4K技术发展现状和电视推广前景

2017-12-14 20:43 sygd
4K(QuadFullHighDefinition)技术指的是使视频的数字化水平像素数达到或接近4096的实现技术,包括成像、传输和显像等三个方面的内容。目前已问世的4K分辨率种类繁多,包括FullAperture4K(4096*3112)、Academy4K(3656*2664)、Digitalcinema4K(4096*1714)、Digitalcinema4K(3996*2160)等。目前网上能下载到较常见的4K分辨率规格有3840*2160(16:9)、4096*3072(4:3)、4096*1744(2.35:1)等。其中电视使用的4K分辨率为3840*2160(16:9)。

 
 
    4K分辨率最早是在2004年7月1日由好莱坞7大电影公司组成的数字电影推进联盟(DigitalCinemaInitiative)修订并推出的电影行业标准,规定数字影院清晰度分为两级,即DCI2K(2048x1080像素,每秒24帧或48帧)和DCI4K(4096x2160像素,每秒24帧),目的是确保数字电影相对于高清晰度电视在技术层面的优势,这种优势是电影与电视竞争的主要力量。而在此之后,日本放送协会NHK,开始自建下一代超高清电视的相关标准SuperHi-Vision。
 
    4K技术的到来,除了是技术和行业发展的需要、电视与电影的不断竞争的原因之外,究其根本是视频受众对于观影和收视的基本要求——清晰度和还原度。反观影像的发展史,可见主要就是清晰度的革命史:不论是从电影还是电视的领域,清晰度的标准一直在随着技术的发展和成熟逐渐增大,从业人员不断追逐着将更清晰的视频呈现给需求人群。标清电视的垂直清晰度是458线,高清数字电视的垂直分辨率是标清电视的两倍多,因此垂直清晰度也翻了一倍左右,而根据2014年6月由ITU-R(国际电信联盟无线电通信组织)发布的BT.2020标准,4K电视要比高清数字电视的垂直分辨率再高一倍,清晰度也进一步翻倍。
 
    同时,4K电视标准采用了逐行扫描技术,取代了在标清、高清时代一直伴随电视制、播、传流程的隔行扫描,虽然对传输带宽的要求增加了,但是垂直分辨率度也随之增加,在分辨率上达到了与数字电影一样的清晰度。
 
    随着4K拍摄对像素数量要求的增加,摄像机和摄影机的成像原件尺寸也相应的增加,因此画面的景深也相应增加,这使得画面的艺术效果也得到了增进,也令电视节目的画面越发接近电影画面。
 
    4K技术中另一个指标是灰度阶,也简称作“灰阶”。我们知道,标准清晰度电视的灰阶标准为8比特,高清晰度电视的灰阶标准为8或10比特,而4K电视和4K电影的灰阶为10或12比特(即212=4096),相比8比特的256个灰阶,颜色的还原度和丰富程度得到了非常大的提升。而已经问世的一些数字摄影机(例如SONY的F65、F55)的灰阶达到了14比特,即16384个灰阶,色彩的还原度又得到了进一步提升。
 
    作为视频技术中最重要的指标,色域本是区分电影和电视的最大区别,但在数字电影盛行的今天,电影的胶片拍摄方式虽然还在继续,胶片的放映方式却逐步淡出电影市场,因此电视和电影的色域范围区别已经不大。如图1所示,马蹄状的色彩分布图是人眼可见光的色域范围,三角形是4K和高、标清数字电视技术标准下的色域范围,三角形覆盖的面积越广,表示该标准的色域越广,越接近人眼观看自然物体时还原的色彩感觉。通俗的说就是在该图中三角形的面积越大,其对应的标准的画面越真实。电影胶片的色域几乎覆盖整个可见光范围,比数字4K电影和数字4K电视的Rec.2020色域面积要大,而4K电影和电视的色域又比高、标清数字电视标准的Rec.709色域大许多。从色域中可以从一个角度理解为何世界上一些著名导演依旧在捍卫胶片电影,只因色彩是图像和视频的基本元素,也是艺术表现的重要元素。
 
    图1色域示意图
 
    4K技术的发展现状
 
    1.电影中的4K技术发展
 
    不可否认,电影作为所有视频技术的龙头老大,因其在全球最广大的行业市场和经济效益,始终走在视频技术的前沿。电影界有一句名言:“Yourunthegamutinthisindustry(在这行里色域决定一切)。”现今最为先进的电影色域是由北美电影艺术科学学院(AMPAS)在2001年制订的ACES色域标准,如图2所示。ACES色域范围已经远超过可见光谱范围,现在北美院线在做DCP打包的时候已经规定只能用ACES色域,无论IMAX还是4K。
 
    
 
    图2ACES色域然而即使拥有了超越可见光范围的色域,市场经济决定的数字电影放映市场却越来越向电视技术看齐,不论是全世界最多的2K,还是IMAX或4K,在放映环节都远远达不到制作环节的技术质量,这一点跟现行的高清电视流程很像。
 
    虽然帧率上产生了变革,例如李安导演的“比利林恩的中场战事(2016)”以最高4K120帧的规格上映,但限于放映设备的技术水平,大多数国内影院依旧以24帧排映。国内同时支持4K、3D、120帧的影院目前仅有9家,这些影院也都是为了放映4K120帧而刚刚更换放映设备。
 
    最近两年,4K修复技术得到了广泛应用,片商乐忠于将一些经典的胶片电影修复成4K数字电影重新上映,这是4K技术在从胶片过渡到数字化的进程中一个普遍的现象级应用。
 
    纯数字拍摄的新电影中,4K技术的广泛应用也可见一斑。2016年仅华纳兄弟一家公司就计划出品35部4K电影。
 
    4K技术在电影行业中的普及程度基本涵盖了大部分的制作环节,在放映环节虽不多见,但随着时间的流逝始终会逐步普及,甚至向5K和8K等更高的清晰度发展。
 
    2.电视4K技术的发展
 
    与电影完全相反,电视行业中的4K技术在终端也就是电视机上普及程度非常高,几乎所有的厂商都能够生产4K电视机,市售的4K电视机有一千余种款式,这是因为屏幕供货商相对垄断、技术研发相对集中导致。
 
    4K电视的制作和播出目前还是少数派,主要的应用还是在体育赛事的转播当中,例如2014年巴西世界杯足球赛和2016年巴西奥运会。在体育赛事转播中,4K技术最早的应用是4Kcut技术,即使用4K的摄像机拍摄一个大景别画面,然后从中裁切一个2K分辨率的画面使用,最后通过切换台切出2K的PGM信号来播出。
 
    尽管4K设备的生产厂商在最近4年内积极的推广销售和组织各类4K电视作品制作比赛,但由于国内并没有4K电视播出管道,因此即使4K电视机遍布市场,顶多也只有少部分发烧友买回家用来观看4K电影。相比起3D电视节目的制作,4K制作的技术门槛和经济成本都较低,然而普及程度却完全一样,目前还走不进最终用户家中。
 
    3.其他行业中的4K技术
 
    4K技术在其他行业中的发展非常迅速,手机、平板、笔记本电脑都可以支持4K显示。此外,用于医疗、科研、宣传展示等领域的4K技术也得到了广泛普及,4K设备如同4K电视机一样充斥着电子消费市场。
 
    4K电视技术的推广前景
 
    推广一项技术,最终用户的体验最为重要。电视技术的最终用户就是电视观众,而观众最关心的4K技术给自己带来的最大好处无疑是画质的增加。画质的增加可以在指标上分为几个部分:清晰度、对比度和色域。
 
    我们知道,清晰度的辨别是由人眼视网膜的像素和显示画面的像素的大小、数量差异决定的,而这个差异在数字电视画面上由观看距离和画面的清晰度决定。根据人眼视网膜的分辨力及垂直视野角度推算而来的最佳的观影距离,随着清晰度的翻倍,观影距离也成倍缩短,如图3所示。观众在肉眼分辨画面细节感受不变的情况下,观影位置更接近屏幕,视野被更大的屏幕覆盖,更容易获得身临其境的观影感受。
 
    图34K电视与高清电视观影距离与视角的区别示意图
 
    此外,相比起高、标清电视,4K电视拥有更高的对比度和色域。尽管目前许多国产品牌的电视机分辨率虽然达到了4K,却还是使用高、标清电视时代的Rec.709色域来显示,但相信随着技术的日趋成熟,解码器的生产成本逐步降低,终有一天所有的电视机都会按照ITU-RBT.2020(简称Rec.2020)标准来生产。毋庸置疑,4K电视的问世无疑会提升观众的家庭观影质量,至少从播放环节来看完全可以得出这个结论。
 
    然而,4K电视的推广最重要的环节却不是播放的技术,而是内容的提供方面。在电视节目消费需求中,新闻、体育转播和高质量的纪录片是较稳定的部分,其中新闻并不需要清晰度达到电影级别的视听享受;纪录片的投入产出比实在太低;只剩下体育转播比较可能赢得观众和投资者的青睐。在内容提供如此匮乏,电视产业严重收缩,大多数观众选择新媒体收视方式的时代,以电视台为单位的4K内容提供者想必对大规模更换制作、传输、播出设备这件成本非常高,还难以收回成本的事情谈之色变。
 
    除成本计算的现实问题,还有一个很现实的问题,就是内容的传播。不论是电视的卫星、有线传输,还是互联网的传输,想要实现10比特的4K节目传输,更换或升级基础管道的成本都非常的高,而且很有可能会像之前的模式一样,将画面声音进一步压缩,10比特又变回8比特,牺牲画质音质,减少带宽需求来播出。