4K 超高清影院直播技术探析

籍雪炜 陈 凡 倪怀远

（中影巴可（北京）电子有限公司，北京 100088）

2019年10月1日，《此时此刻——共庆新中国70华诞》国庆阅兵与群众游行庆典的4K 超高清70家影院直播活动是电视直播与电影院线的首次合作，是将新闻的时效性与电影高质量影音艺术性的完美融合，打通了大事件在影院影厅平台播出的通路。在北京、上海、广州、深圳等13座城市，70家影院的12000多名观众观看气势磅礴的4K 超高清庆典直播，之后以粤语版在粤港澳大湾区80家影院开展了放映活动。那么4 K 超高清影院直播给我们带来什么？直播又应用了哪些技术？如何提升影院直播视听效果？本文将逐一探讨这些业界同仁所关注的问题。

1 4K 超高清影院直播的益处

1.1 超高清直播给观众的感受

(1)超高清晰度

4K 超高清UHD (3840×2160)比高清HD(1920×1080)或标清(720×576)更清晰，给观众呈现出质感更细腻的画面，更清晰锐利的画面感觉，可看到更多细节。

(2)现场感强

5.1声道现场声音，还原逼真影音，丰富的色彩营造身临其境、置身其中的感觉。

(3)感染力强

观众共同观影的氛围，相互交流，共同感受现场氛围，是在家观看电视无法达到的感受。

(4)更丰富的体验，更具新鲜感

视频直播的时效性与大信息量让观众好奇的眼光应接不暇。

(5)直播或录播

使不同地理位置的观众能够更容易地同时享受到同样质量的节目，可以体验到高新技术格式 (高帧率HFR、广色域WCG)电视节目在大银幕的震撼效果。

(6)现场观众反响较好

现场观众纷纷表示，坐在影院大银幕前，通过电影的视听效果观看国庆盛典直播，体验到无与伦比的震撼和感动，这是人生中一次难忘的经历。

在直播活动的背后，有许多技术人员加班加点做设备安装调试和技术保障工作，为祖国奉献出他们的一份力量。整个直播过程历时3小时，信号稳定，影像、声音清晰流畅，色彩鲜艳饱满，是以往类似活动所难以达到的效果。这正是该场活动的魅力所在。

1.2 超高清直播给影院带来新生机

(1)媒体融合丰富内容

随着电视与电影通路的打通，今后会有更多高质量(高格式)的精彩节目为影院带来更多灵活经营的选项，从而使影院的额外收益随之增加。

(2)发挥放映设备潜能

可以充分利用放映机的现有功能，通过放映机HDMI 2.0输 入4K HDR Rec.2020 和HFR 格 式，获得更清晰逼真的画质影像和更震撼的音效，进一步提升影院竞争力。

2 超高清直播的技术实现

2.1 超高清信号的获取方式

通常大型活动直播是通过卫星传输的，即信号源端来自活动现场各个摄像机位4K 摄像机/摄影机。信号传给转播车，以光纤/微波传到中央广播电视总台演播室，经过导播切换、压缩编码，再发到卫星上星站。信号上星后，各接收端接收对应频道的卫星信号，经卫星天线和接收机解码解压，再送到影院放映机的高清多媒体输入接口 (HDMI、DP或DVI)，由放映机播放出来，投射到大银幕上。4K 超高清信号的获取方式可以通过以下3种方式完成.

2.1.1 电视广播接收

电视广播接收方式，即有线电视，通过光纤入户结合4K 机顶盒，送到放映机HDMI输入口，影像信号的稳定程度与光纤信号传输和机顶盒质量密切相关，画质尚可。

2.1.2 卫星直播

卫星直播方式 (Direct Broadcast Satellite，DBS)指的是信号经过数字压缩，通过单个卫星转发器直接进行转发的信号传播方式，是一种点对面的广播。影音信号是从现场4K 摄像机送往电视转播车经数据压缩和编码，送到CCTV 总台，之后发送到上星站由卫星转发器传播到天空，各直播影院通过卫星天线、卫星接收机接受信号，解码、解压后送到放映机HDMI输入口，最终播放出来。其覆盖面大(全国乃至世界)，影音信号比较稳定，画质和声音优质。在2019年的国庆直播活动采用的信号格式为:4K 2D@50P，SDR Rec.709 和HDR Rec.2020 (图2)。

图1 国庆盛典影院直播活动

图2 卫星直播信号流示意图

2.1.3 网络流媒体

网络流媒体方式是通过网络传输流媒体数据，可以通过通信网或互联网，最新的是5G＋4K 方式，即

4K 摄像机影音信号通过信号转换器送到5G 电视转播车，之后送到电视总台发送到5G 网，各播放终端通过5G 接收器和5G 机顶盒进行选择和解码，然后传输至放映机HDMI输入口 (在优化测试中)。此方式覆盖面取决于5G 网络所覆盖的区域，影音信号稳定程度与5G 网络和5G 机顶盒质量密切相关，具备延迟小、移动方便、画质优良流畅的优势。

这里的技术难点在于高速稳定地传输海量数据，并且在影院放映设备以4K 超高清高技术格式完美呈现出来。

2.2 影院端影音的完美呈现

直播/转播超高清节目经过前端摄制、信号传输，最终传到影院放映机，放映出影像且真实地还原出现场声音。

在观看电影时，观众除了关注故事情节和演员表演外，对影片的放映效果也非常在意，如画面是否清晰明亮，色彩是否饱满绚丽，声音是否清晰和震撼等。现场直播也基本一样，最大区别在于事件的实时性，它不是通过常规电影服务器硬盘播放出来，而是由通信系统将超高清信号实时传送到影院，由影院放映机实时解码播放出来的，这就要求数据传输通道所传输的视频数据流畅连续。放映端应用激光光源4K 放映机，通过HDMI 2.0输入口，以4K 2D@50P SDR Rec.709 和5.1还音系统再现，或选用4K 2D@50P HDR Rec.2020来放映，使影像和声音更加顺畅逼真。

HDMI 2.0 端口可接收的信号格式可达4K 4096×2160或UHD 3840×2160@50fps或60fps，RGB 或YCbCr，HDR:PQ (SMPTE ST-2084)EOTF，声音为2.0、2.1 立体声或L PCM 5.1、7.1环绕声(表1)。

表1 HDMI 2.0支持的音频格式

那么，直播/转播数字影像的画质到底与哪些因素有关呢？现场声音还原又与哪些因素有关呢？

实际上有很多因素都会影响人眼所能感受到的画质好坏，主要有两方面:一是影像的清晰程度，如节目内容拍摄设备指标、原始素材后期制作的分辨率、原始影像拍摄的帧速率、摄影镜头及投影镜头的质量、聚焦调校好坏、银幕类型及指标、甚至3D 装置及眼镜的质量；二是影像的色彩，如放映机还原色彩的丰富程度、放映机色彩调校是否准确等。声音还原也类似，要真实清晰、方位感强和音色逼真。

3 超高清直播和电影播映影像质量要素

超高清直播和电影播映影像质量主要表现在画面还原的清晰明亮程度和色彩的饱满绚丽程度。

3.1 影响画面清晰度的要素

清晰度是指人眼宏观看到图像，包括静态和动态的图像清晰程度。谈到影像的清晰度，自然会想到显示设备的分辨率或成像器件的物理分辨率。实际上，影像的清晰度是观众综合系统和设备的客观性能及其状态形成的最终影像的一种主观感受，多种因素会影响人眼所能感受到的影像清晰程度，相关要素主要有以下六点。

3.1.1 影像的分辨率

影像的分辨率是直接影响画面清晰度的关键要素，可分为两种:一是空间分辨率，通常是指数字影像呈现的像素分辨率，即影像所包含空间像素的结构，其中又包含拍摄、制作端和显示端的影像的分辨率；二是时间分辨率，指单位时间呈现的画幅数，即影像的帧率。

影像的分辨率与清晰度概念不同，是指图像的像素点密度，影视设备通常用“横向像素数×纵向像素数”表示。清晰度是人观察景物影像清晰程度的主观感觉，所以相同面积内图像分辨率越高，清晰度越好。例如在SDTV、WUXGA、HDTV、2K、UHD、4K、8K 中，HDTV 比SDTV 更清晰，4K 比2K 更清晰，8K 比4K 更清晰。

所以，前期拍摄阶段，摄制端所用设备图像采集CCD (电荷耦合器件)。像素越多、数字化后所包含的信息量越大，影像就越清晰，设备的解析力就越高，所需带宽也越宽。在显示端，显示或放映设备的成像器件分辨率也在一定程度上决定了影像的还原效果。

图3为目前市场上的几种常见规格的信号格式，电影采用的成像器件分辨率2K 为2048×1080，4K 为4096×2160，4K电视采用UHD 3840×2160。

图3 现有不同规格的分辨率格式

观众所感受到的影像清晰度还与观看者与画面位置的相对距离有关。当观看者近距离观看时，会发觉影像的像素点清晰可见，有颗粒感，观感并不舒适。因此，距离银幕最近观看距离和画面还原的分辨率，与银幕尺寸存在一定关系，应该通过优化设备配置来规划。

另外，当分辨率是4K 且总的像素数量是2K 的4倍时，只有当放映的电影影像也是4K 分辨率时，才能实现像素的一对一清晰呈现。然而由于前排观众到银幕的距离相对较近，4K 放映设备成为观众提升观影体验优选配置，因为即使放映2K 内容，采用4K 放映机播放的影像看起来也比2K 的更细腻逼真。所以时间与空间因素对于观众察觉分辨率差别是很重要的，通过优化4 K 影厅设计，观众便可以享受到更高分辨率为其带来的更愉悦的观影体验。

3.1.2 影像的帧率（帧速率）

影像的帧率是每秒显示的图片数，它影响画面流畅度，且与画面流畅度成正比:帧率越大，画面越流畅；帧率越小，画面越有跳动感。由于人类眼睛的特殊生理结构，当画面帧率高于16 帧/秒时，就会认为画面是连贯的(会有闪烁感)，此现象称之为视觉暂留。帧率直接影响画面的动态清晰度，一般普通电影的帧率为24 帧/秒，而高帧率 (HFR)则增加了拍摄 (和放映)画面的速率，使每秒采集到(放映出)更多的信息，因此会比普通帧率更清晰顺畅，动态景物影像还原得更清晰、逼真，有效增强身临其境的感觉，目前电影高帧率有48fps、60fps、120fps等(图4)。

图4 高帧率拍摄增加画幅与放映效果示意图

3.1.3 设备调校

设备调校优劣也会对影像品质产生很大影响。

(1)摄制与放映设备 (包括镜头)安装的稳定程度会或多或少地影响投射到银幕上影像的清晰度，因为机器上(图5)的微小振动会在银幕图像上反映出较大的运动幅度，应注意避免此类情况的发生。

图5 摄影和放映镜头示意图

(2)摄影镜头及投影机镜头聚焦调校对清晰度的影响较为明显，除了镜头的品质因素外，调校不准确也会使影像模糊，不同聚焦调整状态的比较如图6所示。另一方面，摄影师和放映技师的操控调节技术也影响着最终画面的效果。

图6 不同聚焦调整状态的比较

3.1.4 影像的亮度和对比度

影像的亮度和对比度相辅相成，在很大程度上也影响人对影像清晰程度的感受。如果亮度太低，人眼是不容易识别清楚影像细节的；如果对比度太低，会使人感到影像灰淡模糊，帧内对比度不好，会产生雾感，影像轮廓边“晕”出，不清澈。这也是为什么影视作品追求高动态范围 (HDR)，就是要增大影像从暗到亮的还原范围。以HDR 拍摄制作，并采用HDR 放映能展现出更宽的光影和色彩范围，能使人看到更多的从“超亮”到“极暗”的细节层次，也使观众感受到更清晰逼真的景物 (图7)。

图7 不同对比度影像对比

3.1.5 银幕类型和质量

银幕类型和质量对影像品质也起着至关重要的作用。不同类型的银幕(如:白塑幕、普通金属幕、终极银幕、纳米银幕等)，具有不同的亮度系数、均匀性、散射角及偏振性能等指标。银幕的材质、声孔的孔径大小和孔距规格，对影像的清晰度、均匀度和透声指标也有较大影响。由于传统银幕声孔较大、金属幕反射层及工艺欠佳等原因，会使影像清晰度折损、均匀性不佳，还容易与数字像素群产生相互作用而形成摩尔纹，最终使清晰度降低。微孔幕可有效的改善清晰度，减弱摩尔纹的干扰(图8)。

图8 普通银幕声孔与微孔银幕声孔对比图

3.1.6 3D 系统的品质

3D 系统的品质会影响3D 影像的清晰度 (除了激光原生3D)、光效和立体感。经过偏振双光路、三光路3D 系统投射出的图像需要对位重合 (图9(a))，物理重合欠佳也会使影像模糊不清。而单光路3D 方式影像比较清晰，但由于3D 光效较低，应用相对较少。3D 系统的立体对比度指标也会影响3D 影像的立体感和清晰度，立体对比度低导致左右眼影像串扰增大，进而出现重影，使人感受到清晰度差、立体感不好，所以3D 系统的选配很重要。单机6P激光原生3D 系统的立体对比度高，且没有重合问题，清晰度很好，光效较高(图9 (b))。

图9 偏振3D和6P激光原生3D示意图

3.2 影响画面色彩的要素

放映机通过对数字影像色彩进行解码，运用符合行业标准的目标色域还原影像颜色，会生成更好的画面还原效果。影像的色彩还原对影像的品质至关重要，这主要包括色彩还原的精准性和色域，让人眼感受类似自然界的颜色。由于没有经过后期调色和影音质量提升，直播摄影质量控制的情况会直接影响直播放映影音的质量。

图10给出人眼所能感受到自然界可见光的色域，而放映设备可以还原出的颜色往往只是色域的一部分，即色域图上表现为三角形区域，不同的色彩标准有不同的色域。目前，激光放映机已可以还原出比DCI-P3 更大范围的色彩，达到98.5%Rec.2020的宽广色域，能够产生更逼真艳丽的影像。值得注意的是，放映端的颜色设置和调校应与直播摄制端或制作端保持一致，遵循同样的标准。由于更广的色域会带来光效降低，设备配置的光学设计应留出足够余量。

图10 不同标准的色域示意

4 实况声音在影院的完美呈现

音调、响度和音色为声音的三要素，影院还音系统能高保真地还原出这三要素，便可得到更好的影厅声音效果。

4.1 影响声音还原效果的要素

4.1.1 还音系统的频响

还音系统的频响是确保原声音调还原真实的基本条件，它与还音设备的特性参数有关，目前大部分设备都有较好的频响特性及硬件条件，但要在系统配置时做好设备搭配(如功放、分频器、音箱等)。

4.1.2 声音还原的响度

声音的响度是影厅各位观众所能感受到的还原声音的强度，除了设备配置规划时计算配置功放、音箱功率等参数以外，还与影厅现场声场调校有直接关系。

4.1.3 声音还原的音色

声音还原的音色与音响系统的保真度、瞬时特性、影厅混响特性有关，只有做好影厅建声设计，良好匹配设备，才能还原逼真的音色。

4.2 营造现场沉浸感的要素

(1)营造现场沉浸感的必要条件是要对节目源的声音录制与制作预先设计得当，做到定位明确、层次清晰且电平调校合理。有了好的来源，放映终端才能再现优异的现场环境声音。

(2)营造现场沉浸感的关键是要使观众置身于声场之中，像亲临现场一样。还音系统各声道 (喇叭单元)的声压级应调校得符合标准要求，使现场各方位音源能真实地再现出来。2019年国庆直播应用了5.1环绕立体声系统营造现场气氛，临场感表现比较好。

5 如何提升观众在影院的视听体验

由此可见，影响影像质量的关键要素主要是分辨率、帧率、镜头、银幕及设备调校，加上还音保真要素，提升观众在影院的视听体验需要把控好以下三方面。

5.1 把控好节目源

对于直播，首先要做好接收端的信号接收工作，确保接收高码流的信号强度合适、稳定，传输顺畅。

由于直播/转播的内容多为高分辨率、高动态范围(HDR)内容，或为精心制作的高技术格式电影内容，所以应采用先进设备，采用高技术格式进行放映，使影像具有“先天”固有的高品质，这是获得更清晰、色彩艳丽影像和保真声音的基本条件。例如2019年国庆阅兵直播的摄制和传输设备到放映设备全程4K 5.1还音系统格式，保证了画质和音质的优异。

5.2 优化设备配置

统一优化配置精良的放映设备和配套设施，注重合理搭配，把握好性价比，才是影院经营者的明智选择。根据现场实际情况，考虑人眼视觉感知极限，不要一味追求过高的指标参数。

随着放映技术不断迭代提升，激光放映机已具有超高的分辨率、高帧率、高动态范围等性能；3D技术也在不断升级，提升了关键技术指标，银幕技术也有很大提升。这些都促使投影画面在清晰度、色彩还原、还音等质量有大幅提升。

银幕在声孔和金属幕反射涂层等工艺上的改进，使银幕光学技术指标有较大的提升，同时也改善了影像还原的清晰度。因此银幕应选择增益适当、匹配度好、材质细腻均匀、“太阳效应”小的类别，金属银幕应选偏振对比度高(串扰小)、有效散射角度比较宽的幕。

因此，具有高对比度、4K 分辨率、支持高规格放映且有HDMI 2.0外接端口的放映机，优化配置的3D 系统和银幕，搭配优质还音系统，例如:3P RGB激光及荧光粉激光的第四代放映机，搭配高品质高效偏振3D 系统、新型微孔纳米银幕，或6P RGB激光单机激光原生3D 放映，配以新型微孔白幕或金属幕，皆可以获得高品质且沉浸感好的影音效果。

在放映机和银幕选型时也应充分考虑光衰以外的因素，如银幕随使用时间增益的衰减，放映机光输出应备有一定余量。另外，还应控制好影厅杂散光，否则会因影厅对比度降低而“吞没”放映机的对比度，降低影像清晰感。

还应意识到，即使配备了超高分辨率放映设备，若节目源内容分辨率较低，也很难呈现所期望的超清晰影像；若节目分辨率足够高，但若设备调校欠佳，也无法得到高清晰的影像。

5.3 优化设备调校

做好设备调校的优化，首先要确保镜头安装牢固，之后调整好聚焦、会聚，做好亮度设定和色彩校准，使影像满足规范要求。注意要使用镜头光学变焦调节画面尺寸，使影像清晰度尽可能达到最佳、色彩饱满，使画面效果完美。

同时，也要保证还音系统各声道的声压级调校正确，使声场符合标准曲线要求，从而使直播现场声音忠实地再现，也使电影原声表现出导演的意图。

6 结语

由此可见，影院4K 直播/转播所涉及的影音技术较多，包括高品质摄影、不同的高速数据传输方式、卫星/电信网络通信、数据压缩编解码、数字节目高质量播映等环节。为了获得更好的放映影音质量，不仅需要配置高分辨率放映设备、优选的银幕和3D 系统，更需要高质量的内容，还需要精准的设备调校等多个技术环节的把控，还有节目内容监管需求。在进行影院建设时，应该综合考虑，精选最适合的系统设计，抓好关键要素，权衡利弊和性价比，以期最优异的效果，使付出投资和资源的“好钢”都用在刀刃上。只有把控好以上相关技术环节，最终获得完美极致的视听效果。

展望未来，影院不仅仅是观影场所，也可成为承载观看大型活动、体育重点赛事、高规格演出的场景。随着影院放映设备不断升级，特别是，近来LED 电影屏已进入影院，成为影院新的更高品质影像的呈现设备，也为超高清直播提供了优质平台。相信随着5G 技术的广泛应用，4K/8K 等高新技术格式内容的不断丰富，今后会有更多、更精彩的4K/8K 超高清和沉浸声效内容在影院呈现，为观众带来更新颖的文化艺术产品和更丰富多彩的视听体验。❖