4K技术漫谈

郭晋麟

（山西广电信息网络（集团）有限责任公司，太原　030000）

1　4K简介

4K是一个分辨率的范畴。图像的大小可以用像素分辨率来表示，例如高清电视机、高清显示器以及蓝光通常具备1920×1080的分辨率。1920×1080 这组数据表示的是该图像由水平方向每行1920个像素以及垂直方向每列1080个像素组成的。为了表述简便、方便交流，业界也常常以图像水平方向上的像素值来表示图片的大小，并且一般情况下会用“K”来描述像素值，其中1K相当于1024个像素，nK就是指图像的水平方向每行像素值达到或者接近1024的n 倍。以此为标准，4K图像就是指水平方向每行像素值达到或者接近1024的4倍，即4096个图像。

如今常见的4K分辨率有4096×2160和3840×2160 两种。国际电信联盟定义了UHDTV标准（Ult r a High Definition Television，超清电视）和FHDTV 标准（Full High Definition Television，全高清电视），采用3840×2160分辨率的电视或显示器也叫做UHDTV标准产品。与1920×1080分辨率的FHDTV相比，UHDTV的分辨率刚好是FHDTV的四倍，在屏幕尺寸相同的情况下可以显示更加精细的图像，而且由于宽高比同样是16∶9，UHDTV标准产品也能很好地兼容FHDTV的图像，更容易被用户接受。故3840×2160的4K分辨率也是广电行业超清电视节目的主要标准。

2　4K技术特点

2.1　4K认证标准

在今年CES上，UltraHD Premium认证首次进入人们的视野，支持Ult raHD Premium认证的不仅仅是电视厂商，更有好莱坞级别的电影制作公司，以及制定标准的杜比、DTS等技术公司，还有DIRECTTV、Netf lix这样的内容运营商。因此不能认为Ult raHD Premium仅仅是一个认证，它更代表了一个4K时代下的内容产业链，集合多家内容产业链上的生产者组成的联盟。严格意义上来说，UltraHD Premium并不能算作一个标准，但它为了规范4K生态链，却有着不可忽视的重要意义。

UltraHD Premium主要为显示器、电视等设备提供认证，认证的技术标准如下：

⊙ 分辨率：3840×2160像素。

⊙ 色深 ：10bit。

⊙ 信号输入：支持BT.2020。

⊙ 色域：大于90% DCI-P3（广色域标准）色彩空间。

⊙ HDR：支持SMPTE ST 2084 EOTF的高动态范围影像光电转换。

⊙ 亮度动态范围：亮度1000nits（尼特，亮度单位）以上/黑位低于0.05nits（主要针对LCD）；亮度540nits以上/黑位低于0.0005nits（主要针对OLED）。

2.2　HDR

HDR全称是High-Dynamic Range，高动态范围图像技术。这项技术其实很早以前就应用在了摄影领域中，人们在拍照过程中会发现这一功能：开启HDR，开启后拍摄昏暗场景时会较之前更为明亮、通透，而现在这项技术已经应用于家用电视领域。

传统电视所能展现的亮度范围极为有限，与人眼所能感知的亮度范围相差甚远。究其原因，传统电视在画面显示中，明亮处不亮，而昏暗处又暗不下去，最终则导致人眼感知到的电视画面层次感差，大量细节丢失，HDR超画质显示技术就是为解决这一问题应运而生的。HDR技术对电视画面带来的提升非常直观，即便是普通用户也能通过肉眼分辨出来。

搭载HDR技术的家庭电视能够拓展亮度的动态表现范围，通过提高明亮画面的亮度，控制昏暗画面的亮度，由此来强化明暗画面之间的对比度，展示出与人眼所能获取到的动态范围及其接近的画面，从而带来更加逼真、出色的画质感受。

2.3　BT.2020色彩空间

BT.2020色彩空间已被ITU（国际电信联盟组织）定位为4K/8K时代的一个图像信号色域标准，同时也是4K Ult raHD蓝光的标准之一。普通蓝光标准使用的是BT.709色彩空间，它仅覆盖了BT.2020色彩空间的35.9%，而后者是目前显示设备中最大的色彩空间，其覆盖了CIE 1931色彩空间（国际照明委员会定义的一系列色度学标准，是一种理论上的理想色彩空间）的75.8%，可以显示更多的色彩，令画面表现更加生动。

2.4　视频接口

目前可以输出4K分辨率的接口只有HDMI和DP（Display-Port），其中HDMI接口想要输出4K分辨率，就必须使用支持HDMI 1.4或更高标准的产品；DP接口需要输出4K分辨率的话要支持DP 1.2标准。各类接口的具体参数如下：

⊙ HDMI 1.4接口：数据带宽10.2Gb/s，支持4096×2160@24Hz、3840×2160@30Hz。

⊙ HDMI 2.0 接口：数据带宽18Gb/s，支持4096×2160@60Hz、3840×2160@60Hz。

⊙ DP 1.2接口：数据带宽21.6Gb/s，支持4096×2160@60Hz、3840×2160@60Hz。

3　4K业务应用

3.1　市场前景

目前，4K产业链上各个环节的技术均已趋于成熟，完成了从研发走向商用的进程。同时，越来越低廉、亲民化的使用成本让更多的用户都能够体验4K，进而促进4K整条产业链进入良性发展的循环中。而当下4K产业链遇到的挑战，已经不再是为了突破某项技术，达到某项标准，而是如何将整条产业链紧密地相互联结，它比片源、传输及存储等这些曾被我们认为是巨大挑战的问题更难，因为对于它来说最重要的是4K产业链上各个环节的一致配合，而不是仅靠一部分人的单方面努力就能够达到的。

不可否认，4K在市场中的发展遇到的片源、传输及存储问题等是不得不面对的巨大挑战。但是4K这条产业链上的公司乐于接受挑战并且正在逐步解决这些问题，让这些问题慢慢变得不再那么尖锐，整条超高清产品链正在被一股向上的力量牵引。这肯定了4K行业发展的一个健康态势。

3.2　广电的4K

4K技术已成为广电行业未来的重要发展方向，2014年韩国开通了全球第一个4K超高清频道，日本也于同年开始试播4K超高清节目。而放眼国内，为了满足众多用户对高清影视日益增长的需求，大连开播了全国首家4K超高清频道，并且北京、四川、深圳、广东、湖南、重庆等地也于其后相继推出了高清互动电视4K体验专区的服务。为了给用户呈现出最完美的4K超高清画面，广电4K体验专区的片源均采用了15到20兆的高码率，保证4K高清画面每一帧的品质，做到纤毫毕现。

4K体验专区的推出对于广电网络的用户而言，不用去影院，只需坐在家里，动一动遥控器，就可以随时随地点播各种高清大片。省去了舟车劳顿、排队等候等繁杂事宜，用户在家就能享受到与影院相媲美的音效和画质。

值得一提的是，看广电的4K影片不需要专门更换或升级高清机顶盒，用户可以通过原来的高清机顶盒直接点播广电超高清4K大片。而为了让每个用户在观看时，能够享受到最佳的观看效果，广电利用自身有线电视网络的优势，专门为4K高清体验专区配备了专享的独立带宽，保证用户在观看时不会出现卡顿、黑屏、声音不连续等现象。

2017年末，在广东电视中心举行广东4K超高清电视试验播出活动，我国首个4K电视频道——广东影视（4K超高清）频道正式试播，完成了我国首个4K电视频道的开播。

最后关于4K行业最为诟病的片源问题，广电4K体验专区的片源非常丰富，目前已拥有近百部影片，并且还在持续更新。这得益于广电多年来积累的与众多视频行业上游制作厂商的良好合作，为4K 在广电的发展铺平了道路。

4　广电4K发展前景

4.1　4K发展面临的问题

4.1.14K节目源

时至今日，用户购入4K超高清分辨率电视机的成本越来越低，但是当用户将电视购入后，会发现目前大部分的高清电视信号和网络流媒体内容都是以1080p为主的，而4K技术拥有的额外像素还无法完全发挥作用。

放眼国际，Netf lix（美国一家内容运营商）虽然已经推出了在线的4K超高清流媒体内容，但是目前的内容种类非常有限。另外，三星与M-Go（美国一家内容运营商）建立了合作关系，并同时宣布将在韩国本土独家提供超过70个超高清的节目源。不过大部分的流媒体服务提供商都承认，目前绝大多数的4K节目都是从高清信号转制而来。

就在Netf lix推出在线的4K超高清流媒体服务8个月之后，其在本土主要的竞争对手亚马逊也推出了自己的4K流媒体服务。而这一次，亚马逊则从索尼和英国广播公司等内容提供商获得了节目原始信号，转制成4K超高清信号提供给用户观看。

4.1.2高带宽承载

目前全世界4K内容普及的另一大难点就是对带宽的要求。目前4K流媒体内容需要的带宽是原来高清信号的4倍，因此除了要满足4K电视这种硬件要求外，用户还需要有充足的带宽来支持4K节目超高的码率。比如上文提到的Netf lix和M-Go运营的H.265编码节目就需要至少15Mbps的带宽要求，目前这个标准对于大部分用户来说仍比较困难，而且还只是最低标准。

在解决用户带宽不够的问题之前，使用蓝光载体来观看4K节目是一个不错的体验。未来4K蓝光协会能否为用户带来真正的4K标准蓝光光盘，也是业界非常关注的方面。

4.2　广电4K未来的发展前景

近年来，尽管4K技术已逐渐变得主流，但是运营商除了要解决带宽的瓶颈之外，还有许多技术障碍仍待解决。例如DirecTV为了给4K铺平道路，于2014年12月发送了专用卫星，可以提供4K超高清内容给美国和波多黎各的用户。另外各大体育赛事的现场直播也成为4K发挥作用的重要领域。2014年世界杯期间BBC已经尝试了采用超高清信号的直播方式。但信号传输的比特率是最大的技术壁垒，4K的UHD信号至少需要36Mb/s的带宽容量，并且现有资源的更新也是一个世界级的难题。

4K卫星传输技术可以达到64Mb/s的传输速度，可以稳定的向用户推送4K电视节目内容。一部4K电影片源的容量大约在110～140GB之间，目前中国国内各大网络运营商提供的带宽还不足以应对4K电视节目传输的需求。而最新的4K卫星传输解决方案提供的传输速度，让4K电视节目传输在技术上已经不存在问题。同时技术专家还表示：“卫星高速传输数据采用一点对多点的广播式数据传输方式，传输速度不受用户数量的影响，因此用户越多，单个用户传输成本就越低，用户达到一定数量，传输成本几乎可以忽略不计。”这些技术特性将为4K电视信号在市场上商业化的运营提供完善的支撑。

在地面上的数字电视节传方面，国内有线电视网络拥有1G的频谱带宽，经调制后理论值最多可达256G的超高带宽，并且广电直播的共享传输方式，在保证高码流节目正常传送的同时，能够最大程度的节省带宽资源，为4K超高清电视节目提供了行业内最佳的地面节传承载网络。同时从国外的商用及试验情况来看，4K节目在有线电视网络中的传输既可以在DVB双向网络中进行，也可以在FTTH（光纤到户）的网络内进行，长远看来这两种方式可以长短互补，实现更多的用户量覆盖。所以目前国内现有的有线电视网络是提供4K超高清电视服务的最佳选择。

2016-2018年我们正式进入4K时代，用户将不会看到往年只有4K硬件而没有4K资源的这种尴尬情况。虽然在技术上仍存在不少瓶颈待广电行业的专家们解决，不过我们相信，既然有2006年蓝光元年的那种发展态势，4K技术未来在中国的发展也不存在什么问题。终有一天，4K这项技术会完全走进百姓家中，就像我们现在看高清1080p电影或电视一样简单而普遍。■

[1]曹煜.浅谈4K技术的发展和应用[J].工程技术：引文版，2016（6）：00015-00015.

[2]胡波，陈楠.浅谈4K技术的发展及应用[J].数字传媒研究，2015，32（6）：76-77.

[3]程玮.浅析4K技术的集成应用[J].中国安防，2015（8）：53-55.

[4]范宇航.创造魅力影像时空——浅谈4K技术的电视实践应用[J].现代电视技术，2014（11）：66-69.