超高清视频技术及应用研究

崔煜华

（中央广播电视总台，北京 100859）

0 引言

随着科技的飞速发展，超高清视频技术日益成为数字媒体领域的焦点。从4K 到8K，这一技术不仅提升了分辨率，更拓展了色域、帧数等方面，为观众带来前所未有的视觉体验。文章将深入探讨超高清视频技术的定义、历史、标准以及产业链的关键组成部分，通过剖析其在电影、电视、文教娱乐等领域的应用，旨在呈现这一技术的全貌，揭示其对数字娱乐与传媒产业的深远影响。

1 超高清视频技术概述

1.1 超高清视频技术的概念

超高清（Ultra High Definition，UHD）视频技术也被称作4K 或8K，是数字视频的一种超高分辨率标准。超高清是根据视角宽度而非高度来定义的，通常涵盖两种主要格式：3 840×2 160（4K）和7 680×4 320（8K）。在超高清标准下，每个像素都能独立显示个性化的颜色，其色彩细腻度和真实度远超以往的高清技术[1]。

1.2 超高清视频技术的历史发展

科技的进步促进超高清视频技术不断发展。19世纪80 年代，普遍采用模拟电视系统，图像质量相对较差。随着数字电视的出现，标清和高清电视逐渐成为主流，带来画质的显著提升。真正的画质飞跃出现于21 世纪初，那时的超高清视频技术刚开始崭露头角。2005 年，日本放送协会（Nippon Housou Kyoukai，NHK）开始进行4K 和8K 的研发工作。2012 年，NHK 在伦敦奥运会上进行8K 实验播出。在此期间，4K、8K 超高清标准陆续被国际电信联盟定为超高清电视的标准。进入2010 年代后期，随着电视和显示设备技术的日趋成熟，以及视频编码、传输技术的进步，超高清视频技术得以广泛应用和普及。无论是电影制作、电视播出还是在线视频平台，超高清视频都已经成为新的标准，使观众能够享受到前所未有的高质量视觉体验[2]。

1.3 超高清视频标准发展阶段

超高清视频标准发展经历了3 个阶段。第1 阶段是2016 年之前的探索阶段，视频标准主要围绕超高清视频的终端设备。第2 阶段是2016—2020 年的发展阶段，超高清视频标准体系框架基本建立，标准领域涉及基础通用、内容制播、网络与业务平台、终端呈现等方面。第3 阶段是2020 年以后，随着8K 超高清视频及电视的发展，超高清视频标准向行业应用方面推进，如向广播电视、文教娱乐和工业制造等领域发展。我国超高清视频标准的主要组织包括全国音频、视频及多媒体系统与设备标准化技术委员会（SAC/TC242）、全国广播电影电视标准化技术委员会（SAC/TC239）、世界超高清视频产业联盟（UHD World Association，UWA）、深圳市8K 超高清视频产业协作联盟（SUCA），代表标准包括《 “百城千屏” 超高清视音频传播系统节目播出技术要求》《高动态范围电视系统显示适配元数据技术要求》（GY/T 358—2022）等[3]。

2 超高清视频产业链关键组成部分

2.1 内容采集设备

超高清视频产业内容采集领域的关键设备包括摄像机、相机、监视器和切换台等。摄像机和相机负责捕捉高质量的画面，超高清摄像机和相机具备4K 或8K 的分辨率，以确保图像的清晰度和细节，同时具备高动态范围（High Dynamic Range，HDR）和宽色域（Wide Color Gamut，WCG）的功能，以获取更加真实、丰富的颜色。例如，国内自主研发与生产的8K EFP 超高清摄像机系统，目前已经广泛应用于体育、晚会等超高清直播与转播活动中。监视器用于实时预览拍摄情况，能够准确无误地显示由摄像机或相机捕捉的画面，以便于实时检查和修改拍摄方案[4]。当前，国外主流厂商均已推出8K监视器产品，我国相关企业仍然以4K 为主，8K 产品仍处在研发阶段。切换台是视频生产中的关键设备，在各种场景下都发挥着重要作用。尤其是在直播中，它能够确保画面的流畅切换，使得视频秀及时、流畅地进行。依托我国互联网行业迅速发展的势头，导播台制作系统的研发与应用处于领先地位，8K 广播级导播台成为重要发展方向。

2.2 内容制作系统

超高清视频的内容制作系统包括虚拟演播室、编解码器、5G 背包、编辑系统、调色系统和制播系统等。在超高清视频制作中，虚拟演播室具备处理高分辨率和复杂图像的能力，以保证所提供虚拟环境的真实感和丰富度。目前，主流的虚拟演播室有虚拟制片（Virtual Production，VP）摄影棚、扩展现实（Extended Reality，XR）延展影棚两大类，被广泛应用于综艺节目、新闻节目和体育节目等制播。在超高清视频中，常见的编解码技术有H.265/HEVC、VP9、AV1、AVS2 等，在保证视频质量的同时，极大地降低视频数据的大小，使得超高清视频的存储和传输成为可能。5G 背包是借助5G 的高带宽和低延迟特性，实现超高清视频的实时传输和直播。编辑系统如Adobe Premiere Pro、Final Cut Pro 等软件，在超高清视频制作中需要处理大量的4K、8K 甚至更高分辨率的视频文件，能够提供流畅的工作体验和强大的剪辑功能。调色系统如DaVinci Resolve 等软件，提供强大的颜色校准和调整功能。制播系统整合了多个环节，提供从拍摄到播出的一体化解决方案。超高清视频的制播系统具备处理和输出高质量视频的能力，同时还需要提供易用的操作界面和稳定的工作性能，网络全网际互连协议（Internet Protocol，IP）化制播成为重要趋势[5]。

2.3 传输与分发网络

由于超高清视频具有大数据量的特性，对于网络带宽和稳定性有着极高的要求。5G 网络以其超高的数据传输速率和低延迟特点，为超高清视频的移动传输提供了强大支撑，不仅使得超高清视频可以在移动环境下流畅播放，也为超高清视频的实时直播提供了可能。除了5G 网络，固定网络（如光纤网络）、卫星网络等也是传输超高清的关键。尤其是光纤网络，超高清视频通过超大带宽实现快速的上传和下载，满足了家庭和商业使用者对超高清内容的需求。

2.4 终端呈现设备

超高清的终端呈现设备是用户体验超高清内容的关键，包括彩色电视机、虚拟现实设备、手机以及商业显示设备。新一代的超高清电视已经能够提供4K 或8K 的超高分辨率，配合HDR 技术使得画面更为细腻生动。随着显示技术的进步，手机的屏幕分辨率也日益提高。目前，旗舰级手机已经能够提供超高清的显示效果，用户在手机上观看视频也能获得非常好的体验。超高清的广告显示屏、电子白板等商业显示设备能够提供更清晰、更生动的显示效果，有助于提高信息传递和商业推广的效果。

3 超高清视频技术的应用领域

3.1 超高清视频技术在电影领域的应用

超高清视频技术在电影领域的应用日益广泛。电影拍摄过程中，超高清摄影机能够捕捉到无以比拟的细节和色彩，为电影的后期制作提供了丰富的素材。在后期制作环节，编辑师和调色师凭借高清技术丰富的像素细节和色彩深度，对超高清内容进行剪辑和调色，创造出绚丽的视觉效果，提高电影的艺术表现力。超高清技术还克服了画面插帧、缩放等问题，使细节更为鲜明，观众体验感更佳。

3.2 超高清视频技术在电视领域的应用

超高清视频技术在电视节目制作中的应用正在不断深入，超高清摄像设备能够捕获更为精细的图像，极大地提高了源素材的质量。原本看起来微小的细节在超高清摄像下均清晰可见，使得内容更生动、更具吸引力。在剪辑、特效处理和调色阶段，超高清提供的高分辨率和大色彩空间为制作人员带来更大的创作空间。精准的调色、更复杂的特效处理，甚至大幅裁剪和重组画面，都不会丢失过多的细节，也改变了分发和播放阶段。目前，许多电视台开始提供4K、8K 的直播和点播服务。超高清信号对于传输和编解码设备的要求较高，可以为用户带来更好的观看体验。例如，多项超高清视频技术应用于2022 年的北京冬奥会直播与转播活动中，中央广播电视总台的北京冬奥会4K/8K 公共信号制作，超高分辨率使得观众能够清晰捕捉到每一个运动瞬间，极大地提升了观看体验。对于高分辨率和大数据量的视频流处理，采用H.265/HEVC 等高效编码技术，提高了信号的传输速度和稳定性。新岸线（北京）科技集团有限公司的超高速移动通信系统（Enhanced Ultra High Throughput，EUHT）无线传输技术应用于8K 超高清视频直播中，它借助5G 的高带宽和低延迟特性，使得超高清直播更加流畅，更能反映现场的实时情况。

3.3 超高清视频技术在文教娱乐领域的应用

在教育领域，超高清视频技术为在线教育和课程录制提供了新的可能。清晰度极高的画质使得用户不会忽视复杂的知识点和细节，如复杂的图表或者实验操作过程，大大提高了教学质量。在文化领域，超高清视频技术被广泛应用于博物馆、艺术馆等场所，即使不能现场参观，也能够通过超高清视频获取身临其境的体验。同时，超高清视频技术能够对文化遗产进行高质量的数字化保存。在娱乐领域，超高清视频技术的应用更为广泛，网络直播、电子竞技等新形式的娱乐活动也在利用超高清技术提升用户体验。例如，咪咕视讯科技有限公司通过8K 超高清多城同步直播新模式，使用 “5G+8K+云直播” 举办第十四届音乐盛典咪咕汇，在全国多城异地超高清同步直播。活动现场配备全球首辆 “8K+5G” 超高清视频全业务转播车，通过8K 讯道完成8K、4K、高清晰度（High Definition，HD）规格的节目生成模式（Program Generating Mode，PGM）信号的传输工作，依托8K 超高清多城同步直播系统，实现8K 直播流在咪咕全生产系统内的转码分发[6]。

4 结语

超高清视频技术的蓬勃发展不仅引领着数字媒体的时代潮流，更为各领域注入新的创意与可能性。超高清视频在电影、电视、教育等方面的广泛应用，彰显其对多领域的深刻影响。未来，超高清技术将持续演进，为人们带来更加丰富、沉浸式的视听体验，开启数字娱乐新篇章。