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4K高清,为什么离我们还是那么远

2016年07月18日 视频监控 ⁄ 共 5763字 ⁄ 字号 暂无评论 ⁄ 阅读 2,760 次

从480p标清到720p高清,再由720p高清到1080p全高清,直到最近的4K、8K超高清开始进入民用领域(在视频监控领域也用像素来划分,100万,200万,500万,800万,1000万,1200万等),可以清晰的看到整个的发展趋势。而更高的分辨率意味着可以显示更多的画面细节与层次感,从视频采集到传输,到最终显示也因此需要不断变化。正是由于4K技术能够让我们看到更大的画面,更丰富的色彩与细节,因此也成为了目前备受瞩目的技术。

注:4K这个名词已然成为代名词,它可能指以支持4K标准的摄像机、线缆、编/解码器、显示、芯片等,具体指向产品依据上下文描述推测。

2012年8月ITU推出了ITU-R Recommendation BT.2020(以下简称Rec.2020)超高清电视广播系统与节目源制作国际标准。Rec.2020为超高清定义了两种16:9数字显示规格的物理分辨率:3840×2160与7680×4320,即4K和8K的物理分辨率。自此拉开了4K超高清的序幕,从分辨率上看是1080P的4倍,但很多人往往走入了一个误区,只知道4K的分辨率,却不知道原生4K的标准还定义了色深,色域等方面的要求,接下来,我们从几个方面来剖析4K发展的问题,它到底离我们有多远那?

注:4K在分辨率上,分为电视4K分辨率3840x2160和电影4K分辨率 4096x2160。因此在显示技术上,也分为ITU-RBT.2020电视显示技术标准和DCI数字影院技术规范。

4K的诞生与发展

2012年下半年,国际电信联盟无线电通信部门(ITU-R)颁布了面向新一代超高清UHD(Ultra-high definition)视频制作与显示系统的Rec.2020标准,重新定义了电视广播与消费电子领域关于超高清视频显示的各项参数指标,其中4K的物理分辨率为3840×2160,而8K则为7680×4320。之所以超高清视频显示系统会有两个阶段,实际上是因为全球各个地区超高清视频显示系统发展差异性所造成的,例如在电视广播领域技术领先的日本就直接发展8K电视广播技术,避免由4K过渡到8K可能出现的技术性障碍。而在世界的其他地区,多数还是以4K技术作为下一代的电视广播发展标准。2020年第32届夏季奥林匹克运动会将在日本东京召开,据国外消息透露,日本准备在2020年使用8K技术转播奥运会,至此8K进入我们的生活已经有了清晰的时间表,相信最近几年全球电视分辨率也将迎来新一轮的拉升。

4K高清

2015年3月26日,索尼中国专业系统集团在CCBN展会上向江苏省广播电视总台交付中国第一辆4K转播车,这也是国内首次具备4K/高清同播能力的现场制作系统。随着越来越多的演唱会,发布会,现场直播采用了4K转播,不管主办方是否是为了噱头吸引人气,但告诉我们的是4K离我们越来越近了。

4K能给我们带来多少震撼

4K的卖点不仅仅是画面空间分辨率的提升,还有很多诸如帧率、色彩深度、色彩空间、编解码技术、电视机技术发展趋势等细节,如果你对这些细节也感兴趣的话,不妨来一起探讨一下,由于作者的水平及认知有限,如有错误,请读者在下方留言。

1.分辨率及帧率

Rec.2020标准规定Ultra-high definition超高清图像的显示分辨率为3840×2160与7680×4320,画面显示比例为16∶9,支持的帧扫描频率包括120p、60p、59.94p、50p、30p、29.97p、25p、24p、23.976p。当中,可以发现所有超高清标准的影像都是基于逐行扫描的,经历近百年的隔行扫描技术终于在超高清时代退出了历史舞台。

2.色深及色域的提升

在色彩方面,Rec.2020标准相对于Rec.709标准作出了大幅度的改进。首先是色深方面,由Rec.709标准的8bit提升至10bit或12bit,其中10bit针对的是4K系统,12bit则是针对8K系统。这一提升对于整个影像在色彩层次与过渡方面的增强起到了关键的作用。

如下图所示,人眼可以看到的色域范围,蓝色区域为Rec.2020的标准色域,绿色区域为Rec.709的标准色域,红色区域为我国数字电视等效于欧洲广播联盟的相关标准。

4K高清

标准的提升使视频在色彩层次与过渡方面起到了关键的作用,而色域面积的提升能显示更加丰富的色彩,只是相对来说,越广的色域对于显示设备的性能要求就更高。

3.非压缩传输所需的带宽

标准为10bit,23.976帧:4K图像的带宽3840×2180×10×3×23.976=6.02Gbps

标准为10bit,30帧:4K图像的带宽3840×2180×10×3×30=7.5Gbps

标准为10bit,60帧:4K图像的带宽3840×2180×10×3×60=15.0Gbps

标准为12bit,120帧:4K图像的带宽3840×2180×12×3×60=18.0Gbps

所以,传输接口是否支持4K,主要看接口带宽是否够用,4K的带宽因为色深、采样格式、帧率不一样,对传输带宽的要求也不一样。

4.传输线缆

4.1 HDMI

HDMI是“高清晰度多媒体接口(High DefinitionMultimedia Interface)”的简称,2002年4月,日立、松下、飞利浦、Silicon Image、索尼、汤姆逊、东芝七家公司共同组建了HDMI高清多媒体接口组织,并且在同年12月9日发布了1.0标准,其最大的特点是同时可以传输视频和音频信号,对于组建家庭影院、消费电子类产品而言,可以大大减少线缆的数量。经过了数十年的发展和演进,HDMI接口目前已经被广泛应用在平板电视、数码相机摄像机、高清播放机、投影机、PC、手机、平板电脑、车载电子设备等非常多的领域,已经成为消费电子设备中不可缺少的视频接口,其版本也一路升级到2.0支持4K的传输。

HDMI2.0功能对比:

版本 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 2.0
发布日期 2002.12 2004.05 2005.08 2006.06 2009.06 2013.09
最大带宽(Gbps) 4.95 4.95 4.95 10.2 10.2 18
最大分辨率 1600×1200P60 1600×1200P6 1600×1200P6 2048×1536P75 4096×2160P30 4096×2160P60

 

4.2 SDI

各种SDI标准均使用75欧姆阻抗同轴电缆和BNC连接器进行传输,这和模拟视频场合中使用的传输媒介一致。

标准 名称 最大带宽 支持格式
SMPTE  424M 3G-SDI 2.97Gbps 1080P
TBA 6G-SDI 6Gbps 4K
TBA 12G-SDI 12Gbps 4K

 

4.3DisplayPort

据称全新标准将总带宽提升到了32.4Gbps,具备四条通道各自分配8.1Gbps,比之前DP 1.2/1.2a版本接口增大了50%带宽,几乎是1.1版标准的三倍。这可是一个不小的提高。

版本 1.1 1.2 1.3
发布时间 2008 2009 2014
最大带宽 10.8Gbps 21.6Gbps 32.4Gbps
最大支持分辨率 1080P 4K 5K

 

通过表格我们可以看出以上部分线缆标准也只能满足超高清一部分低标准的带宽需求,而对于更高的带宽需求,厂家也采用了多通道,多线缆的模式去解决,相信未来会有更多的解决方案的出台。

5. 视频压缩标准(H.265\HEVC)

前面提到了4K的视频码流如此的大,高清传输线缆又受距离的局限性,这个时候就需要将视频进行压缩传输,采用更高的压缩率的H.265方案的应用正式登陆舞台,在不久的将来,新的压缩标准H.266也将浮出水面,提供更好的压缩比和视觉效果。

H.265/HEVC标准技术特点:

H.265/HEVC的编码架构大致上和H.264/AVC的架构相似,主要也包含,帧内预测(intra prediction)、帧间预测(inter prediction)、转换 (transform)、量化(quantization)、去区块滤波器(deblocking filter)、熵编码(entropy coding)等模块。但在HEVC编码架构中,整体被分为了三个基本单位,分別是:编码单位(codingunit,CU)、预测单位(predict unit,PU) 和转换单位(transform unit,TU )。

比起H.264/AVC,H.265/HEVC提供了更多不同的工具来降低码率,以编码单位来说,H.264中每个宏块(marcoblock/MB)大小都是固定的16x16像素,而H.265的编码单位可以选择从最小的8x8到最大的64x64    。

同时,H.265的帧内预测模式支持33种方向(H.264只支持8种),并且提供了更好的运动补偿处理和矢量预测方法。

反复的质量比较测试已经表明,在相同的图象质量下,相比于H.264,通过H.265编码的视频大小将减少大约40%。由于质量控制的测定方法不同,这个数据也会有相应的变化。

2014年12月,四川广电网络、四川电信等共同筹备已久的高清互动电视4K体验专区正式推出,码率达到15-20Mbps。

2015年NBA中国赛,现场信号由中国电信编码为HEVC 30Mbps@3840×2160/50P,通过百视通机顶盒进行4K直播。

制作精良的4K节目或者说 UHDTV 和目前的HDTV(2K、1080p)相比并不仅仅是分辨率上达到两倍(或者说像素达到四倍),在帧频(或者说时间取样)、每像素色深、色域等方面都有极大的不同,如果只是炒作4K 而没有在这三方面做好的话,那也只是缩水版的 4K,也是伪4K。一部放映级别的4K影片码流达到250M左右,下图是《北京烤鸭与美女》的4K片源采用H.264编码,码流可以超过40Mbps,这个时候H.265就孕育而生了,给我们提供更好的画面质量的同时,带来了更低的码流。

6.芯片

成像传感器的芯片是4:3而高清采用16:9的模式一种处理方法是将上下进行裁边处理,这样一块880万像素的传感器有效像素已经不足,通过插值算法补足分辨率,这种做法就是一种伪4K。而Exmor成像器全部像素为1160万,有效像素达到880万,为用户打造最佳的4K分辨率。

7.海量存储

目前主流的存储仍然以磁带,机械硬盘,光盘作为主要的媒介。在一般人眼里,磁带存储已经成为一个过时的技术,然而在云计算、云存储的背景之下,磁带存储却依然呈现出高增长。近日,某公司成功研发出存储量高达185TB的磁带,这一技术足以让蓝光光盘,硬盘等存储介质自叹不如。

新型磁带密度为每平方英寸可以保存184GB的海量数据,一个完整的磁带数据存储达到了185TB,这相当于3700张双层蓝光光碟,30块6TB硬盘。磁带存储的问题是读取速度慢,因此许多大公司用来做数据备份,存储对于访问要求不高的海量数据。

有没有一种可以保存100年的材质,还能够经受住盐化,腐蚀的折磨那?于是出现了蓝光盘库,其拥有500万次的无故障操作,多线程的搜索,配合管理软件,人脸的检索,适用于广电,金融,医疗,政府机关等使用。

机械硬盘的使用应该是更为熟悉,在每个人的个人电脑,服务器也都少不了机械硬盘,在60年的发展当中,单碟容量在不断的增大,冗余技术在不断的提升,其广泛用于视频监控存储的磁盘列阵,NVR也是大受好评。高密度的磁盘柜,RAID的冗余机制让其数据更安全可靠,寻道速度,缓存容量,传输速度也在不断的提升。

8.显示

显示目前主要以显示器,电视,投影仪为主,4K投影又采用TI(德州仪器)生产的单片DLP芯片或三片DLP的各厂商以及采用LCoS技术的索尼(影院放映机目前只有巴可、科视、NEC、索尼)。

2016年1月,TI发布了一款面向家庭影院、商业及教育领域投影显示的0.67英寸4K UHD芯片。这款最新的DLP产品在单芯片投影架构中可实现高分辨率和高亮度的解决方案,并可帮助制造商扩大4K UHD投影显示屏的应用,从而接触到更广泛的用户群。DLP 4K UHD解决方案利用DMD芯片的速度优势及高级图像处理能力,可凭借4百万个微镜将超过8百万个像素传送到屏幕上。每个微镜可在一秒内切换超过9000次,从而在屏幕上的每一帧内都生成两个完全不同且唯一的像素,以实现全4K UHD分辨率。有了TI的4KUHD芯片组,投影仪制造商可以灵活的应用灯、LED、激光光源来生产DLP的投影。

2014年小米电视2发布引发了真伪4K的讨论,强调自身并非“伪4K”的RGBW模式。仅仅是显示分辨率达到这完全不够,一款成熟的UHDTV应该至少具备3840×216010bit 60Hz(最好能到120Hz),遵循Rec.2020色域,至少支持DP1.2或HDMI2.0接口,提供RGB独立调控以及H.265视频解码的硬件支持(可以通过外接盒子解决)等。

最后总结:

4K从视频的采集到传输,到编解码,到存储,到显示中间的任一一个环节都却一不可,从终端应用来讲,无论是4K电视,4K显示器还是4K投影都面临着一个片源少的问题,那为什么影视公司,电视节目制作公司不多制作些4K的片源那,一个字,“贵”。显示芯片、成像芯片技术垄断导致价格昂贵,4K的超高存储量以致需要更多的存储空间,带来设备的成本以及空间的成本。或许有人会说,降价就会普及,普及就会再降价,道理固然对,但是现阶段拥有4K核心技术的厂家屈指可数,且没有形成强烈的供求关系。

从模拟/标清视频升级到高清(720P,1080P),整个过程并未完成,还在过渡当中。从标清到高清视觉感受完美,可以明显感觉到画面清晰度的改善,而从高清到超高清的转变却无法体验到那种逼真和细腻,用户也并不愿意花大价钱去升级改造。那些已经升级成高清的是否会再多等几年直接升级到8K?而那些正在着手改造的会使用一部分高清,再加体验一点4K那?要想普及4K,恐怕要等到视频采集设备成主流的那一天吧,如同新能源汽车的普及是先有充电桩的普及,还是先有电动汽车的普及道理相似。目前UHDTV已经出于较普遍现象,其较高的性价比,用户升级换代先行拥有了终端,那我的4K大电视就成为了一个花瓶了,小编以为,您可以先买个4K摄像机安装在无人机下,用4K大彩电看看外面精彩的世界。

那么,4K到底离我们有多远?我的答案是远在天边,近在眼前。


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