4 K超高清应用现状及发展趋势

付 军

（作者单位：贵州广播电视台）

1 超高清4 K发展现状

当前，随着4 K技术不断完善，各国都把4 K电视发展纳入发展规划，详细规划制定了发展时间表、路线图。日本可以说是4 K视频鼻祖，其原计划2014发展智能电视，2016年发展4 K，到2020年发展8 K。但日本的4 K发展超乎人们想象，比原来规划提前两年实现，4 K在巴西里约世界杯的应用，提前四年实现，8 K在巴西里约热内卢奥运会和地面广播应用，且将在2020东京奥运会实现8K视频转播。欧洲广播电视联盟积极推动4 K电视发展，制定了比较详细的规划。如表1。

表1 欧洲广播电视联盟推动4 K电视发展规划表

我国也在积极推动4 K技术在广电领域的实际应用，部分有条件的广电和新媒体已在不同领域应用和规划搭建4 K视频系统，央视为下一代超高分辨率节目制作、播出，为制定行业技术标准，积极进行技术实践，投建了国内第一个4 K超高清制作系统，国内知名的媒体4 K花园、腾讯，在节目制作、体育直播平台大规模应用4 K视频技术。其次，江苏广电、湖南广电、浙江广电、上海SMG和山东广电等，分别集成不同架构的4 K转播车项目，在为基带转换IP级联探索积累经验，为全IP集成时代到来做好技术储备。

相较于4 K视频系统集成目前还无法互联互通，4 K视频采集端摄像机相对成熟。世界主流厂家主要有索尼、池上、GV、松下和佳能等，人们使用较多是索尼产品。镜头是摄像机最前端的部分，也是获取素材第一环节，镜头好坏直接影响画面还原度和影像质量。在世界广播电视镜头领域，佳能镜头备受好评。在箱式镜头领域富士占居较大市场份额，也是各传媒首选。业内最大倍率107倍箱式长焦镜头，适用于各种场景。世界最小、最轻量的富士4 K广播镜头2018全新上市，采用九片光圈叶片，产生自然唯美的虚化效果，颇具看点。

在显示终端方面，随着视频技术应用的快速发展，相关产业的升级换代，以京东方为代表的显示面板厂家，以海信、TCL为代表的电视机厂家，都在积极推动超高清终端进入家庭，拉动消费升级，对4 K推广具有积极影响，高清素材和影视剧的不断增多，必将推动4 K产业全面发展。

2 高动态范围HDR

4 K视频3 840×2 160分辨率，与高清相比分辨率显著提高，能将更清晰、更宽广的图像呈现给观众。在显示细节上更加得心应手，如在素尺寸不变、观看距离不变情况下，能使人看到更广、更清晰的内容，HDR高动态范围应用，进一步提高色域动态范围，HDR目标是把电视动态范围提高2个数量级达到与人眼瞳孔无调节时相当的程度。显示端OLED需显示纯黑、高亮度的动态范围（宽容度分辨率）也提高到1 000 000：1，量化（灰度分辨率）12 bit，帧速率（时间分辨率）提高到120/100 P。

目前，拍摄和显示技术均有了长足发展，电视行业需新的制作/传输技术标准提升系统动态范围，这个新技术标准就是HDR。它是建立一个比SDR更大的色彩/亮度坐标体系并改变系统的传输函数，以再现更大的色域和更高的亮度动态。国际电联2016年7月发布ITU-R BT.2100文件，建议HDR采用PQ（ST2084）和HLG作为播出格式。PQ（Perceptual Quantization）定义了EOTF（电光转换特性，监视器即电视机中，电信号转换为显示光亮度的特性）即精确匹配显示终端动态范围。HLG（Hybrid-Log Gamma）定义了OETF（光电转换特性，摄像机中被摄景物光亮度转换为电信号的特性）采用与现有标清/高清电视相同的相对亮度体系HLG的EOTF非线性特性是为兼容SDR设计的，再现相对亮度，是对传统电视体系的改进，扩展了高亮度景物再现能力。

索尼建议HDR中间母版格式S-Log3，S-Log3是索尼摄影机使用的OETF可利用成像器件的全部动态范围，与之对应用于显示的是S-Log3 EOTF，支持4 000%动态范围，S-Log3是用于制作HDR中间格式，不直接用于播出，播出时用转换器把S-Log3转换成PQ或HLG，转换后亮度不变。

3 IP化应用以及编码方式

在今后4 K转播车视频集成中，如还采用传统基带级联，3G四线级联将产生大量耗材，增加系统集成复杂程度，矩阵系统将变得巨大，线路繁杂。4 K视音频采用IP级联方式，与以往基带级联最大不同是，将众多连线用矩阵分配方式交由IP交换机来完成，网线、光纤解决问题更加简便，减少线材使用量，统一调控,系统集成度高，如图1。

图1 IP交换机工作流程图

采用通用的共享/双向IP架构，为共享/双向数据传输设计的IP架构用于专用/单向AV数据传输时须采用专门协议。目前10G以太网无法传输无压缩4 K视频，要传输4 K须引入压缩编码，ST 2022-6只规定了净切换（Clean Sw）原则，净切换是输出信号在切换前和切换后保持帧同步，画面无损。要实现IP净切换ST 2022-6的视频、音频、元数据混合打包，以保证接受端视频实现净切换，基于COTS以太网交换机PTP的时间同步（PTP适用于IP网络测量和控制系统的精确时钟同步的IEEE 1588 PTP协议）。有效解决IP化视音频流没有帧边界问题，实现净切换。10 G以太网带宽不能传输4 K/60 P基带信号，须采用压缩编码降低码率。ST 2022对4 K编码没有明确定义，在SMPTE支持者内对4 K编解码方案有不同选择，各厂商解决方案并不相同，不同技术方案设备在IP域无法实现互通互联。

应用IP级联可大大降低耗材使用，简化系统集成步骤，提高系统联通调度统一。但是，当前实际运用当中存在很多问题，各厂家各自为阵，协议端口不开放，编码方式不统一，不能互相读取协议层，使视频系统级联不能完全IP化，而厂家要单独为广电视音频系统级联开放开发，在封装环节搭建新构架，从利益分配考虑，谁都不愿意做出妥协，阻碍了IP化级联进程。从目前情况看，国内已知或在筹划的方案，都不能完全实现真正意义上IP集成。处于安全考虑，退而求其次选择基带和IP互为备份的方式集成，IP集成度也大大提高。4 K视频目前我国还没有出台统一的国家标准，广电总局倡导有条件省市先行先试，在目前状况下，最好的方案是，高清、4 K长期共同存在，以满足不同观众的选择。

未来4 K编码方案最大可能将优选选择大家普遍认可的SMPTE2110编码标准。这一标准具有大宽带、无阻碍、无压缩和单独路由的特点，由VSF TR-03发展而来，获得大多数厂商支持。FCD（Final Committee Draft）已投票通过，无压缩HD视频草案已获SMPTE通过，ST2110内容包括：ST2110-10系统定时、ST2110-20未压缩的活动视频、ST2110-21业务整形未压缩视频、ST2110-30未压缩PCM音频和ST2110-40辅助数据。目前还没有完全正真意义上的无压缩4 K,但各厂家和集成商都在积极优化在IP过渡期的替代方案，且技术每天都在更新，IP化可能比预想的时间大大缩短。ST 2110物理层/数据层传输要求对比如表2。

表2 ST 2110物理层/数据层传输要求对比表

4 4 K技术未来发展趋势

未来视音频系统级联，将会向全IP集成方向发展，各联盟、周边设备生产商、视音频厂家协商、数据链测试和协议端口开放，最终会形成各方都能接受的统一标准或互相兼容的格局，最终形成互联互通。但这一进程会经历相当长的时间，也有可能提前超预期，目前存在问题是各方还无法完全达成统一共识，随着谈判进程不断推进，最终将形成一个互相妥协利益共享的结果。同时各种替代方案、解决办法每天都在不断推陈出新，在IP化过渡期起替代作用，不影响超高清应用和发展。

未来所有集成设备调度、整合、数据分配都将由SDN数据控制，进行集中统一管理，有效解决了基带集成设备间各自为阵的局面，简化了工作程序，提高工作效率。同时，对从业者提出更高要求，特别是网络系统知识储备，SDN控制系统便于视音频集中管理，但也增加了系统调度分配难度和安全问题，一旦网络出现问题，又波及到备份系统，对节目安全直播、制作都构成相当大的挑战。所以，应对网络安全，提升系统安全防火墙迫在眉睫。传统的基带级联，端口连接安全可靠，IP化端口相较基带存在诸多隐患，转播系统常年在外奔波，势必造成网口级联松动，影响系统安全运行。对目前已有或正在考虑上马4 K系统或项目的媒体，提出了必须思考的课题。IP视音频级联没有足够成熟的范例，也没有在长期使用中积累的经验，目前也不能完全实现真正意义上的IP化，要完全实现IP化任重道远。而当前节目制作水平、观众审美不断提高，市场又有需求，所以各传媒都在积极制定、规划4 K视频方案。因此，在目前情况下，就应积极面对4 K视频系统搭建中存在的问题，优化方案，结合自身节目制作需求做出合理化布局，即考虑眼前需求又预留未来发展空间，IP末端链路预留，提高更换设备可操作性，这样不但可以满足节目制作的需求，又无后患之忧。IP化从根本上说只是改变了系统级联方式，并没有颠覆系统大的框架，人们不能为IP而IP，而忽略自身发展和需求，造成不必要的经济损失和资源浪费。

未来SDN控制系统，可以预见AI人工智慧、语音识别系统的介入，在提高系统集中统一管理的同时，还可加强PC自我学习与管理，人们不用再去调度或控制本来AI能做的事情，只用下指令告诉AI需做什么就可以。从目前AI发展情况来看，这是完全有可能实现的，只是传媒视音频系统搭平台忽略了AI发展，没有和自身需求有效结合，商家也没有这方面开发，市场、厂家、传媒没有形成共振，也就没有形成羊群效应。随着5G在全国试点全面铺开，未来大规模商业运用，将极大提高移动端传输速率，传输方式也将变得多元化，将更加快速便捷。随着墨子号的升空，量子通信已进入专线测试阶段，有关量子计算机、通信密钥也在积极推进，这将会是一项颠覆传统传输方式和计算革命，也是通信安全级别最高的项目，当前区块链处在风口浪尖，区块链除全世界都知道火爆的比特币概念以外，在诸多领域，区块链技术已蠢蠢欲动，这也是除现有网络以外独有的链态环境体系，传媒不可小看其作用。在搭建平台集成系统时，人们要考虑这些看似遥远又实实在在发生的新事物，进行超前谋划，为将来发展融合预留足够空间和拓展环境，尽可能将系统使用率提高，拉伸使用时间。

随着4 K技术不断革新，产品性价比逐步回归理性，周边设备优化升级，标准、编码、端口和协议等的统一，必将推动4 K视频技术全面发展。4 K视频不断涌现，必将带动相关产业升级换代，制造出人们能用得起、受欢迎的产品，从而推动4 K向产业化迈进，带动、拉动相关产业发展。