4K，梦想照进现实

邢卫东

2015年底，我应《电视技术与应用》的邀约写了一篇文章《4K的未来》，结尾写到"从1990年代初美国大联盟数字电视标准确定，电视的数字化和高清化经历了不同的周期，从那时起到我国大规模的电视数字化改造大概经过了8到10年，大面积的高清化改造大概经过了15年。4K+IP化将是更深刻、复杂的变化，但借鉴所谓的摩尔定律的趋势，也许能够期望不等得太久。"在那段时间聊4K什么时候会到来，我通常会借用一幅"全球媒体高管"的评估图表，其中认为超高清电视5-7年成为主流的比例高达42%。当然，说的时候有些纠结，因为众所周知，国内广播电视行业正处于一个低谷，现有频道的高清率还很低，我们还能自信地进入一个4K的时代吗？

今年4月底，广东省人民政府办公厅印发的《关于开展新数字家庭行动推动4K电视网络应用与产业发展的实施方案》的一纸通知，在业内形成一个热点。由此，广东广播电视台承担了4K超高清（UHD）电视制播的任务，4K由梦想照进了现实。经过半年来的摸爬滚打，《电视技术与应用》又约我写4K，我想可以从现在的视角谈谈在4K超高清电视制播中关注的问题。

一、大屏带来的视听变化

大屏是电视工程师的梦想。前段时间跟日本的产品研发设计人员一起讨论4K超高清电视摄像机的设计问题，对方提到对于35mm胶片宽银幕电影的质量和效果的追求，让我不禁回想起大约30年前，我开始接触到高清电视概念，印象最深的莫过于当时对于电视清晰度追求的描述，即要达到35mm胶片宽银幕电影的质量和效果。由于技术的进步，35mm胶片宽银幕电影的质量和效果也在提高，但是电视工程师对于大屏梦的追求一直没有变。

当你在客厅面对一台50寸的平板高清电视机，感觉清晰度和舒适度都不错的时候，高清电视已经不是电视工程追求的那个大屏了。对，或许换一个100寸的4K电视机，同样的距离，更大的屏幕，你能看到的是细密到不能更清晰图像，置身其中，"沉浸"于斯，这才是那个大屏梦的初心。

超高清电视在发展中丰富了这一追求，谋求图像所呈现的颜色、对比度和伴随的声音如同真实的世界。4K超高清电视对于视听的定义除了分辨率的提升（由1920×1080像素到3840×2160像素，水平分辨率大约达到4K），还提出了对于图像色域的追求（由REC 709到REC 2020，色域覆盖率大了1倍），对于图像动态范围的追求（由CRT电视1000:1到10^5:1），对于视频更高帧率的追求（对于PAL制由25fps到50fps甚至100fps），对于更好声音体验的追求（由单声道、立体声、环绕声到"沉浸式"的多平面立体声（或称三维声））。当然为了表示更广的色域和更高的动态范围，表达一个图像像素数据由3×8bit提高到3×10bit乃至3×12bit。超高清电视描绘了一个更为全面的"沉浸式"享受的未来家庭娱乐世界，为电视视听带来了质的变化，其深刻性可能不亚于电视从黑白到彩色的变化。

这些目标，由于技术或工艺的原因，目前还不能完全实现，譬如根据我们的测试，宽色域的表示目前大概能达到REC 2020色域的80%左右，高动态显示技术也在提高过程中，普通视频帧频提高到100fps或者更高以及用3×12bit数据表达图像像素在电视工艺实现上（主要是大规模计算、存储和访问）存在一定技术瓶颈。所以，超高清电视对于我们来说，不仅是一个照进现实的梦想，也是一个不断进步中的未来世界。

二、 超高清电视制播的工艺变革

4K超高清电视（UHDTV）带来的深刻变化影响到电视制播工艺的变革。

在前期，更大的分辨率带来景深更小、聚焦更难的问题，与此同时高质量的镜头变得更大、更重、焦段更窄，为减轻重量，摄像机设计通常在机身瘦身上做文章（譬如采用单片CMOS，以及更高集成度和智能化的处理电路、固态存储卡记录、更轻的外壳材料等），使得配重形成了头重尾轻的根本变化，这些变化使得4K电视摄影师目前在大多数情况下，不仅难以像过去那样肩扛着摄像机推、拉、摇、移，如果讲究，也许还要携带更多不同焦段的镜头。

在记录和存储方面，4K超高清非压缩的文件化的净数据量是高清（HD）的10 倍，数据量大大增加。存储10bit的4K超高清信号，如果按照Apple的ProRes HQ或Avid的DnxHr HQX的编码格式记录，码流大约在1.2~1.5Gbps，1张256GB的高速存储卡大约能记录大约20分钟的节目素材。如果采用Sony的XAVC或者Panasonic的AVC Ultra LT的编码格式记录，码流大约在400~500Mbps，1张256GB的高速存储卡大约能记录大约1小时的节目素材。尽管在前、后期记录不存在问题，记录单元成本在快速下降，但单位节目时长记录成本仍大大增加。如果要追求线性γ的Raw格式，数据量更大，前期记录则需要借助外置硬盘记录。昂贵的存储成本和安全问题使得采用大规模存储来替代过去分散的磁带或蓝光盘长期保存成为一个必然选择。大致可以设想，超高清的电视节目记录和交换、存储的一种工艺流程：用高速闪存卡或硬盘记录节目，然后把它扔到大规模的安全存储（池）或者网络上的安全云存储上，拿到本地（包括本地局域网）或者采用高速访问进行编辑，之后将成品节目推送到发布区进行发布（包括传统播出和网络分发）。4K超高清电视制播似乎天然地排斥非网络工艺流程。

在演播室制作和传统播控上，由于4K超高清基带码流达到12Gbps，IP技术和新的12G SDI技术逐渐取代3G SDI技术，尤其是IP化使得系统更为简化的同时，深刻地改变着电视工程师"所见即所得"的信条，同时技术朝向虚拟化、集中化管理和远程化控制的趋势发展。电视工程师要逐步具备IT技术素养，有偿的IT售后服务将进入到传统电视中心基带领域。

大屏（高分辨率）、HDR（高动态范围）、WCG（宽色域）还带来了全制播域的对于节目调整和监看工艺的变化。譬如，高动态和宽色域带来了对节目色彩更精细调整的可能和需求，"调色"成为超高清不可回避的工艺环节。沉浸式的"大屏化"必将带来镜头语言的变化，如何帮助编辑人员既能舒适地编辑监看，又能感受到大屏镜头语言，需要在监看工艺上改变。在过渡期，要确保高动态、宽色域制作的4K超高清节目能够在高清频道播出（包括同播），就需要监看REC.709色域的SDR（标准动态范围）图像效果，并进行HDR/SDR间的科学转换。对于这些问题的探索和解决改变了传统工艺。此外，声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对象元素，工艺更为复杂。

不过，所有这些变化也许还不及我们对于大屏声画创作理解所需要的变化大。

三、几个值得关注的问题

1、Rec.2020上的HDR

尽管HDR没有列入最早的4K UHD标准中去，HDR的到来却是必然的。随着平板电视技术的发展，电视机能够呈现的颜色和动态范围远远不止CRT时代，目前普通LED平板电视能够达到300nit的亮度（大约是CRT的2倍，远远超过100nit的传统电视标定值），动态范围可达3000:1，OLED平板电视能够达到400nit以上的亮度，动态范围可达8000:1以上，随着LCD技术的发展，制造1000nit亮度，动态范围达到或超过10^5:1的电视屏并非奢望，而好的电视屏能覆盖Rec.2020色域的70~80%。在更好的电视屏上呈现具有更接近自然丰富色彩和层次的内容，电视制播面向更宽色域上HDR的转型升级是必然的。

目前，主流的50~65寸4K平板电视在传统家庭观看距离下不足以展现超高清的分辨力魅力，Rec.2020上的HDR视频带来的通透性和更真实的色彩感觉可能是推动4K UHD发展的一个重要支撑点。

但不像SDR时代，一根标准的电视γ曲线简单划一地规定了图像的表达方法，把高亮部分的细节基本忽略了。HDR为图像高亮部分分配了更多的表达数据，而且不同的机构或厂商针对不同的动态范围推出了不同的表达曲线，其中以杜比的PQ（Perceptual Quantizer，感知量化）曲线和NHK与BBC共同推出的HLG（Hybrid Log-Gamma，混合对数γ）曲线最为著名。PQ曲线（包括Dolby Vision和HDR10）更接近人眼视觉特性，能够再现的动态范围是正常曝光量的10000%，峰值达到10000nit，其设计初衷是携带元数据，确保用户终端（当然能够识别元数据）能正确呈现HDR或SDR视频；HLG曲线则是为了在接收上更好地与现有电视系统妥协而设计，确保HDR视频不携带元数据即可在各种新、旧电视终端上呈现，HLG曲线能够再现的动态范围是正常曝光量的1200%，峰值达到1000nit。此外，索尼、松下、阿莱和佳能等公司也在摄像机端推出了不同的HDR曲线以满足制作端的多样化需求。这种多元化也给电视制播带来了困扰，包括针对不同曲线的视频显示选择、不同曲线视频的转换和色彩层次损耗、动态范围和峰值的调整匹配、面向终端用户的兼容，等等。

与此同时，不同动态范围、色域的视频图像在动态范围、色域不匹配的终端上显示会产生问题，这是一个更大的问题。譬如：具有高动态的视频为画面的主体分配了相对较低的亮度值，如果把它按相对值简单匹配到低动态范围终端显示，主体画面会偏暗，并丢失细节。如果色域也不匹配，会造成进一步的色彩丢失和偏色。Rec.2020上的HDR视频在支持Rec.709的SDR电视终端上的显示由于视频表达曲线的差异，上述问题则会进一步放大。

所以，对HDR的追求既值得憧憬，也充满困难，是4K超高清要解决的关键问题之一，要考虑到兼容问题和发展的阶段性。在制播域，4K发展初期我们关注两个问题：一个是4K HDR制作的节目如何能在高清频道上高质量地同播或播出？一个是当4K HDR制作的节目传播覆盖到能够接收但动态范围不足或更窄色域的终端，如何评估受众的感受并更好地适配？

2、IP还是SDI

应该说超高清是IP化在广电领域推广的助力器，与过去的3G SDI技术相比，IP化能够让制播系统轻松化繁为简。但随着12G SDI技术的到来和IP化标准尚存不确定因素，IP还是SDI变成了依然可探讨的话题。

SDI的简单连接、即插即用和所见即所得对于广电工程师来说深入骨髓，12G SDI即便还没建立起标准化体系，沿用3G SDI的绝大部分框架就可以搭建起与过去工作流程大同小异的12G SDI技术体系，当然对于12G SDI来说大规模信号调度依然是难题。与SDI上述特性相反，视频基带信号IP化后更容易处理大规模信号调度，但建立连接相对复杂，需要标准和协议支持，新的设备加入需要注册、授权，所见的（监看的）未必是要得到的（输出）。所以，加强安全性、提高设备接入能力和速度、建立通用连接标准就成为IP化推进的重要工作。其中，建立通用连接标准尤为重要。SMPTE（电影和电视工程师协会）正在起草的SMPTE ST 2110 IP专业媒体标准在这些方面被寄予厚望。日前，SMPTE颁布了SMPTE ST 2110的前4个子标准，包括SMPTE ST 2110-10（定时和定义）、SMPTE ST 2110-20（不非压缩的有效视频）、SMPTE ST 2110-30（不压缩PCM音频）和SMPTE ST 2110-21（流量整形和传输定时）。但标准的全面完成仍需时日，在标准和技术实用化之间也仍有一段路要走。

尽管如此，这些问题其实并不妨碍我们在一些局域性的制播"岛"内（譬如演播室）采用SDI或现有的IP化解决方案。重要的是系统间连接和信号调度要符合共同的规则，并最好能够升级到全面符合未来的SMPTE 2100标准。事实上，IP化不会是终点而是一个新的起点，广电人需要思考IP化对于传统制播工艺和技术保障带来的根本变化，并去积极适应。在这个过程中SDI仍具有其积极意义，定位也有待观察。

3、对电影制作模式的借鉴和异化

回到文章开始的大屏梦，我的理解是在追求电视的电影化。在4K超高清电视来临的时候，成熟的电影制作流程自然会被借鉴到电视中来。但是，电视和电影仍具有重大差异，这些差异难免会导致制作模式的异化。电视节目量大、快速、小团队制作的特点，使得它在"拿来"电影制作模式时有点消化不良。

譬如前期，更多时候电视缺少像电影那样庞大的摄制工种，通常是两三个人的小制作团队，强调设备的便捷性，摄像机的配重、耗电就成为重要问题，外置记录和其它配套设备也会成为负赘。而25P帧率节目的精细摄制对于大部分强调时效性的电视节目来说难以玩得转。所以，重视设备的轻便性和50P帧率记录格式非常必要。

后期，数字电影制作通常有代理剪辑、回批、合成和调色等环节，复杂的还需要多级校色。电影素材追求16bit线性RAW格式记录，谋求精细调色过程中尽量减少色彩层次信息的损耗和丢失。这些对于电视来说，或许就是奢望，除了少量精品，4K电视的大部分节目可能不是追求把电视做成电影，而是要把电影快餐化。所以，在数据存储量和数据访问带宽突飞猛进的情况下，探讨合理地存储码流和现有技术对多层实时编辑的支持能力以及HDR的准确展现，成为半年多来我们和后期设备生产厂商交流的主题。

四、更多的积极因素

总体来说，在关注上述问题的时候，我们也在积极推动、协调和解决这些问题。和数字化、高清化不同，广东省政府推动的4K超高清电视发展着眼于产业发展，对广电来说是外力，没有标准，没有储备，技术处于开发期，内容创作模式有待实践，是探索性的实验工程，但也恰恰可以通过电视的播出达至行业的规范、带动产业的发展，这对于电视台来说是压力也是机遇。

现在谈4K的未来，积极正面的因素更多一些，我们看到基于国标AVS2的4K编、解码和传输设备处于量产前期，针对HDR的测试据说也富有成果；从制播到传输，尽管配套不足但设备逐步丰富，我们期待的"更快的计算和访问、更大容量的存储、更宽的传输带宽资源"正在逐步符合4K超高清电视发展的需求，不仅是广电，电信也在积极配合全力推动4K IPTV的发展战略；电视终端，具有"更大的尺寸、更宽的色域和更高的动态范围"的平板电视正在起步发展；一系列国有标准的制定正在紧锣密鼓地进行。

我个人而言，更关注从电视制播到传输到终端的全链条协调式发展，但愿经过3年的一个阶段性探索，到2020年我们可以真正迎接4K超高清电视时代的到来。

作者：邢卫东 广东广播电视台教授级高工，国务院特殊津贴专家