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  • 超强4K科普知识贴:这些你都知道了吗?

    超强4K科普知识贴:这些你都知道了吗?

    作为今年在视频领域的热门词汇之一,“4K”早已席卷了各大商场广告,及各大媒体平台,成为人们讨论纷纷的话题。然而,由于消息来源各异,人们听到的信息重点不同而导致说法也不相同,让4K又蒙上了一层神秘的面纱。这不禁更让人想知道,4K究竟是什么?它有何种魅力?它的前景又会如何?……

    下面,“影音新生活”就来为大家揭开4K那神秘的面纱。

    Q:什么是4K?

    简单来说,4K是下一代电视机清晰度标准,它指的是3840×2160这个分辨率(电视4K是指3840×2160像素,电影4K是指4096×2160 像素),其清晰度正好是1080p全高清的四倍。然而我们所说的3840×2160是单从分辨率指标的提高,还不足以能代表整个画面影像的高水准。4K影像的高质量是有几个重要的指标组成的,分辨率是其中很重要的一个指标,除此之外,像色域空间、宽容度、感光度等指标也代表着4K的综合表现力。可以说它是一个画面从技术层面上真正高质量的提升。

    Q:4K和UHD的区别?

    UHD是“Ultra High Definition Television”的简写,意思是“超高清电视”。早在2012年的8月份,国际电信联盟就已证实4K电视(分辨率为3840×2160)和8K电视(分辨率为7680×4320)均为UHDTV。即4K属于UHD的种类之一,UHD包括的分辨率不单止于4K。

    Q:4K电视值得购买吗?

    首先我们必须承认,4K电视是未来画质发展的趋势,而且也更符合电视的本质,可以预测,4K以后必定会取代1080p成为主流,因此4K电视是值得购买的,尤其是在目前4K内容越来越丰富的前提下,4K电视能够带来更加出色的观看体验。再则,由于清晰度细腻了,远看近看都挺舒服的,也就没有观看距离的要求了。

    但是,假如屏幕在36寸以下的,就不一定买4K,在36寸以下屏幕,4K像素的排列太密了,效果不是很明显,4K电视主要是解决39寸以上大屏幕图像颗粒明显问题。另外,从价格方面考虑,同尺寸的4K产品要比1080p产品高出很大一截,小尺寸的4K产品性价比明显不高。综合来看,小尺寸的4K电视确实不值得购买。

    Q:4K电视最佳观看位置?

    按照1080分辨率的电视机观看距离,通常50英寸屏幕观看距离在2米左右,而4K的到来是这一尺寸缩短为1—1.5米。UHDTV(超高清)的最佳观赏距离定义为画面高度的0.75倍(索尼定义其4K电视的最佳观看距离为电视高度的1.5倍),在这个距离上,人眼分辨不出画面的像素结构,感觉与观看实物无异。相比之下,HDTV的最佳观赏距离是画面高度的3倍,这意味着更高分辨率的UHD电视其实更适合在近距离观赏,而显示端也将朝更大屏幕的方向发展。

    Q:4K节目源来自哪里?

    买了4K电视却看不到4K内容确实是目前的一个难题,但4K内容并不是真的“匮乏”,真正匮乏的应该是4K内容的发行渠道。传统的渠道有电视台、蓝光光盘之类,但是至今全世界都没有一个4K电视频道开通,也没有一张4K蓝光盘推出。这回反而是互联网走在了前面,国外的Netflix就率先播出了4K《纸牌屋》,Youtube也支持了4K,国内则有乐视、百视通、优朋普乐、搜狐视频等网络视频公司推出或正在规划4K网络内容。

    另一方面,有了这些4K发行渠道,4K内容马上就会如雨后春笋般大量出现,目前主要有以下一些来源:

    1. 数量庞大的传统胶片电影,可以转制成4K数字格式,迅速解决4K内容匮乏的问题;

    2. 使用4K数码摄像机拍摄电影、电视剧、综艺节目、体育赛事等;

    3. 电脑合成CG动画电影可以直接输出为4K数字格式。

    另外,索尼今年9月份在国内上市了国内首款4K播放器FMP-X10,可通过华数TV进行4K视频下载点播,每部电影片收费25元/72小时,支付租赁电影费用可以通过扫码、支付宝等方式。目前可点播的内容全部为索尼影视提供的原生4K视频,已有近40部影片。

    Q:4K周边技术有哪些?

    首先,在接口方面,USB3.0及HDMI1.4以上的接口是必备的。因为一般USB3.0的理论传输速率约为500MB/s,是USB2.0的10倍左右,大家都知道现在大多无损4K片源需要去各大论坛中下载,而大小在100G左右。为了享受大屏的视觉体验,我们通常都需要使用移动存储设备在电视上播放这些4K影片。这个时候,只有USB3.0接口的传输速率才能够保证观看影片时不会发生卡顿的现象,基于同样的原因,HDMI 1.4支持4K分辨率的特性让它成为了4K电视的必备接口之一。

    这里值得关注的是,HDMI 1.4虽然可以支持4K,但是受制于10.2Gps带宽,只能支持3840×2160分辨率和24、25以及30FPS帧率,HDMI 2.0的发布将促使其成为未来4K电视的标配。这是因为HDMI 2.0的采用足以将带宽提至18Gbps,意味着同时传输双视频流成为可能,4K 超高清视频的播放速度则可达每秒60帧(目前,据分辨率差异,HDMI 支持的超高清播放速度仅为30或24fps)。同时在音频方面支持最多32个声道,以及最高1536kHz采样率。

    其次,目前4K技术的主要使用的视频编码技术为:H.265和VP9 。H.265主要面向高清数字电视以及视频编解码系统的应用,提供从SQICF(128X96)至4K超高清(7680×4320)不同级别的视频应用。H.265的目标是编码效率比H.264提高50%,即在同等图像质量条件下,目标码率下降到H.264的50%。VP9则更适合互联网应用,对于常见的互联网应用场景,VP9都有简易、实用的解决方案。同时,VP9使用自由的BSD版权协议,可以直接用于包括商用在内的各种用途,也可以更改代码或整合创新,无须缴纳任何版权许可费。

    Q:什么是2K转4K技术?

    目前市面上的2K转4K,主要有两种方法实现:单一补偿技术和关联补偿技术。

    单一补偿技术是最容易实现也是应用得最多的一种做法。这种技术是通过4K电视搭载的图像处理器进行计算,对于正在播放的影片进行追踪补偿和渲染。简单来说就是在原来的每个像素点上直接插入四个像素点,这样2K影片的分辨率就能达到4K,播放的影片不再是直接拉伸,而是点对点显示。不过这种粗糙的插值也使得画面的损失了细节,整体画质的提升其实非常有限。

    左、右分别为关联补偿技术和单一补偿技术转化的4K视频

    另一种2K转4K关联补偿技术,这项技术通过对于2K信号进行实时分析,并将整个画面分成200万个区间,对于相邻区间进行纵向横向四个维度的色彩运算之后再插入像素,这样插入的像素色彩就与周围显示的画面可以匹配。转化成4K分辨率之后,图像的精度也有了更大幅度的提升。

    Q:什么是4色4K?

    4色4K是指单个像素由WRGB(白、红、绿、蓝)四个子像素点构成,物理分辨率达到2880X2160分辨率的画面显示技术。最为重要的突破在于,在传统液晶面板的RGB(红、绿、蓝)三原色基础上增加了新的颜色——白色。换句话说,采用了4色技术的智能电视液晶屏,在放大镜下你会看到红色、绿色、蓝色、白色四个子像素点构成的像素晶格,做到RGBW的排列。

    那么RGBW 4K面板究竟有什么不妥呢?对于LCD来说,灰阶变化,在RGBW里能够单一变化,而不是RGB三色像素的变化,这个特点无疑降低了灰阶和弱色的动态响应时间。而且也能通过增色法提高弱色的细节,降低LCD虑光效应带来的影响。此外,由于W并非是一个有效的彩色像素,因此,它无疑会影响面板色彩纯度的表现和画面细节的表现,虽然通过算法和面板优化这个问题可能会有所改善,但与真正的RGB 4K面板始终会在画面表现力上必定会存在差距,这也是大厂的顶级产品不会用这样的廉价4K面板的原因。

    Q:什么是8K?

    4K是指“4K 像素”,4096×2160像素;依此类推,8K是指8K像素,像素量应该是8192×4320,但目前还没有8K数字影院的技术标准。8K电视的技术标准是7680×4320像素,足足比1920×1080分辨率大了将近16倍。

    一般的蓝光大片在8K的分辨率下只能占到屏幕的1/16。如果将1920*1080分辨率的高清影片在8K分辨率的显示器上拉伸全面显示,那么之前需要一个像素点就能显示出的画面,在8K分辨率显示器上需要用16个像素点来显示,如此一来,原来画面的精细感完全丧失。

    相比较于4K,8K电视具有更加出色的视频效果。可以说8K的到来,是目前电视视频技术的最高水平,也是将来电视视频技术的发展方向。

    结语:毫无疑问的是,4K技术代表了未来电视行业的发展方向。虽然,目前由于内容匮乏、存储困难等问题让4K技术难以发挥实力。不过,这未影响到消费者对于完美画质表现的热衷,“影音新生活”也相信在未来的视频领域,4K显示技术将会进一步完善,在影音领域发挥出更重要的影响力。

  • 科普 | 分析4K显示技术的诞生与标准的建立:专门针对4K与8K显示技术的国际标准ITU-R BT.2020

    科普 | 分析4K显示技术的诞生与标准的建立:专门针对4K与8K显示技术的国际标准ITU-R BT.2020

    在电子视频显示与广播领域,一直以来都以追求更清晰的图像为目标,主要是通过提高显示分辨率来实现,从480p标清到720p高清,再由720p高清到1080p全高清,直至最近的4K与8K超高清开始进入民用领域,都可以清晰看到整个领域的发展趋势。而更高的分辨率意味着可以显示更多的画面细节与层次,显示设备的尺寸也因此需要不断变大。例如索尼最新推出的4K液晶电视的尺寸就已经达到84英寸,远远大于目前主流的50英寸1080p全高清平板电视。对于普通消费者而言,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显示技术。

    4K显示标准的建立,ITU-R定义全新的“Ultra-High Definition超高清”标准

    在ITU-R最新颁布的BT.2020电视系统标准之中,同时将4K与8K纳入到Ultra-High Definition(超高清)

    4K又称为2160p,代表着一种全新的显示分辨率的诞生。根据2012年8月ITU-R国际电信联盟无线电通信部门最新颁布的BT.2020 Ultra-high definition超高清电视系统标准来定义,4K就是指3840(水平分辨率)×2160(垂直分辨率)的显示分辨率,也可以称为Ultra-high definition(超高清),是1920×1080的四倍精度。值得留意的是,在BT.2020标准之中也将8K(7680×4320)纳入超高清。这是一种非常有趣的现象,不同于以往的标清、高清与全高清都仅仅定义单一的物理分辨率为其标准,进入到超高清领域,却是4K与8K同时发展的局面。这是由于地区性发展差异而相互妥协之下的结果。例如韩国已经在近日宣布,明年将会全面推动4K(3840×2160)超高清电视广播。而在日本则主张直接发展8K(7680×4320)电视广播技术,避免由4K过渡到8K可能出现的技术性障碍。ITU-R对于这两种不同的超高清标准,明确表示不同国家与地区可以根据自身的需求来发展,但建议从4K超高清逐渐过渡至8K系统。按照目前各大消费电子品牌所带来的家用超高清显示设备,绝大部分都还处于4K的标准,因此,现阶段仍然是以4K为主流。

    4K显示标准的诞生与8K显示技术密切相关

    4K显示标准的诞生与日本NHK着力研发的8K超高清显示系统相关

    4K显示标准的建立实际上与8K显示技术有着密不可分的关系。我们对于超高清显示技术的了解,最初是从2003年日本NHK(日本放送协会)科学与技术研究实验室所带来的Super Hi-Vision系统得知的,而这套系统的核心显示技术就是采用8K(7680×4320)的超高清显示分辨率。在2005年,NHK就已经能够利用光纤网络采用DWDM密集波分复用技术将8K的电视广播信号传输至260公里之外。在2008年的国际广播电视博览会IBC 2008上,NHK电视台、RAI电视台、BSkyB电视台、索尼、三星、松下、夏普与东芝共同实现了从英国伦敦到荷兰阿姆斯特丹的全球首次公众实时超高清电视系统的演示,以展示8K超高清系统完全有可能代替目前主流的高清电视广播系统。在刚刚结束的伦敦夏季奥运会上,BBC电视台也已经在英国的部分地区实现了超高清电视广播系统的实时转播。超高清所带来的震撼影像已经获得影音爱好者与发烧友的一致好评。

    日本主张直接发展8K电视广播技术(Super Hi-Vision),认为8K才是未来超高清的主流

    尽管8K显示系统的发展非常迅猛,但当时包括ITU与EBU(欧洲广播联盟)在内的有关组织都认为要在全球范围之内实现8K超高清电视广播系统的普及非常困难,毕竟世界上大部分的国家与地区还没有充足的技术沉积可以实现从全高清到8K超高清技术的跃进,于是4K超高清显示技术标准就诞生了。更加重要的一点是,4K超高清显示技术目前已经在全高清范围内的一些高端专业影院中使用,同时不少电影的制造都参照了DCI(数字电影倡导组织)相关的4K标准,因此从技术上来看,民用1080p到4K的升级要相对容易。

    ITU-R BT.2020超高清标准不仅仅是对显示分辨率的定义

    ITU-R针对超高清电视系统而推出了全新的BT.2020建议规范标准

    正如ITU-R BT.709(或称Rec.709标准)规范了目前高清电视广播、高清蓝光碟片制作以及高清显示设备的一系列性能指标与参数,ITU-R BT.2020则同样规范与定义了相关的一系列性能指标与参数,而不仅仅局限于对显示分辨率的定义。换言之,视频专业调校人员在对4K或8K超高清显示设备进行调校的时候,不再按照Rec.709标准进行,而是按照BT.2020标准。

    BT.2020标准对于画面特性的参数规定,最特别的地方在于定义超高清显示分辨率为3840×2160与7680×4320

    BT.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。

    超高清影像标准只支持逐行扫描,不支持隔行扫描

    在色彩方面,BT.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。色深标准的变化同时导致调整画面最佳动态范围的标准也产生了变化,我们可以依照以下标准来进行。

    超高清影像将使用10bit或12bit的系统

    对于10bit系统,BT.2020标准定义整段视频信号的范围在4-1019,其中64为标准黑位,940为标准峰值,所以有效的视频信号为64-940。而0-3,1020-1023则放置时钟参考信号,4-63为低于标准黑位的信号,941-1019为标准峰值以上的信号。
    而对于12bit的系统,BT.2020标准定义整段视频信号的范围在16-4079,其中256为标准黑位,3760为标准峰值,有效的视频信号范围就在256-3760。而0-15,4080-4095则放置时钟参考信号,16-255为低于标准黑位的信号,3761-4079为标准峰值以上的信号。

    对于一个信号的亮度,是由0.2627R+ 0.6780G+ 0.0593B组成

    除了色深的提升之外,在色域三角形的定义方面也作出了非常大的改变,整个三角形的面积远远大于Rec.709标准的范围,也就意味着超高清系统能够显示更多的色彩。不过对于白点的定义还是维持在Rec.709的D65标准。此外,对于一个信号的亮度,是由0.2627R+0.6780G+0.0593B组成。需要注意,越大的色域三角形对于显示设备的性能要求也越高。例如,按照段的家庭影院投影机的实际情况,只有采用LED或者LED激光混合光源的机型才能达到上述的标准。BT.2020标准的出现,将会进一步推进投影光源技术的发展。

    ITU-R BT.2020标准下的RGB色彩空间参数

    此外,在伽玛校正方面,BT.2020标准将伽玛定义为全新的名词,称为EOTF(光电转换效能),并且指出可以利用非线性曲线来进行伽玛校正,10bit系统采用与Rec.709一样的校正曲线,而12bit系统则在人眼敏感的低光部分曲线进行了相应的更改。
    上面,我们对BT.2020标准进行了详细的剖析,可以发现超高清系统不仅仅在分辨率上进行了提高,还在刷新率、色彩深度、色彩空间、伽玛校正方面进行了全方位的调整,特别是色域三角形方面的扩展,使得画面的色彩表现远胜于高清系统,让人十分期待。

    对于DCI规定的4K数字电影制作标准,我们也需简单了解

    为什么我们要对4K电影制作标准有所了解?最为重要的原因在于,现阶段绝大部分采用原生4K显示芯片的投影机的物理分辨率都不是采用3840×2160规格,而是采用基于DCI数字电影标准的4096×2160规格,当中包括第一款原生4K的家庭影院投影机索尼的VPL-VW1000ES。这些4K投影机并非属于真正“原生”的家用机型,而当4K投影不断迈向家用领域之时,相信会有越来越多采用3840×2160消费级别规格机型的诞生。

    在DCI数字电影标准之中,4K的显示分辨率规格为4096×2160

    在4K数字电影的制作之中,往往会使用到两种不同规格的显示比例,一种是2.39︰1的4096×1716,另一种是1.85︰1的3996×2160。因此,采用4096×2160规格的4K投影机就能实现这两种4K影片的放映。实际上,由于显示核心的垂直分辨率仍然为2160,尽管水平分辨率较大,也不会影响其显示4K广播标准的影像,或采用相关标准而制作的碟片播放。此外,DCI规定,4K影片的帧率为24f/s,支持10bit或12bit的色深。

    值得注意的是,我们在调校4K家庭影院投影机的时候,必须根据所观看的4K节目源进行调整。如果观看的是采用BT.2020广播系统标准而制作的信号源就需要以BT.2020的标准进行画面校正,而如果是基于DCI数字电影院标准创作的节目源,就需要以DCI的标准进行调整。但是,DCI标准的节目源往往只会出现在数字电影院之中,因此,在通常情况下,我们都是采用BT.2020标准进行调校。

    总结:前4K超高清显示系统在技术方面已经基本完善,包括4K节目源的制作、4K显示相关标准的制定、4K信号的传输等方面,而且8K也与4K同样,纳入了ITU-R的BT.2020国际标准之下,并在日本等国家中取得了可喜的研究与发展成果。这就意味着4K技术之后,紧跟着的将是8K超高清显示时代的到来。

    文/Vinssen