4K电视发展漫谈

□ 涂琛婷

近年来，国际上4K超高清电视技术逐步趋于成熟，一些发达国家的电视运营机构已开展4K超高清电视业务，产业链初具规模。我国“十三五”科技发展规划也将发展4K超高清电视纳入其中，提出了我国超高清电视发展的计划和目标：到2018年，建立4K超高清电视OTT平台，构建高清、4K超高清电视混合播出系统；到2020年，实现4K超高清电视试验频道播出。在政策驱动下，我国4K电视发展也正式提上了日程，也许在不久的将来，4K电视就能进入千家万户。

一、4K技术的提升

4K超高清技术影像的基础参数在五个主要方面进行了提升：分辨率从2K到4K，帧率从50i到50p，色域从Rec.709到 Rec.2020，量化深度从8bit到 10bit，动态范围从10档光圈到14档光圈。

4K技术近几年开始应用于家庭电视，最直接的驱动因素是家庭电视的尺寸相比过去在不断增大。索尼中国的统计数据显示，随着电视制造技术的进步，电视屏幕已经自过去的14英寸发展到如今的50英寸、60英寸甚至90英寸。当电视屏幕超过50英寸时，传统标清分辨率的节目内容已经无法满足用户需求，甚至高清分辨率的视频都不再那么“高清”。随着客厅电视的尺寸越来越大，分辨率的提升势在必行。根据使用范围的不同，4K分辨率也有各种各样的衍生分辨率，例如Full Aperture 4K的4096*3112、Academy 4K的3656*2664以及UHDTV标准的3840*2160等，都属于4K分辨率的范畴。在数字电视领域，4K多数情况下特指4096*2160分辨率，这样能保持与高清电视相同的16∶9的宽高比，不会产生缩放和变形。分辨率提升了4倍的4K超高清能呈现出更多的图像细节，对大屏电视的呈现更友好。图1展示了4K超高清与传统格式分辨率的大致关系。

图1 4K超高清与传统格式分辨率的关系

我国高清晰度电视标准采用的扫描格式为50i，即每秒50场，隔行扫描。在隔行扫描模式下，2场为1帧，50场实际上只有25帧画面。从每秒呈现的画幅数量上来看，50P是50i的2倍，增加了拍摄（和放映）影像的速率，使每秒采集到（放映出）更多的信息。更重要的是，帧率提升使动态影像的解析力更高，帧速率的提升可以很大程度上改善低帧率模式下常出现的运动镜头跳停以及模糊现象，能够消除高亮度和宽视角情况下DE临界闪烁现象，带来更好的图像质量。在体育赛事转播中，高帧率的画面呈现会更自然流畅。

2012年8月，ITU整合了日本Super Hi-Vision 8K超高清电视广播系统与世界主流的4K超高清电视广播系统技术规范，推出了Rec.2020超高清电视广播系统与节目源制作国际标准。Rec.2020标准由于隶属ITU BT电视广播系列的推荐标准，也被称为BT.2020标准。Rec.2020标准具有大范围色彩空间，色域覆盖了CIE 1931标准视觉色域的75.8%，100%覆盖Rec.709色域，色域对比见图2。从图2可以看出，整个709色域被包含在2020色域中，2020色域在绿色区域的层次明显比709色域更为丰富。

图2 4K及HD色域对比图

数字信号在模数转换过程中，量化是对数据造成损失最多的步骤，量化比特数的增加将会使模数转换时所造成的失真减少，更大程度地还原信息。更大的信息量，更高的码率，给受众直观的感受就是色彩和亮度的层次更丰富了。

高动态范围（High-Dynamic Range，简称HDR）比起普通模式的图像，可以提供更多的动态范围和图像细节。我们在大光比的环境下拍摄时，画面往往会出现亮部过曝导致亮部细节丢失或暗部过暗导致暗部细节丢失的情况。想要明暗两极的细节都保留，需要通过加装滤镜或者后期处理来实现，而其中后期处理是效果最不理想的。现在有了亮度范围更广的HDR技术，可以很大程度上解决这个问题，在大光比的环境下可以同时让亮部和暗部细节都保留，色彩更加细腻自然。

二、行业标准

4K技术带来了视觉效果的又一次飞跃，也给业界带来了新一轮的挑战。性能的提升同时也带来了数据率的提升，4K超高清电视的传输数据量是普通高清电视的10倍以上，这给现有的电视网络带来了巨大的挑战。无论有线、无线还是卫星中传输，都需要对现有的传输系统进行改造，并配置4K接收终端。这一方面对本已非常紧张的广播电视传输带宽带来了巨大的挑战，另一方面也会增加接收成本，这对于用户的推广是不利的。

目前国际上标准化组织针对4K超高清电视制定了70多项标准，我国的4K超高清电视发展既要考虑与国际标准接轨，又要基于本国的国情，综合考虑支持民族工业与自主知识产权等方面的问题。此外，为避免陷入国外专利纠纷，还需要加大自主知识产权的技术和标准的研究与推广力度。

2016年国家新闻出版广电总局向各省新闻出版广电局及总局各直属单位正式发布了《新闻出版广播影视“十三五”科技发展规划》，规划明确提出发展4K超高清电视，要求各相关单位积极贯彻落实。在规划的潮流中，GY/T 307-2017《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》应运而生，作为我国超高清广播电视系统的基础标准，它规定了超高清晰度电视系统节目制作和交换中所涉及的基本参数值，适用于超高清晰度电视节目制作及节目交换，也同时适用于超高清晰度电视系统及设备的设计、生产、验收、运行和维护。标准概括给出了标准内容和适用范围，列出了标准的规范性引用文件，最重要的是给出了超高清晰度电视系统的图像空间特性、图像时间特性、系统光电转换特性及彩色体系、信号格式、数字参数。

我国针对4K超高清电视应用，近年自主研发了视频编码技术，并已于2016年颁布了《高效音视频编码第1部分：视频》标准，简称AVS2.0，该标准是我国4K超高清电视视频编码标准。2017年，国家新闻出版广电总局发布了《4K超高清电视节目制作与交换参数值》行业标准，对我国4K超高清电视节目技术格式进行了规范。此外，我国由中央电视台牵头，联合相关研究机构还在开展高动态范围广播电视行业标准和三维声（3D Audio）广播电视行业标准的研究制定工作。

标准规范日趋成熟，对4K频道的推广提供了标准支撑，也对4K的发展给出了指导性的意见和方向，为今后4K电视的普及奠定了基础。

三、业界发展现状

2014年韩国率先开通了4K超高清频道，之后欧洲、北美、韩国、日本等国家和地区的广播电视播出机构和网络运营商，基于有线、卫星以及IPTV平台陆续开播4K超高清频道70多个。目前已开通的4K超高清频道节目类型主要包括体育、电影、电视剧、新闻、文艺、娱乐、纪录片等，其中体育类节目占比最大，约占总数的23%；电影、文艺、纪录片节目占比次之，均在16%到19%之间；新闻类节目占比最小，仅有1%。可见在娱乐领域，4K还是很有市场的。由于卫星传输具有大带宽、高速度、广覆盖等多种独特优势，目前欧洲、北美、日本和韩国开播4K超高清频道的运营商，多数倾向于采用卫星方式传输。据有关统计资料显示，基于卫星传输的4K超高清频道占比达到了49%；基于有线、IPTV和OTT传输的4K超高清频道占比分别为15%、24%和12%；基于地面无线方式仅停留于传输试验，目前尚未开播地面无线4K超高清频道。尽管4K超高清频道开播数量日益增长，但受限于4K超高清节目片源问题，目前已开通的部分4K超高清频道尚难以支撑全天24小时节目不重复播出。例如日本Sky perfecTv 4K movie频道，采用每天轮播3—4次的方式播出；美国Fashion One 4K频道，每天共有12个节目穿插播放，每个节目时长在15分钟左右。

在我国，目前中央电视台以及北京、上海、广东、湖南等地电视台已经开展了4K超高清电视节目制播试验。北京、四川、深圳、广东、湖南、重庆等地有线电视网络相继推出了4K体验专区服务；中国电信、中国移动和中国联通三大运营商相继发布了4K超高清点播、推送等业务；优酷、乐视、小米等厂商也推出了4K超高清的OTT接收盒子。

有国际经验和国内试点的支撑，在政策的引领下，随着技术团队的不断成熟，相信在不久的将来，我们将能在直播电视上看到更多4K节目的身影。

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2.骆萧萧.4K节目生产进行时——超高清制作关键点分析[J].视听界(广播电视技术),2017(5).

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4.孙岩,王惠明,汪芮,马悦.超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值标准解读[J].广播与电视技术,2018(1).