8K UHD技术发展现状及应用研究

孙天宇，胡伟屹

（1.洛阳师范学院 文学院，河南 洛阳 471934；2.学习强国学习平台有限责任公司，北京 100000）

0 引 言

2022年，北京冬奥会在国家体育馆“鸟巢”拉开帷幕。开幕式通过科技与美学的完美融合，为全世界的观众带来一场震撼的视觉盛宴。北京冬奥会开幕式凭借壮观的蒲公英灯光秀、裸眼3D瀑布、奥运五环破冰等极具视觉冲击力的场面，瞬间冲上世界各大媒体热榜。这些丰富多彩、极具创新和表现力的视觉效果都是通过8K LED屏幕实现的。“鸟巢”定制了全球最大的可呈现8K以上分辨率的LED屏幕来向世界呈现具有中国特色的冬奥会开幕式和中国最顶尖的科技创新水平。

该LED屏幕占地11 500 m2，由40 000多个LED模块组成。它不仅是世界上最大的LED屏幕，而且搭配有世界顶尖的显示技术和播控系统。以5G+8K+AI技术为支撑，北京冬奥会开幕式首次使用前所未有的8K超高清（Ultra High Definition，UHD）屏幕和50 f·s-1帧速，以超高清和流畅感给观众留下深刻印象。

借由本届冬奥会，观众们近距离体验了一次8K技术带来的视觉盛宴，更多的人了解到超高清视频的真实观感，从侧面提升了8K技术在世界范围内的传播和影响力，从中能够一窥未来技术发展的轨迹。

1 影像画质从FHD到8K UHD的转变

早期，消费者接触到的视频分辨率通常为全高清（Full High Definition，FHD）。FHD的分辨率参数为1 920×1 080，也称作1 080p。FHD在之前很长一段时间内是各大流媒体平台内容使用的主流画质分辨率。电子设备制造巨头们大多将此分辨率作为最高支持画质来生产旗下产品。相应地，作为“自媒体”的个体内容创作者们也就把FHD设置为展现自己作品的最高输出画质。随着科技的进步，这个“很长一段时间”在近些年迎来终结。人们意识到，眼前用来了解世界的屏幕已经不能满足他们进一步探索的需求，于是视频画质也就向“更清晰”的方向前进，各种诸如2K，4K甚至8K等远高于FHD的分辨率应运而生[1]。

8K UHD像素高、画面锐利，画面中人物的胡须、皮肤纹路都能清晰地呈现出来。CES（International Consumer Electronics Show）消费电子展为参会者展示了8K UHD技术所带来的革命性成果[2]。2022年，8K UHD技术再度成为世界媒体焦点。电子行业巨头纷纷发布了8K分辨率的显示设备。

电视参数往往涉及2K，4K，8K，QHD，UHD，FHD等专业术语。影响画面清晰度的指标还有PPI。“P”指代“像素”。通常，像素数越多，图像越清晰。当该数值减小时，图片会变得模糊或“像素化”。PPI指像素密度，是指每英寸像素的数量。PPI是衡量显示器真实清晰度的指标。PPI数值越高，像素密度也就越高，所呈现的画面细节也就更多[3]。

8K UHD是目前行业公认的最新高分辨率标准。8K UHD显示和视频数据对应水平方向大约8 000个像素。8K UHD分辨率为7 680×4 320，像素数是4K的4倍，是1 080p的16倍。它是Rec.2020 UHDTV标准中定义的最高分辨率。4K与8K的区别不仅在于分辨率和像素数，还在于色彩的鲜艳度和存在感[4]。8K分辨率下“帧数120 Hz”指1秒钟能显示120帧的画面。刷新率越高，画面越流畅。由于该数值约为4K的两倍，因此与过去相比，8K能够减少模糊并呈现更锐利的图像。此外，在8K和4K中，色域也兼容BT.2020标准，以使图像尽可能接近实际颜色，从而可以清晰地区分明暗。

2 8K技术在各大领域的应用

8K UHD内容具有高分辨率和高色域的特点。即使图像被分割，局部画面的清晰度也不会明显失真。因此，8K技术在大型活动、沉浸式娱乐、医疗卫生及航空航天领域被广泛运用。

2.1 8K UHD技术被广泛运用于体育赛事直播

体育赛事加快了8K UHD技术的普及。中央广播电视总台借助8K UHD制作和转播技术为全球观众呈现2022年北京冬奥会期间所举办的一系列精彩纷呈的活动[5]。在北京冬奥会和残奥会期间，中央广播电视总台为开闭幕式，花样滑冰、速滑、跳台滑雪等比赛提供长达200个小时的8K超高清视频。奥运会期间，所有与冬奥会相关的节目都在央视CCTV-8K频道中播出，还通过全国各大城市的8K LED大屏播出。8K UHD为观众提供更高解析度的画面和更多细节，观众可以看到更加真实的纹理，如运动员衣服上铭牌的详细信息、头盔表面的渐变和比赛道具的细节；对雪地和冰面的刻画也会更加生动，如雪橇掠过雪地激起的雪花，冰面被冰刀划过的痕迹等。聚集在冬奥会的人们甚至可以观察到每个人的面部表情。

2.2 8K UHD让老电影旧貌换新颜

8K UHD技术为老旧电影修复工作注入新鲜血液。作为4K修复产品，由电影资料馆和中央广播电视总台合作完成的4K修复《永不消逝的电波》是4K还原作品中的佳作。人物着装的质感、墙纸的纹理以及植被饱满的色彩都在一定程度上得到修复。这些细节和纹理呈现出极强的表现力。8K电影修复则为影片带来更进一步的“质感”提升，光影渐变等精细像素绘制的流畅度、庞大的信息量、多样的色彩变化及层次感等，都在8K电影修复中活跃起来。通过调整影片画面的灰度、色彩、对比度亮度、HDR（高动态范围成像）等参数获得想要的改变，还可以根据环境光线设置更为合理的对比度，为老电影添加层次和色彩。

2.3 8K UHD在家庭娱乐中的运用

8K UHD可实现真实场景的逼真再现，从本质上还原人眼的有效分辨率。8K UHD还弥合了现实世界与数字世界之间的差距。8K UHD与AI和物联网等其他技术的融合，为新的智能生活范式奠定了基础。人们可以在舒适的家中参与身临其境的活动，如参加音乐会，远程工作，玩VR和AR游戏以及锻炼身体等等。

3 8K UHD生态系统完善

8K UHD商业应用涉及超高清内容拍摄、制作、存储、传输及设备端呈现等多个领域。在蓬勃发展的生态系统中，8K技术的突破加速了超高清的商业部署。在硬件层面，相机、电视等硬件设备的成本将会降低，这将带动更多8K内容的产生。在软件层面，借助云计算和人工智能的存储、编解码技术的进步，8K视频内容的数据量将大大减少。在设备体验层面，8K设备的日益普及，使普通用户体验到超高清视频带来的视觉冲击。在视频传输层面，数据套餐价格的下调，将加速超高清视频的商业化落地。

3.1 8K技术在电视领域的应用

2022年，8K显示设备会加速普及。韩国三星公司生产的支持8K播放的75QN900A型电视外观纤薄，并搭配HDMI 2.1高速视频接口，将最大带宽从原来 HDMI 2.0 的 18 Gb·s-1提高到 48 Gb·s-1。HDMI 2.1的改进也有利于视频和游戏，例如自动低延迟模式（Auto Low-latency Mode，ALLM）和可变刷新率（Variable Refresh Rate，VRR）都能为用户带来更好的视觉体验。自动低延迟模式能够在电视与兼容的视频游戏机配对时自动启用，使其游戏模式降低输入延迟。此外，这款电视还能够将原本低于4K分辨率的内容通过芯片解码提升到8K，从而展示出超高清细节，其接近4 000 nit峰值亮度的高动态范围（High Dynamic Range，HDR）技术也会在真实使用环境中展现出更好的视觉效果。

日本索尼公司生产的全分区背光8K HDR智能电视Z8H系列，凭借自主研发的“X1无限”图形处理芯片，能将任何分辨率的视频内容转换为更为逼真的8K UHD。X1无限芯片通过精确分析和处理数据，以4倍于4K的分辨率为8K图像提供支持，同时为具有更深层次感、纹理和细节的场景提供支持。即使是前期通过4K和2K设备拍摄的图像和视频也可以通过X1无限芯片处理，利用AI算法和边缘计算技术将4K和2K图像转换为8K图像。该过程通过线缩放技术将原本的分辨率放大至8K，再通过对所拍摄的图片和视频用超分辨率处理来优化和再现近似真实世界的纹理。

3.2 8K在VR领域的发展

适配索尼最新一代视频游戏机Play Station 5（PS5）的头戴设备PSVR2正在研发中，索尼在VR技术领域取得了重大进展。在“趋向现实”的主题演讲中，索尼公司详细介绍了这款VR设备。该设备通过搭载OLED自发光面板的微型显示器，能够实现单眼4K、双眼8K的超高分辨率，可投射高清3D空间，消除晶格和纱窗效应，避免像素化，来提供更为清晰的图像。除改进视觉效果外，PSVR2还对信号传输延迟进行了优化，以提供更舒适的视听体验。

脸书旗下的Oculus Quest 2头戴设备也支持最高8K UHD的视频播放，并能借助Visbit 8K VR Videos这一世界上第一款主要用于播放8K分辨率下360°或180°VR视频的应用程序体验虚拟现实带来的视觉冲击。应用程序中的视频都选自世界顶级内容创作者的作品，通过Visbit独家视觉优化（VVOS）技术在Visbit云端进行预转码，并以视频的最高分辨率也就是8K UHD播放视频。

3.3 8K技术在摄影摄像领域的发展

由日本松下公司推出的AK-SHB800 8K摄像机，配备8K全尺寸CMOS图像传感器。8K传感器可生成广角、大画布，处理单元可以从中生成4个单独的画面方便后期“裁剪”。其搭载的ROI系统能够从单个8K摄像机系统生成4种不同高清信号或“虚拟摄像机”，显著降低运维成本，使其非常适合体育广播、舞台及演播室使用。摄像机系统可以从高分辨率、广角8K图像中裁剪多达4个单独的高清视频，并且每个裁剪的图像都可以单独平移、倾斜和缩放，自动广角畸变校正功能，能实时消除周边裁剪所导致的图像畸变，让画面看起来更加自然。

此外，日本佳能公司也发布了能够拍摄8K视频的高端机型EOS R5C[6]。该机型是佳能电影相机系列的新成员。它继承了上代EOS R5机型的大部分优点，解决了在拍摄8K或高帧率4K视频时机身过热问题。在摄录方面，EOS R5C可以录制8K 60 f·s-1的12 bit色深RAW超高规格视频，与R5的8K 30 f·s-1相比有了很大的进步。它还支持通过HDMI端口以高达8K/30P的速度将ProRes RAW视频输出到外部录像机。

4 8K UHD落地仍面临市场化选择

尽管在技术层面有着上述的诸多进步，但由于片源匮乏、拍摄成本高、显示设备昂贵、普通消费者难以区分8K和4K分辨率等因素的制约，8K UHD的普及仍需走很长的路[7-8]。

阻碍8K UHD技术推广的主要原因是内容制作成本过高。用于拍摄的8K相机和摄像机价格昂贵，主要受众群体是专业电影制作人，处理和编辑素材还需要性能强但价格昂贵的计算机。目前，仅有少数流媒体平台提供8K内容。虽然国内的BILIBILI、国外的YouTube、VIMEO等平台有制作精良的8K视频，但包括Netflix、HBO、Hulu在内的大部分重量级流媒体平台目前最高的视频解析度仍为4K。另外，即使是支持8K视频播放的平台，也有着原生8K视频稀少的问题，一些所谓的“8K视频”大部分都是通过AI算法将4K内容插入像素以提高图像质量，获得近似8K的体验。

尽管索尼、松下、佳能等公司都有推出能够拍摄8K UHD视频的摄像机，但视频本身对于拍摄者设备的存储空间也有一定要求。录制1分钟的8K视频，需要近200 GB的储存空间。储存容量和超高的价格也限制了8K设备在民用领域的普及。目前，只有国家级电视台或大型影视制作公司有能力使用。

真正的8K内容还需要用户有更高的网络带宽。想要流畅地欣赏8K视频，需要更快的网速。4K视频1小时会消耗约7 GB的网络流量，并且需要25 MB·s-1或更高的网速。根据计算，8K视频1小时将消耗约30 GB的流量，并且至少需要100 MB·s-1的网速。Speedtest专业测速网站所提供的全球平均固定宽带速度数据表明，全球一半人口的网络速度低于这个要求。即便是在中国、美国、欧洲等互联网发达的国家和地区，也无法做到每一个地区都能达到流畅观看8K UHD视频的标准。高额的网费对于普通家庭来说也是一笔巨大的支出。

5 5G赋能推动8K技术普及

《超高清视频产业发展行动计划（2019—2022年）》指出，到2022年，CMOS图像传感器、光学镜头、专业视频处理芯片等核心部件，以及编解码芯片必须取得突破，8K前端核心设备将形成产业化能力，8K超高清电视终端销量将占电视总销量的5%以上。

2022年北京冬奥会为中国推进8K广播战略提供了契机。中央广播电视总台为此推出了CCTV-8K频道。现在，中国观众可以在新设立的8K UHD频道以超高清的视觉体验观赏北京冬奥会和残奥会等大型活动[9]。此外，“百城千屏”计划将8K技术引入民间，中国运营商在工业和信息化部的指导下，在北京、上海、重庆等20个城市邀请用户参与到8K UHD体验中来，通过升级8K UHD视频专区，进一步拓展8K内容，确保用户通过组播专网和8K超高清智能终端加载并播放8K UHD春晚、冬奥会、文化宣传片等视频节目。

通过5G赋能8K UHD向观众转播奥运会这一重大创举，将会对视频行业围绕该模式建立更广泛的兴趣面发挥重要作用。8K UHD技术与高速大容量通信技术5G相结合，将在影视制作、大型活动、安防、医疗卫生及教育等各个领域创造新价值。随着5G+8K的运用和全国8K屏幕建设工作的开展，2022年，8K UHD技术在中国将会有更为广阔的前景。

6 结 语

目前8K仍非业界主流，输出内容匮乏是8K短期内无法普及的主要原因。尽管8K可以在传统的广播和流媒体之外应用，包括游戏、虚拟现实和用户自行生成内容，但这些还都处于起步阶段。现阶段8K播放设备对普通人而言仍然十分昂贵，为了充分利用8K分辨率，至少需要65英寸或者以上的8K屏幕。屏幕越大，花费也就越高。对于相同的屏幕尺寸，8K的价格要比4K贵2到3倍，如果没有丰富且具有特色的8K内容，很难让消费者买单。

8K技术加速超车，电视面板批量生产、价格持续走低，使得大尺寸显示设备价格逐渐下滑。摄影和摄像等上游产业推陈出新，索尼、佳能等电子巨头发布8K拍摄设备促进了8K内容矩阵的建设。只有当无线技术进一步提速，媒体和电影制作公司丰富8K内容、大尺寸面板价格走低时，与8K相关的民用产品价格才会下降，届时才能让受众享受8K所带来的视觉冲击。