4K，夢想照進現實

邢衛東

<h3>2015年底，我應《電視技術與應用》的邀約寫了一篇文章《4K的未來》，結尾寫到"從1990年代初美國大聯盟數字電視標準確定，電視的數字化和高清化經歷了不同的周期，從那時起到我國大規模的電視數字化改造大概經過了8到10年，大面積的高清化改造大概經過了15年。4K+IP化將是更深刻、復雜的變化，但借鑒所謂的摩爾定律的趨勢，也許能夠期望不等得太久。"在那段時間聊4K什么時候會到來，我通常會借用一幅"全球媒體高管"的評估圖表，其中認為超高清電視5-7年成為主流的比例高達42%。當然，說的時候有些糾結，因為眾所周知，國內廣播電視行業正處于一個低谷，現有頻道的高清率還很低，我們還能自信地進入一個4K的時代嗎？</h3> <h3>今年4月底，廣東省人民政府辦公廳印發的《關于開展新數字家庭行動推動4K電視網絡應用與產業發展的實施方案》的一紙通知，在業內形成一個熱點。由此，廣東廣播電視臺承擔了4K超高清（UHD）電視制播的任務，4K由夢想照進了現實。經過半年來的摸爬滾打，《電視技術與應用》又約我寫4K，我想可以從現在的視角談談在4K超高清電視制播中關注的問題。</h3> <h1><b>一、大屏帶來的視聽變化</b></h1> <h3>大屏是電視工程師的夢想。前段時間跟日本的產品研發設計人員一起討論4K超高清電視攝像機的設計問題，對方提到對于35mm膠片寬銀幕電影的質量和效果的追求，讓我不禁回想起大約30年前，我開始接觸到高清電視概念，印象最深的莫過于當時對于電視清晰度追求的描述，即要達到35mm膠片寬銀幕電影的質量和效果。由于技術的進步，35mm膠片寬銀幕電影的質量和效果也在提高，但是電視工程師對于大屏夢的追求一直沒有變。</h3> <h3>當你在客廳面對一臺50寸的平板高清電視機，感覺清晰度和舒適度都不錯的時候，高清電視已經不是電視工程追求的那個大屏了。對，或許換一個100寸的4K電視機，同樣的距離，更大的屏幕，你能看到的是細密到不能更清晰圖像，置身其中，"沉浸"于斯，這才是那個大屏夢的初心。</h3> <h3>超高清電視在發展中豐富了這一追求，謀求圖像所呈現的顏色、對比度和伴隨的聲音如同真實的世界。4K超高清電視對于視聽的定義除了分辨率的提升（由1920×1080像素到3840×2160像素，水平分辨率大約達到4K），還提出了對于圖像色域的追求（由REC 709到REC 2020，色域覆蓋率大了1倍），對于圖像動態范圍的追求（由CRT電視1000:1到10^5:1），對于視頻更高幀率的追求（對于PAL制由25fps到50fps甚至100fps），對于更好聲音體驗的追求（由單聲道、立體聲、環繞聲到"沉浸式"的多平面立體聲（或稱三維聲））。當然為了表示更廣的色域和更高的動態范圍，表達一個圖像像素數據由3×8bit提高到3×10bit乃至3×12bit。<span style="color: rgb(255, 138, 0);">超高清電視描繪了一個更為全面的"沉浸式"享受的未來家庭娛樂世界，為電視視聽帶來了質的變化，其深刻性可能不亞于電視從黑白到彩色的變化。</span></h3> <h3>這些目標，由于技術或工藝的原因，目前還不能完全實現，譬如根據我們的測試，寬色域的表示目前大概能達到REC 2020色域的80%左右，高動態顯示技術也在提高過程中，普通視頻幀頻提高到100fps或者更高以及用3×12bit數據表達圖像像素在電視工藝實現上（主要是大規模計算、存儲和訪問）存在一定技術瓶頸。所以，<span style="color: rgb(255, 138, 0);">超高清電視對于我們來說，不僅是一個照進現實的夢想，也是一個不斷進步中的未來世界。</span></h3> <h1><b>二、超高清電視制播的工藝變革</b></h1> <h3>4K超高清電視（UHDTV）帶來的深刻變化影響到電視制播工藝的變革。</h3> <h3>在前期，更大的分辨率帶來景深更小、聚焦更難的問題，與此同時高質量的鏡頭變得更大、更重、焦段更窄，為減輕重量，攝像機設計通常在機身瘦身上做文章（譬如采用單片CMOS，以及更高集成度和智能化的處理電路、固態存儲卡記錄、更輕的外殼材料等），使得配重形成了頭重尾輕的根本變化，這些變化使得4K電視攝影師目前在大多數情況下，不僅難以像過去那樣肩扛著攝像機推、拉、搖、移，如果講究，也許還要攜帶更多不同焦段的鏡頭。</h3> <h3>在記錄和存儲方面，4K超高清非壓縮的文件化的凈數據量是高清（HD）的10 倍，數據量大大增加。存儲10bit的4K超高清信號，如果按照Apple的ProRes HQ或Avid的DnxHr HQX的編碼格式記錄，碼流大約在1.2~1.5Gbps，1張256GB的高速存儲卡大約能記錄大約20分鐘的節目素材。如果采用Sony的XAVC或者Panasonic的AVC Ultra LT的編碼格式記錄，碼流大約在400~500Mbps，1張256GB的高速存儲卡大約能記錄大約1小時的節目素材。盡管在前、后期記錄不存在問題，記錄單元成本在快速下降，但單位節目時長記錄成本仍大大增加。如果要追求線性γ的Raw格式，數據量更大，前期記錄則需要借助外置硬盤記錄。昂貴的存儲成本和安全問題使得采用大規模存儲來替代過去分散的磁帶或藍光盤長期保存成為一個必然選擇。大致可以設想，超高清的電視節目記錄和交換、存儲的一種工藝流程：用高速閃存卡或硬盤記錄節目，然后把它扔到大規模的安全存儲（池）或者網絡上的安全云存儲上，拿到本地（包括本地局域網）或者采用高速訪問進行編輯，之后將成品節目推送到發布區進行發布（包括傳統播出和網絡分發）。<span style="color: rgb(255, 138, 0);">4K超高清電視制播似乎天然地排斥非網絡工藝流程。</span></h3> <h3>在演播室制作和傳統播控上，由于4K超高清基帶碼流達到12Gbps，IP技術和新的12G SDI技術逐漸取代3G SDI技術，尤其是IP化使得系統更為簡化的同時，深刻地改變著電視工程師"所見即所得"的信條，同時技術朝向虛擬化、集中化管理和遠程化控制的趨勢發展。電視工程師要逐步具備IT技術素養，有償的IT售后服務將進入到傳統電視中心基帶領域。</h3> <h3>大屏（高分辨率）、HDR（高動態范圍）、WCG（寬色域）還帶來了全制播域的對于節目調整和監看工藝的變化。譬如，高動態和寬色域帶來了對節目色彩更精細調整的可能和需求，"調色"成為超高清不可回避的工藝環節。沉浸式的"大屏化"必將帶來鏡頭語言的變化，如何幫助編輯人員既能舒適地編輯監看，又能感受到大屏鏡頭語言，需要在監看工藝上改變。在過渡期，要確保高動態、寬色域制作的4K超高清節目能夠在高清頻道播出（包括同播），就需要監看REC.709色域的SDR（標準動態范圍）圖像效果，并進行HDR/SDR間的科學轉換。對于這些問題的探索和解決改變了傳統工藝。此外，聲音制作除了增加了音源采集平面，也添加了用于特殊效果的矢量對象元素，工藝更為復雜。</h3> <h3><span style="color: rgb(255, 138, 0);">不過，所有這些變化也許還不及我們對于大屏聲畫創作理解所需要的變化大。</span></h3> <h1><b>三、幾個值得關注的問題</b></h1> <h1><i>1、Rec.2020上的HDR</i></h1> <h3>盡管HDR沒有列入最早的4K UHD標準中去，HDR的到來卻是必然的。隨著平板電視技術的發展，電視機能夠呈現的顏色和動態范圍遠遠不止CRT時代，目前普通LED平板電視能夠達到300nit的亮度（大約是CRT的2倍，遠遠超過100nit的傳統電視標定值），動態范圍可達3000:1，OLED平板電視能夠達到400nit以上的亮度，動態范圍可達8000:1以上，隨著LCD技術的發展，制造1000nit亮度，動態范圍達到或超過10^5:1的電視屏并非奢望，而好的電視屏能覆蓋Rec.2020色域的70~80%。<span style="color: rgb(255, 138, 0);">在更好的電視屏上呈現具有更接近自然豐富色彩和層次的內容，電視制播面向更寬色域上HDR的轉型升級是必然的。</span></h3> <h3>目前，主流的50~65寸4K平板電視在傳統家庭觀看距離下不足以展現超高清的分辨力魅力，Rec.2020上的HDR視頻帶來的通透性和更真實的色彩感覺可能是推動4K UHD發展的一個重要支撐點。</h3> <h3>但不像SDR時代，一根標準的電視γ曲線簡單劃一地規定了圖像的表達方法，把高亮部分的細節基本忽略了。HDR為圖像高亮部分分配了更多的表達數據，而且不同的機構或廠商針對不同的動態范圍推出了不同的表達曲線，其中以杜比的PQ（Perceptual Quantizer，感知量化）曲線和NHK與BBC共同推出的HLG（Hybrid Log-Gamma，混合對數γ）曲線最為著名。PQ曲線（包括Dolby Vision和HDR10）更接近人眼視覺特性，能夠再現的動態范圍是正常曝光量的10000%，峰值達到10000nit，其設計初衷是攜帶元數據，確保用戶終端（當然能夠識別元數據）能正確呈現HDR或SDR視頻；HLG曲線則是為了在接收上更好地與現有電視系統妥協而設計，確保HDR視頻不攜帶元數據即可在各種新、舊電視終端上呈現，HLG曲線能夠再現的動態范圍是正常曝光量的1200%，峰值達到1000nit。此外，索尼、松下、阿萊和佳能等公司也在攝像機端推出了不同的HDR曲線以滿足制作端的多樣化需求。這種多元化也給電視制播帶來了困擾，包括針對不同曲線的視頻顯示選擇、不同曲線視頻的轉換和色彩層次損耗、動態范圍和峰值的調整匹配、面向終端用戶的兼容，等等。</h3> <h3>與此同時，不同動態范圍、色域的視頻圖像在動態范圍、色域不匹配的終端上顯示會產生問題，這是一個更大的問題。譬如：具有高動態的視頻為畫面的主體分配了相對較低的亮度值，如果把它按相對值簡單匹配到低動態范圍終端顯示，主體畫面會偏暗，并丟失細節。如果色域也不匹配，會造成進一步的色彩丟失和偏色。Rec.2020上的HDR視頻在支持Rec.709的SDR電視終端上的顯示由于視頻表達曲線的差異，上述問題則會進一步放大。</h3> <h3>所以，<span style="color: rgb(255, 138, 0);">對HDR的追求既值得憧憬，也充滿困難，是4K超高清要解決的關鍵問題之一，</span>要考慮到兼容問題和發展的階段性。在制播域，4K發展初期我們關注兩個問題：一個是4K HDR制作的節目如何能在高清頻道上高質量地同播或播出？一個是當4K HDR制作的節目傳播覆蓋到能夠接收但動態范圍不足或更窄色域的終端，如何評估受眾的感受并更好地適配？</h3> <h1><i>2、IP還是SDI</i></h1> <h3>應該說超高清是IP化在廣電領域推廣的助力器，與過去的3G SDI技術相比，IP化能夠讓制播系統輕松化繁為簡。但隨著12G SDI技術的到來和IP化標準尚存不確定因素，IP還是SDI變成了依然可探討的話題。</h3> <h3>SDI的簡單連接、即插即用和所見即所得對于廣電工程師來說深入骨髓，12G SDI即便還沒建立起標準化體系，沿用3G SDI的絕大部分框架就可以搭建起與過去工作流程大同小異的12G SDI技術體系，當然對于12G SDI來說大規模信號調度依然是難題。與SDI上述特性相反，視頻基帶信號IP化后更容易處理大規模信號調度，但建立連接相對復雜，需要標準和協議支持，新的設備加入需要注冊、授權，所見的（監看的）未必是要得到的（輸出）。所以，加強安全性、提高設備接入能力和速度、建立通用連接標準就成為IP化推進的重要工作。其中，建立通用連接標準尤為重要。SMPTE（電影和電視工程師協會）正在起草的SMPTE ST 2110 IP專業媒體標準在這些方面被寄予厚望。日前，SMPTE頒布了SMPTE ST 2110的前4個子標準，包括SMPTE ST 2110-10（定時和定義）、SMPTE ST 2110-20（不非壓縮的有效視頻）、SMPTE ST 2110-30（不壓縮PCM音頻）和SMPTE ST 2110-21（流量整形和傳輸定時）。但標準的全面完成仍需時日，在標準和技術實用化之間也仍有一段路要走。</h3> <h3>盡管如此，這些問題其實并不妨礙我們在一些局域性的制播"島"內（譬如演播室）采用SDI或現有的IP化解決方案。重要的是系統間連接和信號調度要符合共同的規則，并最好能夠升級到全面符合未來的SMPTE 2100標準。事實上，<span style="color: rgb(255, 138, 0);">IP化不會是終點而是一個新的起點，廣電人需要思考IP化對于傳統制播工藝和技術保障帶來的根本變化，并去積極適應。在這個過程中SDI仍具有其積極意義，定位也有待觀察。</span></h3> <h1><i>3、對電影制作模式的借鑒和異化</i></h1> <h3><span style="color: rgb(255, 138, 0);">回到文章開始的大屏夢，我的理解是在追求電視的電影化。</span>在4K超高清電視來臨的時候，成熟的電影制作流程自然會被借鑒到電視中來。但是，電視和電影仍具有重大差異，這些差異難免會導致制作模式的異化。電視節目量大、快速、小團隊制作的特點，使得它在"拿來"電影制作模式時有點消化不良。</h3> <h3>譬如前期，更多時候電視缺少像電影那樣龐大的攝制工種，通常是兩三個人的小制作團隊，強調設備的便捷性，攝像機的配重、耗電就成為重要問題，外置記錄和其它配套設備也會成為負贅。而25P幀率節目的精細攝制對于大部分強調時效性的電視節目來說難以玩得轉。所以，重視設備的輕便性和50P幀率記錄格式非常必要。</h3> <h3>后期，數字電影制作通常有代理剪輯、回批、合成和調色等環節，復雜的還需要多級校色。電影素材追求16bit線性RAW格式記錄，謀求精細調色過程中盡量減少色彩層次信息的損耗和丟失。這些對于電視來說，或許就是奢望，除了少量精品，<span style="color: rgb(255, 138, 0);">4K電視的大部分節目可能不是追求把電視做成電影，而是要把電影快餐化。</span>所以，在數據存儲量和數據訪問帶寬突飛猛進的情況下，探討合理地存儲碼流和現有技術對多層實時編輯的支持能力以及HDR的準確展現，成為半年多來我們和后期設備生產廠商交流的主題。</h3> <h1><b>四、更多的積極因素</b></h1> <h3>總體來說，在關注上述問題的時候，我們也在積極推動、協調和解決這些問題。和數字化、高清化不同，廣東省政府推動的4K超高清電視發展著眼于產業發展，對廣電來說是外力，沒有標準，沒有儲備，技術處于開發期，內容創作模式有待實踐，是探索性的實驗工程，但也恰恰可以通過電視的播出達至行業的規范、帶動產業的發展，這對于電視臺來說是壓力也是機遇。</h3> <h3>現在談4K的未來，積極正面的因素更多一些，我們看到基于國標AVS2的4K編、解碼和傳輸設備處于量產前期，針對HDR的測試據說也富有成果；從制播到傳輸，盡管配套不足但設備逐步豐富，我們期待的"更快的計算和訪問、更大容量的存儲、更寬的傳輸帶寬資源"正在逐步符合4K超高清電視發展的需求，不僅是廣電，電信也在積極配合全力推動4K IPTV的發展戰略；電視終端，具有"更大的尺寸、更寬的色域和更高的動態范圍"的平板電視正在起步發展；一系列國有標準的制定正在緊鑼密鼓地進行。</h3> <h3>我個人而言，更關注從電視制播到傳輸到終端的全鏈條協調式發展，但愿經過3年的一個階段性探索，到2020年我們可以真正迎接4K超高清電視時代的到來。</h3> <h5><i>作者：邢衛東廣東廣播電視臺教授級高工，國務院特殊津貼專家</i></h5>

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