超高清視頻在廣播電視領域的應用

楊長慶

（濱州市新聞傳媒中心，山東 濱州 256600）

0 引言

數字媒體時代，超高清視頻技術成為廣播電視領域的一項革命性創新。本文重點關注其在廣播電視領域的多個應用，如百城千屏、超高清電視、高動態范圍（High Dynamic Range，HDR）影院、全景視頻以及自由視角等。這些應用正在塑造觀眾的娛樂體驗，提供更高質量、互動性和個性化的內容。

1 超高清視頻發展概述

1.1 超高清視頻的概念

超高清視頻（Ultra High Definition，UHD）通常包括4K（3 840×2 160）和8K（7 680×4 320）兩種主要分辨率標準，是符合高幀率、高位深、廣色域、高動態范圍等要求的新一代視頻技術。與傳統視頻相比，超高清視頻的圖像細節更精細和清晰，能夠承載更多的信息，在廣播、電影制作、電視、游戲和虛擬現實等領域得到廣泛應用[1]。

1.2 超高清視頻產業的關鍵技術

超高清視頻產業的發展離不開高動態范圍、編解碼、先進計算、三維聲、超分技術、數字版權管理、視頻云等關鍵技術的支持。高動態范圍技術支持視頻以更高的亮度和廣泛的顏色范圍呈現，提供更真實和生動的畫質。高動態范圍主要標準包括Dolby Vision、HDR10、HLG 及HDR Vivid 等。 編解碼技術在視頻傳輸和存儲中起著關鍵作用，確保高分辨率內容能夠有效傳輸并節省帶寬。編解碼格式有XAVC、ProRes、JPEG-XS、H.265/HEVC、中國AVS 標準（AVS、AVS2、AVS3）、VVC 及EVC 等。先進計算和圖像處理技術是超高清視頻的關鍵支持，包括圖像增強、降噪和超分辨技術，能夠改善圖像質量。三維聲技術提供立體聲音效，提升觀眾的聽覺體驗。三維聲技術的主流標準及解決方案包括Dolby Atmos、臨境音DTS：X、Auro 3D、MPEG-H以及三維菁彩聲等。基于深度學習的超分技術具備將低分辨率圖像放大為高分辨率圖像的能力，實現圖像超分、視頻超分及圖像去噪等功能。數字版權管理（Digital Right Management，DRM）技術用于保護內容的知識產權和管理數字內容的分發，負責內容版權所有者的合法權益保護。當前主要的DRM 技術方案有PlayReady、FairPlay、Widevine及ChinaDRM 等。當前，視頻內容云上生產制作成為重要趨勢，視頻云在虛擬現實（Virtual Reality，VR）內容制作、數字孿生、數字人及元宇宙等領域的應用持續深化[2]。

1.3 超高清標準發展歷程

2012 年，國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）定義了基于超高清視頻的超高清電視標準。2019 年，美國消費電子協會與8K協會先后制定8K 電視基本性能認定標準。2021 年，中央廣播電視總臺相繼發布《中央廣播電視總臺8K超高清電視節目制播技術要求》和《8K 超高清大屏幕系統視音頻技術要求》。2023 年，《高動態范圍（HDR）視頻技術第3-6 部分：技術要求和測試方法播放軟件用設備》《超高清電視變頻顯示系統技術規范》《超高清顯示終端光纖接口技術規范》三項聯盟標準制定并發布[3]。

1.4 超高清產業發展情況

超高清視頻產業鏈包括內容采集、內容制作、傳輸及分發、終端呈現以及內容供給等環節。內容采集環節包括攝像機、監視器及切換臺等設備。國內企業自主研發的8K 超高清攝像機已應用于冬奧會直播活動，索尼、松下和夏普等公司都已推出了8K 監視器產品，8K 廣播級導播臺處于研發階段。內容制作環節包括虛擬演播室、編解碼器、5G背包、編輯系統、調色系統及制播系統等。虛擬演播室在國內外廣泛使用，被應用于晚會、音樂會及新聞節目制作等領域。編解碼器方面，4K 編解碼產品主要體現在AVS2、H.265/HEVC 等標準支持，8K 編解碼產品已經應用于冬奧會、8K 頻道等領域。5G 超高清背包在超高清現場直播、遠程制作、現場信號回傳等的應用已十分成熟，已應用于冬奧會、全運會、建黨一百周年慶典等直播與轉播活動。編輯系統方面，主流視頻編輯制作系統基本支持超高清視頻的編輯制作。調色系統方面主要有Topaz Adjust AI 和達芬奇軟件。制播系統向網絡全IP 化制播發展。在傳輸及分發方面，定制化的5G 技術逐步應用于不同超高清視頻場景，千兆光網使能超高清優質體驗。終端呈現方面，彩電、虛擬現實、手機以及商用顯示器等發展迅速，產品供給不斷豐富。專業生產內容方面，超高清專區相繼落戶交互式網絡電視（Internet Protocol Television，IPTV），并拓展在重大賽事、活動直播、轉播及紀錄片制作等領域的應用；用戶原創內容方面，中、短視頻逐步支持超高清，不斷豐富超高清內容[4]。

2 超高清視頻在廣播電視領域的應用

2.1 基于超高清視頻的百城千屏

工業和信息化部聯合六部委開展“百城千屏”超高清視頻落地推廣活動，旨在實現高品質、高清晰度的視頻內容傳播和展示。涵蓋了多個城市、數以千計的屏幕，將廣播電視媒體帶入一個新的時代。這項創舉將城市空間變為一個龐大的信息傳遞平臺，從商業廣告到文化活動、新聞報道、體育賽事等各種內容，都可以通過超高清視頻展示在不同城市的多個屏幕上。百城千屏活動拓展了超高清音視頻的應用場景，在廣播電視領域的應用實踐已取得顯著成果，如春節聯歡晚會、北京冬奧會、中秋晚會、卡塔爾世界杯等直播與轉播活動在戶外大屏開展。各省市積極響應百城千屏戰略，如北京開展“8K 真‘京’彩，百屏‘靚’冬奧”活動，四川省成立具備轉播8K 節目的省級“百城千屏”聯播網，福建省構建“省級播控中心+省級聯播平臺+大屏聯播網”全省戶外大屏聯播聯控[5]。

2.2 基于超高清視頻的超高清電視

基于超高清視頻的超高清電視提供出色的圖像質量，以4K（3 840×2 160）和8K（7 680×4 320）兩種分辨率標準呈現，賦予觀眾更為清晰、生動、逼真的圖像體驗，細節表現更出色，色彩更豐富。超高清電視通過更大的屏幕、更高的像素密度以及高動態范圍技術，提供視聽盛宴，尤其適用于電影、體育賽事和游戲等領域。基于超高清視頻的超高清電視還支持更多音頻頻道和立體聲效果，提供沉浸式的音響體驗。

超高清電視已經成為廣播電視行業的主要趨勢，各大電視制造商紛紛推出4K 和8K 電視機型，內容提供商也積極制作和傳播超高清節目。以廣東廣播電視臺4K 超高清電視制作全流程系統為例，其率先構建完整的4K 超高清節目制作生產鏈，包括4K 演播/轉播系統、4K 后期制作網系統，充分運用50 幀率、高動態范圍等技術，實現4K 超高清電視節目的全流程超高清制播[6]。

2.3 基于超高清視頻的沉浸式HDR 影院

基于超高清視頻的沉浸式HDR 影院代表了電影觀賞體驗的巨大飛躍。在這種影院中，高品質的超高清視頻技術與HDR 音效相結合，為觀眾創造了極富沉浸感的電影體驗。HDR 技術提供更廣泛的亮度范圍和顏色深度，使畫質更為逼真，配合8K分辨率的超高清視頻，呈現出細節、色彩和對比度的卓越表現。HDR 影院環境通常包括大屏幕投影、先進的音響系統和座椅震動效果，使觀眾感受到更多層次的影音沖擊。三維音效技術使聲音從不同方向傳達給觀眾，增強了聽覺體驗。超高清HDR 影院不僅改善了電影的視覺和聽覺質量，還推動了電影制作和后期制作領域的創新。以杜比實驗室杜比端到端的音視頻解決方案為例，其以杜比視界HDR 影像技術和杜比全景聲沉浸式音頻技術為基礎，HDR影像技術被廣泛應用于電影、劇集制作和發行，通過杜比影院，為觀眾帶來更大的動態范圍、更廣的色域、更高的精確度的超高清、沉浸式的影院體驗。

2.4 基于超高清視頻的全景視頻

基于超高清視頻的全景視頻將觀眾帶入虛擬現實世界或創造出360°全景環境，為觀眾提供身臨其境的體驗。這種技術通過拍攝、傳輸和播放高分辨率的視頻，在虛擬現實頭戴式顯示設備中呈現，使觀眾感覺自己置身于視頻內容的中心。全景視頻通常包括多個攝像頭或攝像頭陣列，可以捕捉全方位的景象。觀眾通過頭戴式設備如VR 頭盔，通過移動頭部來改變視角，仿佛置身于實際拍攝場景。超高清視頻的應用進一步提高了全景視頻的質量，使細節更加生動，色彩更加鮮艷，已經在電影、游戲、虛擬旅游和培訓等領域嶄露頭角。2019 年，央視新聞攜手移動咪咕開展首次4K 超高清全景閱兵直播，全程保持50 f·s-1的高幀率，通過寬色域、高色深和三維全景聲技術帶給觀眾多角度、沉浸式、超高清觀看體驗。

2.5 基于超高清視頻的自由視角與多機位視角

基于超高清視頻的自由視角與多機位視角賦予觀眾更大的互動和控制權，以在觀看視頻內容時選擇不同的視角和攝像機位置，采用多個攝像機角度拍攝同一場景，通過超高清視頻傳輸，讓觀眾在觀看時自由切換視角，從而獲得個性化的觀看體驗。這項技術不僅適用于體育賽事，也可以在音樂會、演唱會、電影和虛擬現實應用中實現。觀眾可以自行選擇觀看足球比賽中的不同場景、音樂會中的不同樂隊成員或電影中的不同角色。這種互動性提供了更豐富的娛樂體驗，也為內容制作者提供了更多創作空間。使用超高清視頻技術，觀眾可以欣賞細節豐富的畫質，保持清晰度，即使在多次切換視角時也能獲得最佳效果。以2023 年第31 屆世界大學生夏季運動會為例，在組委會、中央廣播電視總臺和中國電信多方協力配合下，將5G+VR、5G+8K、自由視角等前沿技術用于大運會賽事轉播實踐。

3 結語

基于超高清視頻的廣播電視應用持續創新，重新定義了視聽體驗，為觀眾提供更高質量的圖像、更豐富的聲音和更多互動性，推動了廣播電視行業的發展。未來，隨著技術的不斷演進，期待更多令人興奮的應用和可能性，進一步推動廣播電視向前發展，為觀眾帶來更多精彩的內容和體驗。