4K超高清应用现状及发展趋势研究

摘 要：随着科技水平的不断提高，民众的视觉享受要求也在不断提升，为了进一步让大众体验到身临其境的视觉效果，4K超高清进入大众视野。结合实际调研不难发现，4K超高清相关的理论研究和实践探索近年来大量涌现。基于此，简单分析4K超高清应用现状，包括高动态范围HDR、IP化应用及编码方式，并基于4K超高清发展趋势，深入探讨对应发展策略，涉及超高清电视技术发展策略和超高清视频制播技术发展策略，建立核心技术系统并与5G相联系等内容，以供参考。

关键词：4K；超高清；未来发展

随着4K技术的不断发展，国内广电行业也对其发挥相应的推动作用，制订科学且详细的发展计划，包括时间表、路线图等，使其可以在广电领域实现具体应用。

1 应用现状

1.1 高动态范围HDR

4K超高清技术下的视频与高清相比较，分辨率得到明显提升，可以让观众在实际观看时看到更为清晰、广阔的图像内容，细节处理上也做得非常好。举个例子，在像素尺寸、观看距离二者保持不变的情况下，4K会让人看到更宽广的内容。而且，随着HDR高动态范围的大量应用，也提升了4K色域动态的实际范围。

其中，HDR主要指的是一个技术曲线，也就是随着拍摄技术水平的不断提高，需要实现系统动态范围提升目标，帮助电视行业进一步发展。而HDR高动态范围应用就是为其建立一个更大的色域，对传输函数进行转变，呈现出更高的亮度动态、更宽广的色域范围。

1.2 IP化应用及编码方式

4K视音频是利用IP级联方式，也就是借助矩阵分配的方法将连线交给IP交换机完成相应操作，呈现出简便性更强的特点，也能减少耗材量，实现统一调配，使最终的系统可以有更优质的呈现效果。目前，4K的传输需要借助压缩编码才能实现，但是各个厂商对此没有统一的解决方案，导致在IP领域无法实现不同方案的互联互通。而在IP级联的方式下可以简化继承步骤，提高系统的连通程度。对此，我国也没有制定统一的国家性标准。在未来，4K的编码方案可能会选择大众普遍认同的SMPTE2110编码标准。这一标准有着带宽大、独立路由的特点，而且，不会被阻碍和压缩等因素所束缚，是由VSFTR01发展演变而来，大部分厂商都愿意接受这一标准。另外，在这一过渡时期，大部分厂商都在积极对技术进行优化、更新，IP化的时间可能要比大众预期的更短［1］。

2 发展趋势

2.1 全IP集成方向

這一方向主要指的是联盟、生产商、厂家，包括测试和协议端口都会开放，在最后形成一种各个主体都能接受的统一性标准格局，有着互相兼容的特点，实现各个主体之间的互联互通。但是，这样的格局进程实现时间较长，可能会提前也可能会超出预期。目前，在这一方向发展中存在的问题主要是无法达成共识。

2.2 SDN数据控制

这一数据控制对象指的是集成设备调度、数据整合、分配等环节，实现集中、统一的有效管理，进一步解决集成设备之间不互联的局面，可以有效简化流程，提升工作效率。但这也给技术人员提出了更高水平的要求，需要有丰富的网络系统知识，包括对SDN这一系统的分配，都需要工作人员具备较高水平。与此同时，为了提升网络的安全性能，需要为其安装更高安全指数的防火墙。IP视音频级联目前还没有足够成熟的例子提供参考，也没有长年累积的经验，因此，IP化的全面实现是任重而道远的。

随着各类节目制作能力的不断提高，民众的审美需求也在不断变化，面对市场这一变化的需求，传媒单位都在为此积极制订相关4K视频方案。所以，在这一环境下，需要对4K视频系统在构建过程中出现的问题进行仔细考量，及时优化、调整方案，再结合自身节目制作情况制定科学合理的布局安排，考虑现有情况给日后发展预留出一定的发展空间。

2.3 AI介入

在SDN数据控制系统的发展下，可以预见到AI的介入局面。在实现统一化管理的同时，还能通过加强PC的自我管理，让大众可以通过指令下达，让AI完成相应的事情。从目前的AI的发展状况分析这是完全有可能发生的。只是在搭建视音频平台时对AI发展有所忽视，也没有考虑自身需求，各大厂商也没有对此进行深入开发。加上随着5G的大范围试点，未来的大规模应用会对传输速率有着强大的促进作用，形成多样化传输方式，呈现出便捷性等特点［2］。

3 具体发展策略

3.1 超高清电视技术发展策略

一方面，超高清电视技术可以分为四种技术，分别是视频处理、音频处理、网络传输、有线与光纤传输。一是视频处理技术，这项技术可以对电视频道的多种通信信号进行精准分类，在4K超高清的实际运行模式中，这一技术可以将原有的码率下降一半，并仍然保证压缩率处于正常数值范围。二是音频处理技术，这一技术的主要目标就是实现对传统音视频相互结合模式的突破。在实际运用中，可以为其配置单独的声道参数，同时适当调整信号数据比率，做好采样处理工作。其中，需要注意的是，在调整声道参数时，需要了解不同的配置条件，调整不同声道之间的关联性，进一步提升4K超高清在实际应用中的声音效果。三是网络传输技术，这项技术可以实现对大部分声影效果的传输，给人以立体化的视听效果。这项技术不仅可以丰富各大媒体平台的服务形式，还能对各种互动服务和线上服务进行创新。四是有线与光纤传输，这一技术可以对超高清的具体应用需求进行及时匹配，提升传输效率。但是，并不是所有的有线和光纤传输都能实现这两个条件，部分会出现不完全匹配的现象。这个时候，就需要为其配置相应的压缩、解压编码器，进而满足多种用户需求。

另一方面，4K超高清电视技术的应用主要体现在视频压缩和融媒体服务平台方面，加强技术运用即促进技术在这两方面的深入运用，具体如下所示：

第一，视频压缩应用。首先，编码结构在4K超高清电视频道中，编码结构对压缩率等会产生直接影响，也会对后续图像分割产生一定影响。一般情况下，是使用HEVC这一结构。在HEVC编码结构中，可以在解压缩流程中运用四叉树的理论原理，确保在实际计算中，最大单元块的结构特征能够保持不变，为后续电视频道的播放质量提供保障。设定这一结构的同时需要尽量降低失真率，确保定位、预测和单元块分割等信息更加精准，在这一编码结构实际运用，可以通过对比分析，了解计算和变换过程是否稳定，实现对数据的全面化掌握。其次，帧内预测编码，为了避免编码计算结果对音视频的传输速率產生不利影响，需要在选择对应的编码标准进行实际运用时，要先对结果准确度进行全面化核查，确保最终的预测编码结果符合合理范围。与此同时，利用HEVC技术中的非线性平滑运算调整精准度，避免其对时空计算产生不利影响。最后，环路滤波，这项技术也是HEVC技术在压缩视频过程中的应用模式之一。主要是通过采样点补偿和环路两种自适应滤波器的相互结合，快速满足信号传输过程的具体需求。其中，环路滤波器是基于像素状态对块状色度和亮度进行明确的，在实际的编码处理过程中，HEVC技术将环路滤波器分为两种，除了基于像素状态，还有以区域为基础的，以此适应解压缩过程，并迅速匹配对应需求［3］。

第二，建立融媒体服务平台。首先，平台技术架构。这一平台是以4K超高清为主要技术的，需要对技术、服务架构进行全方位整合、设计，才能实现对整体资源的综合性管理目标。基于IP城域网建立融媒体服务中心，需要根据内容分配、资源服务、运营功能三个层面进一步推进4K超高清电视技术的实际应用。其中，内容分配层是负责前端业务请求的转接，资源服务层则是对多媒体资源的有效控制，以及对整个过程的有效管理，运营功能层会更偏于负载均衡，也包括对信息的分析等。但是，需要注意的是，在实际应用中，需要将音视频的分配效率控制在合理范围内。其次，技术支持模式，在对4K超高清技术进行实际部署过程中，需要明确技术支持模式，对平台内的管理和利用效率进行全面分析、统计，进一步适应当前市场用户的高水平需求。最重要的是，需要在此基础上实现多终端、多协议和多平台三者的深入融合，对不同用户的实时化需求进行精准化匹配。另外，服务平台还需要为此配备HLS虚拟切片这一模式作为技术支持，确保接口统一，从而使4K超高清缓存效率得到有效提升。最后，具体应用模式，对这一模式进行综合解析，及时迎合各种业务的实际需求，对4K超高清技术的重难点应用板块进行综合预测。

3.2 超高清视频制播技术发展策略

随着4K超高清技术的日益成熟，其制作在市场中是面向多个方向的，包括综艺节目、纪录片等。而超高清技术支持下的节目制作需要涉及全媒体、多分辨率、多格式的制作流程，实现多样化渠道进行分发。例如，某单位针对4K超高清技术中的拍摄与制作都进行了深入探索，在许多大型节目中都利用多种方式生产4K超高清节目，逐步建立起制播应用体系，具体如下。

一是制播应用体系建立，主要包括了前后期的拍摄与制作，现场的直播与后续播出等系统构成，可以满足大型节目、体育赛事的节目需求。二是集成播控平台的建立，以及对各类业务全流程实现全覆盖的IPTV内容服务。这一集成播控平台依靠全覆盖能力，实现内容转接、调配、采集、编辑等各项业务，为更多用户提供了4K超高清节目的点播和直播服务，进一步提升民众的满意度。而IPTV内容服务主要包括生产媒资系统，以及快编、转码、自动技审、播放审核等方面的工具。通过以上内容支持，加上完善的制作方案、传输流程，其已经形成了以融媒体为核心内容的4K生产业务模式。

3.3 建立核心技术系统

这一技术系统主要是视频和音频两个方面的制作系统，一方面，视频制作技术系统是4K超高清技术形成的核心要素之一，可以实现对信号的编码压缩，实现视频信号的高饱和状态，确保视频在播放时可以呈现出高清晰度的状态。另一方面，音频制作技术系统则是对4K超高清电视有着重要作用的技术系统之一，在信号传输过程中，利用数字化技术可以实现音频信号的高精度的传输与实时接收，进一步增加信号的承载度，促进高清音频信号合成［4］。

这一系统在实际应用中主要指的是超高清电视，因此，将从这一对象入手分析系统的开发逻辑，分别是优化编码结构、核对预测编码、调整环路滤波和整合服务架构。首先，编码结构的优化需要在开发应用和具体设置两个角度入手，一是利用四叉树进行编码的递归计算，二是利用单元信息的精准捕捉确定单元块的分布信息，减少信号出现不稳定的现象。其次，核对预测编码主要是通过不同的预测编码技术，对其进行精准比对，确保其数值能够维持在可控范围内，使其能够顺利传输并完美呈现出来。再次，调整环路滤波则是利用平滑且动态类型的环路滤波进行调整，使用容量处理法计算对应的压缩率，确保4K超高清信号可以更加清晰化。最后，整合服务架构主要指的是对电视信号进行多元化组合，为实际应用拓展出更多业务类型和技术运用场景。

随着这一系统的实际应用，也进一步增强了信号的储存效能，实现音视频信号的精准化转置目标。前者是因为这一系统可以直接与云端进行沟通，借助云空间扩大自身的储存空间和规模，而4K超高清技术则是利用这一沟通路径，建立对应的信号通道，实现无限制的云储存。后者则是因为在4K超高清技术的帮助下，促使音视频信号可以实现全面化、精准化转置，突破原有限制，增强信号的精准性定位，在未来发展中，可以有效推进音视频信号的多样化运用。

3.4 与5G相联系

在4K超高清传输与应用中，通过加强5G的应用，可以发挥出多个优势，包括高速度、低时延、低功耗，等等。其中，高速度与低时延两个优势可以成为4K超高清视频传输的重要基础。随着4K超高清在各行各业的广泛运用，对于视频传输要求的高网络流量、大空间和低时延等要求，通过5G特质的运用可以充分满足这些需求，促使5G网络成为4K超高清在视频传输应用中的有效手段。而且，5G网络还有泛在网这一优势，可以为4K超高清在视频传输应用方面提供一定保障。泛在网指的是网络无处不在，不会被时间、地点、人物等限制，可以实现5G信号的全方位覆盖，可以进一步保证4K超高清在应用于视频传输时的灵活性与可移动性，与传统模式相比较，可以有效弥补技术空缺。最后，在4K超高清视频传输应用方面会出现大量能量损耗的现象，用户对此也很难接受。这个时候，利用5G网络，发挥出其低功耗优势，可以大幅提升用户体验。

以视频传输应用为例，借助5G网络可以实现三个方面的有效发展，分别是音乐、AI和切片。首先，音乐主要是运用于教育行业，增强教育教学体验，为远程教育提供便利条件，切实实现面对面教育的实际效果，有效节约时间成本。其次，AI方面，则是将5G网络中的监控技术融入家庭安防方面，实现对危险的高效预警，提高安全性能。最后，切片方面指的是直播方面的效率能够因此得到大幅度提升。例如，某些地区发生热点新闻，就可以利用5G网络将其进行高质量、高速度传输，提高电视节目品质。以便在4K超高清技术支持下的电视节目加上5G网络的加持，进一步提升媒体影响力。

结论

综上所述，随着4K超高清技术的不断发展，技术设备都相应升级，对于4K视频技术而言也是更好的机遇。如此，不仅会实现相关产业的更新换代，更可以促进4K实现产业化发展。

参考文献：

［1］李良.广播电视台4K超高清播出系统设计与实现［J］.广播与电视技术，2023，50（02）：5963.

［2］商自超.介质录像机在4K超高清播出系统中的实际应用［J］.现代电视技术，2023（01）：154158.

［3］王伟.4K超高清和高清电视同播系统的下变换技术探讨［J］.电视技术，2023，47（01）：221224+228.

［4］刘辉.当“空气妆法”与“大地诗篇”相遇 第十四届缔约方大会开幕式4K超高清妆造揭秘［J］.影视制作，2023，29（01）：4044.

作者简介：谢兵旺（1980— ）男，汉族，湖北武汉人，本科，研究方向：广电领域系统研发集成。