超高清视频技术应用探析

张家乐，邓文治

（中国软件评测中心，北京 100048）

0 引言

随着社会发展与技术进步，超高清视频技术与相关产品正在获得越来越广泛的关注和应用。国家也在大力发展超高清视频产业，超高清的概念逐渐深入人心，4K与8K的产品也已进入消费级市场。超高清视频内容能够为使用者带来极佳的视觉体验，也能够为生产制造环境提供更为精细、准确的监测检验手段，其重要支撑是超高清视频技术的持续迭代与发展。本文将对超高清视频的关键技术进行介绍和浅析，并对超高清视频的应用场景进行探索与分析。

1 关键技术及指标

目前，超高清视频每帧画面的尺寸要求达到4K（3840×2160）或8K（7680×4320）水平，同时，满足高帧率（最高至每秒120帧）、高位深（10比特或12比特）、广色域（WCG，Wide Color Gamut）、高动态范围（HDR，High Dynamic Range）等特性[1][2]。从产品链路上来看，超高清涵盖了视频采集与编辑、编解码、传输分发、显示呈现等环节。

视频采集设备是视频内容的生产者，超高清视频拍摄生成的内容需要满足尺寸、帧率等的要求，也要满足人眼观看的舒适性，尽量真实地还原拍摄场景。采集设备一般由镜头、图像传感器、图像信号处理器组成，为了实现更好的拍摄效果，镜头需要持续改善光学性能以提高成像水平，图像传感器需要在满足像素数量要求的同时抑制噪声，图像信号处理器则需要不断优化自动曝光、自动白平衡、自动对焦的能力。在消费电子及智慧医疗领域，镜头与传感器需要满足小型化的需要；而面向安防监控与智能交通领域，镜头与光圈的协作配合需要适应低光、强光环境，保障清晰成像的效果。

视频画面尺寸的提升，显著增加了每帧画面的数据量，同时，超高清视频丰富的画面信息也使得这种数据量的提升不是简单的数量提升而是数量级的递增。与高清视频（2K，1920×1080）相比，4K与8K视频每帧的数据量分别是其4倍和16倍；如果综合考虑每像素位深（以12比特为例）以及高帧率（每秒120帧）的要求，以4∶4∶4采样为例，8K视频的原始数据率可达到133 Gb/s，1 TB容量的硬盘只能存储约60秒的原始数据。因此，视频数据的编码压缩是存储与分发前十分重要的环节。目前，广泛使用的H.264视频编码对于大尺寸超高清视频的编码效率和编码质量难以满足实际需要，2013年由视频编码联合工作组发布的HEVC视频编码在宏块大小、预测算法、变换和滤波等方面进行了改进，能够更好地适应4K视频的编码压缩工作。国内具有自主知识产权的视频编码标准AVS2也已开始应用在广播电视行业的超高清频道中，其场景视频编码能够比HEVC节省40%左右的码率[3]。全球首个面向8K以及5G产业应用的视频编码标准AVS3是AVS工作组制定的第三代音视频编解码技术标准，已于2019年3月完成基准档次的制定工作，参考软件的测试数据显示：AVS3基准档次的性能比上一代标准AVS2提升了约30%[4]。联合视频专家组（JVET，Joint Video Experts Team）提出的新一代视频编码标准VVC也已发布了第九版草案，其目标也是为了适应具有高位深、广色域、高动态范围特征的4K与8K超高清视频[5]。

通过以上编码技术的改进提升了编码效率，但是并不能完全抵消超高清视频数据量增长所带来的传输、分发、存贮环节的压力，相关环节依然会面临巨大的挑战。专用网络可以通过硬件设施改造升级来满足带宽需求，通信网络包括骨干网、城域网、驻地网则需要大规模新建或改造，如搭建5G网络、延伸光纤网络向终端推进，以改善传输带宽与延迟。同时，还需要软硬件协同优化，如研发高效的流媒体传输算法来改善大数据量带来的网络拥塞等。

超高清视频内容的呈现，最终决定了观众的视觉体验。超高清视频在亮度、对比度、色域、帧率等方面，对显示技术提出了新的要求。除了显示面板的尺寸、色彩外，对于高动态范围的支持，也是影响观看体验的一个十分重要的方面。虚拟现实（VR，Virtual Reality）、增强现实（AR，Augmented Reality）、裸眼3D等技术也会激发更为广阔的应用场景。

2 应用探析

2012年伦敦奥运会，是超高清视频技术应用的早期案例之一，公众可以在日本、英国、美国的指定场所观看超高清赛事直播与回放。8K超高清节目（3，300万像素）在赛事现场实时拍摄，经过英国广播公司（BBC）的工作室进行后处理，然后通过IP网络进行全球分发与呈现。

2016年8月，日本放送协会（NHK）启动了4K与8K的测试广播服务，并在同年12月开始与广播服务高度化推进协会（A-PAB）联合运营，提供每日7小时的4K与8K且支持高动态范围（HDR）的广播服务。

2018年，国内广播电视领域也开始推出4K超高清内容，中央广播电视总台与广东卫视均已开播超高清视频频道。同时，相关企业与科研机构通过建立超高清视频制作技术协同中心，实现技术和内容等环节的协作与创新。

2019年2月，工信部、国家广电总局、中央广播电视总台联合印发了《超高清视频产业发展行动计划（2019-2022年）》，提出加快行业创新应用的要求，其中涵盖了广播电视、文教娱乐、安防监控、医疗健康、智能交通、工业制造等领域。除已开通、运营超高清频道的广播电视行业外，其他领域也在积极探索超高清与行业应用的结合方式。

消费电子领域，主流手机产品均已支持4K尺寸视频的拍摄，这对未来超高清视频内容的生产和丰富将提供极大的助力。随着互联网和流媒体技术的发展，在线观看网络视频已成为日常，超高清视频能够极大改善特定内容如风景、会展等场景的观看体验。

安防监控领域，超高清视频内容在城市全景监控的应用中具有非常突出的优势。同时，更加丰富的场景细节与更加清晰的视频内容，与人工智能算法相结合，可有效提升人员辨识、物品识别与目标跟踪的准确性。

医疗健康领域，超高清视频技术将带来更为丰富的诊疗手段。4K超高清影像系统可以帮助医生精准发现病灶，也有助于在手术治疗中尽可能地减小手术创伤。4K与5G传输技术相结合，能够实现远程健康管理与实时会诊，基于超高清的解决方案能够丰富影像细节，为医疗专家的分析判断提供更为可靠的依据。4K与虚拟现实显示技术相结合，能够实现远程探视与沟通，降低传染病房、新生儿病房等特殊环境下的交叉感染风险。

智能交通领域，超高清影像为自动驾驶技术提供了更为充分的信息，能够更加有效地实现车道偏离预警、交通标志识别、行人碰撞预警、全景泊车等。4K与增强现实技术相结合，可以实现全景感知、智能调度的可视化交通指挥系统。

工业制造领域，超高清视频技术可以提供高速无损的工业视觉检测方法，以提高产品检测效率、减少人为干预。

2020年新春伊始，新冠肺炎疫情爆发，人员不能外出，居家隔离，学习、娱乐、了解外界信息最主要的手段就是通过视频。在这种情况下，超高清视频成为了诸多应用中的迫切需求与有益实践。比如在线学习与教育，普通清晰度的视频无法准确再现教师板书与讲义的内容，需要超高清视频实现良好的授课与互动。超高清视频与低延迟的5G技术相结合，也为新冠肺炎的远程专家会诊提供了有效助力。火神山、雷神山医院建设期间，施工现场的实时直播引起了广泛关注，未来一些项目的实施过程中，也可以参考这种方式并使用超高清视频技术手段，增强“云监工”的参与感与体验感。

超高清视频技术的应用，必须与行业需求紧密结合，利用清晰度、视觉体验与信息量的优势，构筑典型有效的应用范例。丰富的色彩与更高的动态范围，为视频内容的创作带来更为广阔的想象空间；更大的画面尺寸，有助于改善广角、全景等内容的展示与体验；更加清晰、富有层次感的细节，为交互提供了如在眼前的现场感。随着超高清视频技术的持续迭代与超高清产品的不断丰富，超高清的应用场景定会更加多样、广泛。在国家相关政策的催动下，国内的超高清产业步入快速发展阶段，超高清视频技术的应用也迎来更为广阔的发展空间，已经能够看到一些企业在超高清领域取得的成绩，但是也要注意发展过程中的典型问题：超高清视频不仅是尺寸上的扩展，分辨率仅仅是其一个基础参数，还包括清晰度、色彩、色深等性能参数的全面提升，从而带来数据处理、存储、传输量的迅猛增长，同时，全新的应用场景探索刚刚开启。超高清并不是一个简单的分辨率达标的技术，而是一个全新的技术应用领域。因此，超高清检测认证平台的参与协作是保障超高清产业健康发展的重要支撑。超高清视频的技术与产品也不能流于表面，只有深入挖掘行业的需求与痛点，牢牢把握超高清视频技术的特长，才能更好地推动超高清视频技术在各个行业的应用与发展，进而推动产业升级与社会进步。

3 结束语