智慧醫療領域，鏡頭與傳感器需要滿足小型化的需要；而面向安防監控與智能交通領域，鏡頭與光圈的協作配合需要適應低光、強光環境，保障清晰成像的效果。

視頻畫面尺寸的提升，顯著增加了每幀畫面的數據量，同時，超高清視頻豐富的畫面信息也使得這種數據量的提升不是簡單的數量提升而是數量級的遞增。與高清視頻（2K，1920×1080）相比，4K與8K視頻每幀的數據量分別是其4倍和16倍；如果綜合考慮每像素位深（以12比特為例）以及高幀率（每秒120幀）的要求，以4∶4∶4采樣為例，8K視頻的原始數據率可達到133 Gb/s，1 TB容量的硬盤只能存儲約60秒的原始數據。因此，視頻數據的編碼壓縮是存儲與分發前十分重要的環節。目前，廣泛使用的H.264視頻編碼對于大尺寸超高清視頻的編碼效率和編碼質量難以滿足實際需要，2013年由視頻編碼聯合工作組發布的HEVC視頻編碼在宏塊大小、預測算法、變換和濾波等方面進行了改進，能夠更好地適應4K視頻的編碼壓縮工作。國內具有自主知識產權的視頻編碼標準AVS2也已開始應用在廣播電視行業的超高清頻道中，其場景視頻編碼能夠比HEVC節省40%左右的碼率[3]。全球首個面向8K以及5G產業應用的視頻編碼標準AVS3是AVS工作組制定的第三代音視頻編解碼技術標準，已于2019年3月完成基準檔次的制定工作，參考軟件的測試數據顯示：AVS3基準檔次的性能比上一代標準AVS2提升了約30%[4]。聯合視頻專家組（JVET，Joint Video Experts Team）提出的新一代視頻編碼標準VVC也已發布了第九版草案，其目標也是為了適應具有高位深、廣色域、高動態范圍特征的4K與8K超高清視頻[5]。

通過以上編碼技術的改進提升了編碼效率，但是并不能完全抵消超高清視頻數據量增長所帶來的傳輸、分發、存貯環節的壓力，相關環節依然會面臨巨大的挑戰。專用網絡可以通過硬件設施改造升級來滿足帶寬需求，通信網絡包括骨干網、城域網、駐地網則需要大規模新建或改造，如搭建5G網絡、延伸光纖網絡向終端推進，以改善傳輸帶寬與延遲。同時，還需要軟硬件協同優化，如研發高效的流媒體傳輸算法來改善大數據量帶來的網絡擁塞等。

超高清視頻內容的呈現，最終決定了觀眾的視覺體驗。超高清視頻在亮度、對比度、色域、幀率等方面，對顯示技術提出了新的要求。除了顯示面板的尺寸、色彩外，對于高動態范圍的支持，也是影響觀看體驗的一個十分重要的方面。虛擬現實（VR，Virtual Reality）、增強現實（AR，Augmented Reality）、裸眼3D等技術也會激發更為廣闊的應用場景。

2 應用探析

2012年倫敦奧運會，是超高清視頻技術應用的早期案例之一，公眾可以在日本、英國、美國的指定場所觀看超高清賽事直播與回放。8K超高清節目（3，300萬像素）在賽事現場實時拍攝，經過英國廣播公司（BBC）的工作室進行后處理，然后通過IP網絡進行全球分發與呈現。

2016年8月，日本放送協會（NHK）啟動了4K與8K的測試廣播服務，并在同年12月開始與廣播服務高度化推進協會（A-PAB）聯合運營，提供每日7小時的4K與8K且支持高動態范圍（HDR）的廣播服務。

2018年，國內廣播電視領域也開始推出4K超高清內容，中央廣播電視總臺與廣東衛視均已開播超高清視頻頻道。同時，相關企業與科研機構通過建立超高清視頻制作技術協同中心，實現技術和內容等環節的協作與創新。

2019年2月，工信部、國家廣電總局、中央廣播電視總臺聯合印發了《超高清視頻產業發展行動計劃（2019-2022年）》，提出加快行業創新應用的要求，其中涵蓋了廣播電視、文教娛樂、安防監控、醫療健康、智能交通、工業制造等領域。除已開通、運營超高清頻道的廣播電視行業外，其他領域也在積極探索超高清與行業應用的結合方式。

消費電子領域，主流手機產品均已支持4K尺寸視頻的拍攝，這對未來超高清視頻內容的生產和豐富將提供極大的助力。隨著互聯網和流媒體技術的發展，在線觀看網絡視頻已成為日常，超高清視頻能夠極大改善特定內容如風景、會展等場景的觀看體驗。

安防監控領域，超高清視頻內容在城市全景監控的應用中具有非常突出的優勢。同時，更加豐富的場景細節與更加清晰的視頻內容，與人工智能算法相結合，可有效提升人員辨識、物品識別與目標跟蹤的準確性。

醫療健康領域，超高清視頻技術將帶來更為豐富的診療手段。4K超高清影像系統可以幫助醫生精準發現病灶，也有助于在手術治療中盡可能地減小手術創傷。4K與5G傳輸技術相結合，能夠實現遠程健康管理與實時會診，基于超高清的解決方案能夠豐富影像細節，為醫療專家的分析判斷提供更為可靠的依據。4K與虛擬現實顯示技術相結合，能夠實現遠程探視與溝通，降低傳染病房、新生兒病房等特殊環境下的交叉感染風險。

智能交通領域，超高清影像為自動駕駛技術提供了更為充分的信息，能夠更加有效地實現車道偏離預警、交通標志識別、行人碰撞預警、全景泊車等。4K與增強現實技術相結合，可以實現全景感知、智能調度的可視化交通指揮系統。

工業制造領域，超高清視頻技術可以提供高速無損的工業視覺檢測方法，以提高產品檢測效率、減少人為干預。

2020年新春伊始，新冠肺炎疫情爆發，人員不能外出，居家隔離，學習、娛樂、了解外界信息最主要的手段就是通過視頻。在這種情況下，超高清視頻成為了諸多應用中的迫切需求與有益實踐。比如在線學習與教育，普通清晰度的視頻無法準確再現教師板書與講義的內容，需要超高清視頻實現良好的授課與互動。超高清視頻與低延遲的5G技術相結合，也為新冠肺炎的遠程專家會診提供了有效助力。火神山、雷神山醫院建設期間，施工現場的實時直播引起了廣泛關注，未來一些項目的實施過程中，也可以參考這種方式并使用超高清視頻技術手段，增強“云監工”的參與感與體驗感。

超高清視頻技術的應用，必須與行業需求緊密結合，利用清晰度、視覺體驗與信息量的優勢，構筑典型有效的應用范例。豐富的色彩與更高的動態范圍，為視頻內容的創作帶來更為廣闊的想象空間；更大的畫面尺寸，有助于改善廣角、全景等內容的展示與體驗；更加清晰、富有層次感的細節，為交互提供了如在眼前的現場感。隨著超高清視頻技術的持續迭代與超高清產品的不斷豐富，超高清的應用場景定會更加多樣、廣泛。在國家相關政策的催動下，國內的超高清產業步入快速發展階段，超高清視頻技術的應用也迎來更為廣闊的發展空間，已經能夠看到一些企業在超高清領域取得的成績，但是也要注意發展過程中的典型問題：超高清視頻不僅是尺寸上的擴展，分辨率僅僅是其一個基礎參數，還包括清晰度、色彩、色深等性能參數的全面提升，從而帶來數據處理、存儲、傳輸量的迅猛增長，同時，全新的應用場景探索剛剛開啟。超高清并不是一個簡單的分辨率達標的技術，而是一個全新的技術應用領域。因此，超高清檢測認證平臺的參與協作是保障超高清產業健康發展的重要支撐。超高清視頻的技術與產品也不能流于表面，只有深入挖掘行業的需求與痛點，牢牢把握超高清視頻技術的特長，才能更好地推動超高清視頻技術在各個行業的應用與發展，進而推動產業升級與社會進步。

3 結束語