2.1 超高清视频技术概述

就单帧图像来说，传统高清图像的像素密度约为200万ppi，而4K超高清视频的单帧像素密度在 800 万 ppi 以上，相信使用过数码相机的读者可以很直观地感受这种图像质量差异。4K 超高清视频的分辨率使人基本看不到像素点，能够给用户提供更加细腻的画面效果。

由于 4K 超高清视频有超高的分辨率，如果采用传统的编码方式（如H.264），会给系统带来很大负担，因此需要采用更高效的编码方式，如H.265、VP9、AVS 2.0等。H.265和VP9分别在H.264和VP8的基础上进行了改进，较适合4K超高清视频（其中，VP9更多地应用于网络视频）。我国自主研发AVS 2.0标准是AVS+标准的升级版，也是一种面向4K超高清视频的编码标准。

4K 超高清电视（简称“4K 电视”）的文件存储需要更高的带宽与更大的容量，在同样的编码方式下，相对于高清电视，对存储性能的要求提高了 4倍。因此，在设备选型上要更加重视带宽与容量等技术指标。

广播电视从标清发展到高清用了 10 年的时间，从设备使用寿命及更新换代的角度来说，这是比较合适的周期。而目前国内数字电视高清化的发展才刚刚开始，只有中央电视台及十几家省级电视台的部分频道完成了高清化改造，部分卫视及大量地面频道仍然使用标清信号。因此，横空出世的超高清视频技术面临着机遇与挑战并存的局面，而在现阶段，挑战大于机遇。

毋庸置疑，4K 电视拥有 4 倍于 1080P 的分辨率，在图像的精细度表现上确实有了很大程度的提升。4K 电视目前已经在中国市场中出现且日益成熟，虽然目前定位高端且价格昂贵，但随着众多国内电视厂商的加入及全产业链技术的更新迭代，4K 电视进入百姓生活的步伐也在加快。新产品的劣势是高昂的价格，对刚开始进行高清化改造的各电视台来说，要实现 4K 电视节目的播出，在技术和资金方面均需要承担较大的压力。

下面我们基于电视台的实际情况，分析4K电视面临的技术挑战。

（1）传输方式。

目前，电视台主要将电缆作为常用传输方式。以百通-1694电缆为例，标清SDI信号的传输码率为270Mbps，传输距离一般不超过300m；高清SDI信号的传输码率为 1.485Gbps，传输距离为 70～80m。而超高清 SDI 信号的传输码率至少为 6Gbps，可见其对电缆质量的要求更高，在使用同样线材的条件下，其传输距离更短。

在当前的设备和技术条件下，解决 4K 信号的传输问题有两种可行方法，具体如下。

一是将一路4K信号拆分为4路高清SDI信号，然后在系统内并行传输，在编码输出之前，再将其合并成 4K 信号。这种方式比较成熟，但系统布线复杂，对现有系统资源的占用很大，相应的系统扩容工作量及资金投入量也是相当可观的。

二是使用IP化技术传输，目前市面上的万兆交换机越来越多，其传输速率完全可以满足 4K 信号的传输需求。如果使用主流的千兆交换机，可以通过端口汇聚的方式提高传输速率，达到 4K 信号的传输要求，从而节省万兆交换机的更新费用。随着技术的进步，IP 流传输的稳定性越来越高，分辨率也从480P、720P逐渐迈向1080P，IPTV直播平台就采用了IP化技术传输，目前运行状况良好。IP化技术能够使总控传输系统更加简洁高效，IP化技术传输是未来的发展方向，但对传统电视台来说，需要新建一整套系统，系统建设工作量及资金投入量巨大。

（2）播出方式。

目前，电视台所有频道均采用服务器的文件化播出方式。一般来说，标清文件的码率为 12Mbps，24 小时单频道节目容量约为 126GB；高清文件的码率为 50Mbps，24 小时单频道节目容量约为 527GB；超高清文件占用的硬盘容量更大，约为高清文件的 4 倍，所以超高清节目的播出对服务器的读写速率及容量的要求更高。

2.1.1 超高清视频技术标准

随着高清电视在世界范围内得到了相当程度的普及，观众对收视体验提出了更高的要求，根据人的视觉特性，为了获得更佳的临场感和真实感，观看电视的视角应更大，观看距离应更短，这对视频质量和显示终端性能都提出了更高的要求。如果继续采用高清电视1920×1080的像素结构，随着观看距离的缩短，图像的颗粒感会越来越严重，这样的画质无法满足观众对临场感和真实感的要求。

为使观众获得更加“浸润式”的收视体验，超高清电视（UHDTV）的研发被提上日程。ITU为广播级超高清电视定义了UHDTV1和UHDTV2两个层级。UHDTV1和UHDTV2都采用逐行扫描（Progressive Scanning，PS）方式，其帧率可以是 24fps、50fps、60fps 乃至 120fps。UHDTV1 的单帧像素数为 3840×2160（通常标识为 4K），UHDTV2 的单帧像素数为 7680×4320（通常标识为8K）。与目前1920×1080逐行扫描的高清电视相比，UHDTV1和UHDTV2的单帧信息传输量分别提高到4倍和16倍。如果采用120fps帧频的UHDTV2，其单帧信息传输量接近每秒40亿像素。

超高清电视信号的码率远高于高清电视信号，以4∶4∶4采样为例，4K超高清电视信号的原始码率约为 6Gbps，8K 超高清电视信号的原始码率则约为24Gbps；以 4∶2∶2 采样为例，4K 和 8K 超高清电视信号的原始码率分别达到4Gbps和16Gbps。要传输码率如此大的数据是相当困难的，因此需要采用高效率的视频编码技术对原始信号进行压缩编码。

H.265/HEVC （High Efficiency Video Coding）标准是 ITU-T VCEG 在H.264/AVC标准之后制定的最新视频编码标准。JCT-VC联合工作组于2012年2月17日发布了第一版内部草稿——High Efficiency Video Coding （HEVC） Text Specification Draft 6。2013年年初，ITU正式批准通过了H.265/HEVC标准。截至2013年6月，JCT-VC联合工作组已经召开了13次会议。博通等芯片厂商也在第一时间发布了支持 H.265/HEVC 标准的解码芯片，这标志着新的编码标准的产业化工作正在逐步推进。

H.265标准在H.264标准2～4倍的复杂度基础上，将压缩效率提升1倍以上。H.264标准可在低于1.5Mbps的传输带宽下，实现1080P全高清视频传输；H.265标准的进步更为明显，可以利用1Mbps以下的传输带宽传输1080P全高清视频，并完美支持4K超高清视频、8K超高清视频的传输编码需求。

2.1.2 超高清视频技术应用现状

目前，日本、美国及欧洲的相关企业和研究机构已经针对超高清视频技术展开了一系列研究，并取得了一定的研究成果，超高清视频技术的应用也在逐步推进中。

超高清内容制作相关技术的发展主要体现在超高清摄录设备的研发上。在摄像机方面，目前主流的超高清摄像机采用 1.25 英寸的 CMOS 图像传感器，具有灵敏度高、功耗低的优点，能够提供3300万像素（8K）级别的拍摄画质，并且支持60fps和120fps的高帧率，输出格式包括ProRes格式、无压缩视频格式、RAW数据格式及HD-SDI格式、3G-SDI格式。

日立和 NHK 联合研制的超高清摄像机采用 120Hz 全光谱超高清图像传感器，它将传统摄像机60Hz的捕捉率提升到了120Hz，使得动态图像更加连贯。虽然在静态影像或缓慢场景下，这个差异并不明显，但在拍摄快速运动的物体时，特别是在进行体育赛事直播及平移摄像机拍摄时，其优势相当明显。

目前很多电视台采用网络化送播方式，相关节目都会在主干平台上进行传输。一般来说，一个高清文件在各节点中的直接传输速率为 15～40MB/s，而超高清文件要比高清文件大得多，如果提高传输速率会加大系统负担，容易造成过载而导致系统崩溃；而如果不提速的话又会大大延长传输时间，甚至会导致视频卡顿、丢帧，影响节目的正常播出。所以，势必要对现有的主干系统进行扩容升级，以满足超高清节目的播出需求。不过随着技术的发展，现在十万兆的光纤交换机已经面世了，相信其可以减轻超高清文件给系统带来的负担。

我国信源编码技术相关标准的研究工作也在不断推进。2012年，我国制定的首个面向高清应用的行业标准《广播电视先进音视频编解码 第 1 部分：视频》（AVS+标准）正式发布。随后，AVS标准工作组在AVS+标准的基础上，制定了性能翻倍的 AVS 2.0 标准，该标准更加注重编码效率的提高和编码复杂度的降低。AVS 2.0 标准在广播电视与电影高清视频编码方面的性能已优于最新国际标准。2019年，我国完成了AVS 3.0标准基准档次的制定工作，并已向国家标准化管理委员会申请立项，据现有的实验数据，AVS 3.0 标准性能可超过AVS 2.0标准性能30%左右。

不过，与在传统广电领域中的情况不同，4K 超高清视频技术在 IPTV、移动电视、网络电视等新媒体行业中有着不错的发展，技术应用也相对完善。日本已成功进行了基于IPTV网络的4K超高清视频节目传输，其基于ITU的IPTV IPv6 试验床，将电视台制作的 4K 超高清电视节目从新加坡传输至东京与菲律宾，接收点处的视频码率为 120Mbps。而在国内，天津网络广播电视台也已经试验过4K IPTV节目传输，其需要的网络速率为50～135Mbps。而随着H.265编码技术的成熟，网络带宽需求将大大降低，也为 4K 超高清电视节目走入寻常百姓家提供了基础条件。

在移动视频领域，现在已有部分手机和平板电脑的分辨率达到 4K 级别，再加上 5G 传输技术及 H.265 编码技术日趋成熟，在技术实现上并没有太大的障碍。当然，高分辨率屏幕带来的高耗电量及高速传输带来的高流量资费会给移动领域4K超高清视频的普及造成阻碍。

在网络视频领域，4K超高清视频的发展前景也较好。例如，Amazon 2014年的所有原创剧都采用4K格式，Netflix和Sony也已推出了各自的4K服务。而国内的一些网络视频公司的某些视频也已经支持 4K 格式，只要以后家用千兆宽带能够普及，在计算机上观看4K超高清视频也并不困难。

可以说，4K 超高清视频技术在新媒体方面的应用已经超过了传统媒体，在全媒体播出的背景下，对迫切想升级到全媒体播出方式的传统媒体来说，这其实是一个很好的切入点，甚至可以说，4K 超高清视频技术在新媒体上的运用能够推动传统媒体进行4K超高清化改造。

综上所述，电视台如果想要达到超高清电视节目播出的条件，就需要对现有播出系统的各环节进行升级改造，某些环节甚至需要重新建设，这样的改造耗资巨大。而从目前电视台的发展情况来看，国内许多电视台才刚刚进入高清设备的换装周期，有些电视台动作快一些，已经完成了大部分工作，有些电视台可能动作慢一点，完成了一部分或一小部分的设备换装工作。考虑到成本问题，这些设备在短期内是不太可能会更换的，这会制约 4K 超高清视频技术在短期内的快速应用。

2.1.3 超高清视频技术前景分析

事实上，目前的高清信号已能够基本满足人们的收视需求，画面的清晰度较标清信号有了显著的提升。但是，就像从模拟信号走向数字信号、从标清信号走向高清信号的发展历程一样，人们的需求总会随着科技的进步而不断提高。随着4K终端的普及，H.265/AVS 3.0编码技术及HDMI传输技术已经能够将4K信号甚至8K信号接入普通民众的家庭，超高清信号源的需求量会越来越大。因此，在市场需求的驱动下，超高清电视节目的播出最终将会成为技术发展的一个方向。

以高水平画质、高临场感著称的超高清视频将为人们带来视觉革命，随之而来的产业链变革不仅可以让整个电视行业（涉及电视机、机顶盒、编解码芯片等）获益，还可以为相关的软件厂商、存储厂商、互联网服务提供商带来商机。然而，超高清视频技术的发展还面临许多亟待解决的问题，如内容制作设备的更新换代、无损片源的存储、视频内容的无损压缩、限定带宽下的大数据内容分发、对观众感官系统的生理影响等。虽然超高清视频业务进入千家万户还有很漫长的路要走，但随着相关技术的逐步成熟及标准化工作的不断完善，超高清视频最终将为人们带来全新的收视体验。

中国超高清视频的行业应用主要集中在安防监控、医疗健康、教育科研等领域。在安防监控领域，中国目前处于全球领先地位，一二线城市的地铁、机场、高速公路、道路卡扣的超高清视频改造已全面启动，以超高清视频为主的智慧天网正在形成。在医疗健康领域，海信在诊断显示和会诊显示方面已有超高清产品问世，内窥超高清显示技术储备基本完成，其已在2018年推出商用产品。在教育科研领域，海尔推出基于 4K 超高清视频的互动增强现实（AR）幼教专区，可提供更加生动的互动教学体验。