4K超高清工作流程需要的编码格式

孙奉明 松下电器广播电视系统营销公司

4K 是现在一个很热门的话题，4K 全产业链涉及的设计层面非常多，今天我重点介绍关于电视台新闻节目4K制作工艺流程中编码格式的一些考量。

1. 播出业界4K路线图

我们先来关注广播电视机构在 4K 方面的发展概况。以日本电视台4K的发展为例，日本4K的起步比较早，2014年就已经开始卫星、有线电视和IPTV的4K 超高清节目的试播。2016年，开展卫星4K和8K超高清节目的实验播出，进一步扩大了4K和8K的影响力。2018年平昌冬奥会期间正式播出4K和8K超高清节目，在平昌冬奥会期间的某些时段，NHK播出了8K的竞赛内容。日本的目标是在2020年东京奥运会进行4K还有部分8K的电视直播。目前4K在日本电视台很热，包括4K演播室的建设和4K的播出规划，都在为东京奥运会4K和8K超高清节目播出做准备。奥运会是广播电视一个很重要的展示平台，奥运会转播会应用先进技术，同时奥运会的转播活动也推动了新技术的加速普及，我们的切身感受就是在2008年北京奥运会的高清转播后，高清在全国迅速得到了普及。

国内超高清也正处于不断发展的阶段。已明晰的近期4K和8K的发展目标，就是在2022年北京冬奥会期间会进行4K及8K超高清HDR的电视转播。

虽然日本和韩国的 4K 起步比较早，并已开展了不少工作，但是我国4K超高清的发展也很快速。2017年，广东省为了拉动电子消费产业，已经开展4K超高清工作的试点，广东电视台2017年已开播4K超高清电视频道，这是对我国4K发展的一个极大推动。从产业链的角度，中央电视台在CCBN上也宣布了其4K超高清的建设规划，步子迈的也相当大，甚至超越了厂家对4K超高清发展进程的预测。因为在中央电视台4K超高清的规划中，要建设一个4K综合频道，新闻节目类型已经纳入总编室整体的规划中。 4K综合频道一定是包含新闻节目内容，所以从这点来说，中央电视台走在了世界的前列，因为至今还没有一家开播的4K电视台里有专门的4K新闻节目，最多也只是有一些新闻类型的专题片，中央电视台4K超高清的规划对厂家是一个非常大的推动。

图1 日本4K/8K广播的路线图

最近，中央电视台邀请大家共同探讨有关新闻流程的4K化，因为中央电视台时政新闻有中央领导人出镜的内容，所以要从政治方面来考量，我们看到现在中央电视台新闻联播里的画面宽高比依然是4∶3，所以不是完全由高清技术因素要求所定的。4K的新闻流程完全有别于数字电影、综艺、体育和专题片等类型的节目，因为新闻采访有一些特殊的要求。考虑到电视台新闻采访的特殊需要，结合4K高画质的需求，以及电视台向新媒体、网络化、云化发展的方向，松下也提出了一个提案。以下介绍松下对电视台新闻节目4K制作工艺流程的一些考量。

电视台ENG向超高清推进，要面向新闻报道 “高画质”及“网络”并重，以适合4K/8K时代的高画质技术及网络技术的实现。

国内超高清也正处于不断发展的阶段。已明晰的近期4K和8K的发展目标，就是在2022年北京冬奥会期间会进行4K及8K超高清HDR的电视转播。

虽然日本和韩国的 4K 起步比较早，并已开展了不少工作，但是我国4K超高清的发展也很快速。2017年，广东省为了拉动电子消费产业，已经开展4K超高清工作的试点，广东电视台2017年已开播4K超高清电视频道，这是对我国4K发展的一个极大推动。从产业链的角度，中央电视台在CCBN上也宣布了其4K超高清的建设规划，步子迈的也相当大，甚至超越了厂家对4K超高清发展进程的预测。因为在中央电视台4K超高清的规划中，要建设一个4K综合频道，新闻节目类型已经纳入总编室整体的规划中。 4K综合频道一定是包含新闻节目内容，所以从这点来说，中央电视台走在了世界的前列，因为至今还没有一家开播的4K电视台里有专门的4K新闻节目，最多也只是有一些新闻类型的专题片，中央电视台4K超高清的规划对厂家是一个非常大的推动。

最近，中央电视台邀请大家共同探讨有关新闻流程的4K化，因为中央电视台时政新闻有中央领导人出镜的内容，所以要从政治方面来考量，我们看到现在中央电视台新闻联播里的画面宽高比依然是4∶3，所以不是完全由高清技术因素要求所定的。4K的新闻流程完全有别于数字电影、综艺、体育和专题片等类型的节目，因为新闻采访有一些特殊的要求。考虑到电视台新闻采访的特殊需要，结合4K高画质的需求，以及电视台向新媒体、网络化、云化发展的方向，松下也提出了一个提案。以下介绍松下对电视台新闻节目4K制作工艺流程的一些考量。电视台ENG向超高清推进，要面向新闻报道 “高画质”及“网络”并重，以适合4K/8K时代的高画质技术及网络技术的实现。

图2 电视台新闻向高画质及网络并重推进

我们最近向中央电视台提供的新闻部门 4K 应用方案，在流程里充分考虑了电视台业务的一些需要，这对其他电视台4K业务的发展也有很好的借鉴作用。

4K 工作流程所追求的要素。一是时效性和信息收集力。新闻采访最重要的是要有很高的时效性，很强的信息采集能力，这就要求摄像机应具有良好的机动性并便于操作，同时要求摄像机所记录和传输的码流应尽量低，能够适配我们台内现有的网络环境，能够适配现有的无线网络传输，能够进行网络化和云化的处理。

二是高画质。4K 节目拍摄需要更高的画面质量，但新闻采访拍摄，没有专门的布光条件，所以要求4K摄像机的灵敏度要高，要有大的宽容度，能适应各种不同的应用的场合；在保证高画质的基础上采用高效率的图像压缩格式。

三是媒资的考量。在媒资的存储和云存储方面，采用低码率和高效率图像压缩，在保持高画质的同时，尽力压缩数据容量；考虑媒资内容长期保存的特性，在选择媒资格式时，应选择目前的主流格式，以保障今后技术的兼容和发展。

图3 4K工作流程所追求的要素

2. 4K压缩编码技术

以上提到的 4K 工作流程的三个要素都涉及到编码。其实数字化之前在进行模拟信号处理时，也要考虑降低信号带宽来降低信息量以达到更高的效率，例如RGB域向YPrPb域的转换。数字化后，图像压缩编码技术不断演进和发展，松下公司的图像压缩编码格式也历经了技术的不断演进和发展。

松下在数字化早期，推出了 DVCPRO 图像压缩编码系列，包括25M、50M和100M的码率。不同码率对应的图像质量有所差异，国际标准化组织根据主观评价和科学的研究，规定了适合高标清图像质量所需的码率，270Mbps标清大约应采用5∶1的压缩，所以无论是DVCPRO还是其他厂家的50M的图像压缩格式，都符合国际标准化组织的规定，在数字化进程中起到了非常重要的作用。到了高清以后，开始还是采用这种DV压缩格式，但码率成倍增加，因为高清与标清相比，水平和垂直分辨率都大约增加了一倍，所以高清的图像压缩码率从标清的50M提高到200M，随着新媒体和高清化的到来，在此背景下，松下开发了新的高效压缩编码格式AVC/H.264，由于压缩效率较之以前的DV格式提高一倍，在保证高清图像质量要求的基础上，码率也从 200M降低至到100M。松下的 AVC100 M压缩格式是一个中心点，如果采用4∶4∶4的记录，则要采用更高的200 M码率。

图4 松下公司图像压缩格式的进化

在 2012 年以后，为了适应电视台融合媒体网络化和无线传输技术的发展，松下推出AVC LongG压缩编码格式,把高清的100M码率分别降为50M、25M、12M，以适应台内的网络传输环境，同时，12 M码率也能适配无线传输环境。与高清相比，4K的水平和垂直分辨率都增加了一倍，也就是说4K/50P超高清的信息量是1080/50i高清的8倍。虽然松下现有的压缩编码格式AVC可以承载600M到800M的码率，但是对于4K新闻采访这样一个高码率,显然是完全承受不了的负担。

松下公司图像压缩格式的进化见图 4。

为了满足 4K 超高清新闻采访报道的实际需求，松下新开发的处理器采用了更优的H.265压缩编码。我们知道，降低4K码率需从两个方面来考虑，一是用更优的H.265压缩编码格式，二是采用帧间压缩的方式。松下采用H.265编码和LongG帧间压缩方式，从两个方面来降低4K的码率，实现了将现有100M码流的应用环境平移到4K的制作环境中。

采用 H.265 高效视频压缩格式，在维持高画质同时实现低比特率数据量，便于利用现有环境，实现更快的工作流程；同时，H.265编码符合压缩技术的发展趋势，可以保障今后技术的兼容和发展。

下一代的压缩技术及利用用途。从超高清技术发展来看，4K到8K必须采用新的压缩算法，下一代高效率压缩编码“HEVC/H.265”可以满足4K到8K超高清技术发展的要求。目前，H.265已经应用于很多网站和一些传输分发环节；一些名牌摄像机、照相机也应用了H.265编码技术，H.265已是一个非常成熟的技术。

图5 松下4K压缩编码提案

图6 下一代高效率压缩编码“HEVC/H.265”

H.265 与 H.264 的 关 键 技 术 相 比， 块 划 分 结构在 H.264 4×4、8×8、16×16的基础上增加了32×32、64×64，更细的块划分结构更有利于细节的处理；帧内预测由H.264的8种预测方向扩展到33种预测方向；H.264的帧间预测单元有6种分割模式，H.265的帧间预测单元增加到8种分割模式；与H.264比较，H.265的文件大小减少了一半，压缩效率是H.264的两倍。

HEVC/H.265 编码具有约 2 倍于 H.264 编码的效率，此外，采用压缩效率更好的4K HEVC LongG帧间压缩方式，与Intra相比，效率提升了4倍。所以虽然超高清比高清的信息量增加了8倍，但是我们通过H.264→H.265将效率提升2倍，Intra→LongG将效率提升4倍，两种方式带来的叠加8倍编码效率的提升，实现了在现有网络使用100M码流就可以进行4K超高清节目的制作。

图7 HEVC/H.265 与 MPEG-4 AVC/ H.264 性能比较

松下新的摄像机开发。为了同时保证4K 高分辨率与高动态范围HDR，大感光像素尺寸非常重要。4K比高清的像素数增加了四倍，所以如果4K摄像机感光器件尺寸还与高清摄像机相同，会使感光像素的面积变小，难以确保摄像机的动态范围。

松下新的摄像机开发。为了同时保证4K 高分辨率与高动态范围HDR，大感光像素尺寸非常重要。4K比高清的像素数增加了四倍，所以如果4K摄像机感光器件尺寸还与高清摄像机相同，会使感光像素的面积变小，难以确保摄像机的动态范围。

松下开发了大尺寸的 4K 摄像机感光器件。松下肩扛高清摄象机采用的是2/3英寸感光器件，我们最近开发的肩扛4K摄像机采用的是4/3英寸的感光器件，为对应B4镜头，采用光学放大实现大像素尺寸，更大尺寸的感光器件，可以积累更多的电荷，这样能够达到更大的动态范围。

松下手持 4K 摄像机也大大增加了感光器件的尺寸，从之前的1/3英寸变为采用新的1英寸镜头实现大像素尺寸,更好地改善了它的性能。

松下的感光元件路线图是以单板的大型感光器件为中心进行开发，将会以全新技术的OLED感光器件进行8K摄像机的产品线研发。

图8 松下 AVC Intra（帧内压缩）与 AVC LongG(帧间压缩 )编码性能比较

图9 摄像机感光器件尺寸对4K高精细画面的影响

表1 肩扛HD摄像机与4K摄像机感光器件尺寸比较

表2 手持HD摄像机与4K摄像机感光器件尺寸比较

图10 松下感光元件路线图

松下在存储介质方面的新进展。松下在 P2 卡的原有规格基础上，又开发了高速P2卡（ExpressP2卡），ExpressP2卡容量更大，可以达到512G，数据传输速率更快，Express P2卡数据读出速率可以达到10Gbps，上载10小时AVC LongG25 节目只需2分钟；使用 512 GB 卡记录 AVC-LongG25, 可记录 34 小时。ExpressP2卡专门用于4K超高清内容的记录，同时也兼容HD格式。松下还根据不同用途所需要的可靠性，准备了两种存储介质micro P2卡和SD card（对现有介质也会继续支持）。

图11 松下面对超高清的记录介质

经过多年实践，业已证明松下的 P2 卡、micro P2以及ExpressP2卡的高安全性和高可靠性。由于P2卡可以记录100M的码率，所以无论是高清还是4K，只要采用100M的码率，P2卡和ExpressP2卡可以互相通用，用户可根据经济性进行灵活的选择。

经过多年实践，业已证明松下的 P2 卡、micro P2以及ExpressP2卡的高安全性和高可靠性。由于P2卡可以记录100M的码率，所以无论是高清还是4K，只要采用100M的码率，P2卡和ExpressP2卡可以互相通用，用户可根据经济性进行灵活的选择。

松下 4K 超高清工作流程的效率见表 3。

松下建议的 4K 超高清码率有两种：50Mbps和100Mbps。4K超高清究竟选择100Mbps码率还是50Mbps码率，这与我们在高清时选择不同的码率一样，即根据业务的种类和实际的需要来进行不同码率的选择。如果选择100M码率， 松下512G的ExpressP2卡数据率可以达到10Gbps，数据读出可以达到73倍速，如果选择50M码率，数据读出可以达到146倍速，这对于高效率的4K超高清工作流程的建设是非常有利的。

3. 总结

以上介绍了电视台新闻 ENG 采集向 4K 推进的过程中，如何构建系统，如何选择码率，希望能够对电视台向4K方向的发展起到帮助。

图12 不同存储介质数据读出速率比较

表3 松下4K超高清工作流程效率

对以上内容做一个总结。一是松下 4K 采用与HD工作效率相当的高效压缩编码HEVC/H.265及采用帧间压缩方式，实现了与HD相当的100Mbps记录比特率；HEVC/H.265及QoS实现了外场严峻通信环境下高画质图像的传送。

二是开发了符合 8K 更高画质技术发展趋势的大感光器件，可保证最佳动态范围及可操作性。

三是存储介质方面新的发展，开发了高速 P2 卡（ExpressP2卡）以及高安全性与高效率并重的记录媒体－P2卡与MicroP2卡的灵活提案。

松下的ENG推进目标是面向新闻报道 “高画质”及“网络”并重，以适合4K/8K时代的高画质技术（感光器件/压缩编码）及网络技术的实现。