你所不知道的 4K 超高清的來歷

　　為了應(yīng)對(duì)高清晰度電視的挑戰(zhàn)，電影行業(yè)必須引進(jìn)新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以便在技術(shù)層面上繼續(xù)保持對(duì)電視的優(yōu)勢(shì)。于是在 2004 年 7 月 1 日，由好萊塢 7 大電影公司組成的 DCI 數(shù)字電影推進(jìn)聯(lián)盟（Digital Cinema Initiative）修訂并推出了其技術(shù)文檔4.0行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定的數(shù)字影院清晰度分為兩級(jí)，即 DCI 2K（2048×1080，每秒24幀或48幀）和 DCI 4K（4096×2160像素，每秒24幀），其中 DCI 4K（4096×2160）的信息量則是高清電視的4倍多。因此4K確保了數(shù)字電影對(duì)高清晰度電視在技術(shù)層面的優(yōu)勢(shì)，而這種優(yōu)勢(shì)是今后電影與電視競(jìng)爭(zhēng)時(shí)絕對(duì)需要的。

　　電視的發(fā)展始終是以電影作為參照。隨著液晶面板、處理器等工藝性能的不斷提升，4K 電視的出現(xiàn)也是順理成章。2012 年的國(guó)際消費(fèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì)（CES）上，部分廠商在展出其次世代顯示設(shè)備時(shí)使用了“4K”一詞。2012年4月，韓國(guó)四家主要電視臺(tái)(KBS、MBC、SBS和EBS)使用66頻道試播4K節(jié)目，但此時(shí)4K的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未確定。直到 2012年8月23日，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了超高清電視的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：ITU-R BT.2020，標(biāo)志4K電視開始步入正軌。到了 2013 年的 CES 展會(huì)上，越來越多的廠商開始使用“超高清分辨率”（UHD）來取代“4K”一詞。“超高清分辨率”英文原文為“Ultra High Definition”，縮寫為UHD或UltraHD，是國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）定義的術(shù)語(yǔ)。

　　ITU BT.2020 標(biāo)準(zhǔn)

　　在經(jīng)歷多個(gè)版本的修訂后，國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，即 ITU）于2012年8月23日發(fā)布了超高清電視(Ultra HDTV)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：ITU-R Recommendation BT.2020。BT.2020 標(biāo)準(zhǔn)重新定義了電視廣播與消費(fèi)電子領(lǐng)域關(guān)于超高清視頻顯示的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，對(duì)超高清電視的分辨率、色彩空間、幀率、色彩編碼等進(jìn)行了規(guī)范，促進(jìn) 4K 超高清設(shè)備進(jìn)一步走向規(guī)范化。

　　分辨率

　　在 Rec.2020 標(biāo)準(zhǔn)中，因全球各地區(qū)發(fā)展差異，UHD 超高清視頻顯示系統(tǒng)定義為 4K 與 8K 兩個(gè)階段，其中 4K 的物理分辨率為 3840×2160，而8K則為7680×4320。

　　超高清4K：水平清晰度3840，垂直清晰度2160，寬高比16:9，總約830萬像素，俗稱 2160P。

　　超高清8K：水平清晰度7680，垂直清晰度4320，寬高比16:9，總約3320萬像素

常見高清分辨率對(duì)比圖

　　幀率

　　在 Rec.2020 中，Ultra-high definition 超高清圖像的顯示分辨率為3840×2160 與 7680×4320，畫面顯示比例為16:9，支持幀率120p、60p、59.94p、50p、30p、29.97p、25p、24p和23.976p，共9種幀率。在 BT.2020 標(biāo)準(zhǔn)中終于取消了隔行掃描，只有逐行掃描（Progressive），進(jìn)一步提升了超高清影像的細(xì)膩度與流暢感。

　　色深

　　BT.2020 標(biāo)準(zhǔn)大幅度提升了視頻信號(hào)的性能規(guī)范。色彩深度方面，由 BT.709 標(biāo)準(zhǔn)的8bit提升至 10bit 或 12bit，其中10bit 針對(duì)的是 4K 系統(tǒng)，12bit 則針對(duì) 8K 系統(tǒng)。這一提升對(duì)于整個(gè)影像在色彩層次與過渡方面的增強(qiáng)起到了關(guān)鍵的作用。

　　色彩空間

　　超高清電視對(duì)應(yīng)的色域?yàn)椋篒TU-R BT.2020 色域，又稱 Rec.2020，是顯示設(shè)備中最大的色彩空間，覆蓋了 CIE 1931的75.8%，白點(diǎn)色溫D65（6500K）。高清電視色域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ITU-R BT.709（又稱Rec.709 或sRGB）的僅覆蓋了 Rec.2020 的 35.9%，所以超高清電視(UHDTV)能比現(xiàn)行的高清電視（HDTV）顯示更為豐富的色彩。

　　※注：除了一些頂級(jí)的彩色技術(shù)監(jiān)視器樣機(jī)外，市面上并沒有顯示設(shè)備可以完全覆蓋Rec.2020色域，也就是說市面上的 4K 電視大多數(shù)都是不符合標(biāo)準(zhǔn)的。

Rec.2020與Rec.709色域（CIE 1931色度圖）

　　BT.2020 標(biāo)準(zhǔn)定義的超高清系統(tǒng)不僅僅在分辨率上進(jìn)行了提高，還在刷新率、色彩深度、色彩空間、伽瑪校正方面進(jìn)行了全方位的調(diào)整，特別是色域三角形方面的擴(kuò)展，使得畫面的色彩表現(xiàn)遠(yuǎn)勝于高清系統(tǒng)。最近，美國(guó)消費(fèi)電子協(xié)會(huì)（CEA）更新UHD超高清顯示特性，對(duì) 4K 顯示縮放和接口等又進(jìn)行了補(bǔ)充說明。若使用 4K 顯示設(shè)備顯示全高清 1080P 時(shí)，屏幕中的 4 個(gè)像素對(duì)應(yīng)輸出 1080P 中的 1 個(gè)像素;顯示 720P 時(shí)則為9個(gè)。

　　安防中的 4K UHD 超高清

　　很遺憾，中國(guó)還沒有定義安防高清的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)供參考。目前安防行業(yè)高清產(chǎn)品都是參照國(guó)外廣電 HDTV 的標(biāo)準(zhǔn)。以前在《百萬像素高清技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成熟》中就說過，高清應(yīng)該是一個(gè)整體系統(tǒng)，任何脫離系統(tǒng)單獨(dú)談高清都是在耍流氓。同樣，4K 高清應(yīng)用也應(yīng)該是從整體來看。接下來看看安防監(jiān)控行業(yè) 4K 高清的現(xiàn)狀。

　　4K 超高清傳輸帶寬和存儲(chǔ)

　　目前使用 H.264 Main Profile 壓縮碼率完全可以控制在 6-8Mbps，等 H.265 標(biāo)準(zhǔn)成熟后，碼率還能降低一倍以上。

　　從網(wǎng)絡(luò)帶寬上來看，雖然目前家庭帶寬已經(jīng)普及 20M/100M 光纖到戶，但民用市場(chǎng)的上行帶寬仍然不超過 1M，可見對(duì)于 4K 來說，民用市場(chǎng)監(jiān)控或者說走公網(wǎng)傳輸基本上不太現(xiàn)實(shí)。但是，4K 超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)屬于高端應(yīng)用，基本上都會(huì)是內(nèi)網(wǎng)、本地、光纖傳輸，帶寬上基本不會(huì)存在什么問題。

　　從存儲(chǔ)方面來看，目前成熟的數(shù)據(jù)硬盤技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了 4T ，4T 硬盤格式化后的容量大約是 3620GB。4T硬盤大約可以存儲(chǔ)單臺(tái) 4K 高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻約 42 天?；旧鲜强梢詽M足要求的。

　　以 8Mbps 視頻碼率來算，每臺(tái) 4K 超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)每小時(shí)占用存儲(chǔ)空間：

　?。?Mbps÷8bit）×60s/分鐘×60分鐘/小時(shí)=3600MB/小時(shí)=3.5156GB/小時(shí)

　　4T硬盤可以儲(chǔ)存 4K 超高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻的時(shí)間：

　　3620GB÷3.5156GB/小時(shí)=1029.6962小時(shí)=42.9天

　　4K 高清的解碼和顯示

　　從解碼上來看，目前在安防行業(yè)還沒有專門的 4K 超高清網(wǎng)絡(luò)視頻硬件解碼器，供 4K 超高清視頻解碼上墻使用。但是一般的視頻播放軟件均支持軟件解碼顯示輸出 4K 高清視頻。以低端常用的奔騰G系列CPU來看，解碼 8Mbps 的 4K 超高清視頻時(shí) CPU 資源占用率在 80% 左右，如果通過獨(dú)立顯卡硬解，占用率將更低。

　　從顯示上來看，國(guó)內(nèi)企業(yè)像樂視電視 X50 Air、小米電視2 等均可以完美支持 4K UHD 超高清視頻硬件解碼顯示，而且價(jià)格在 4000 元以內(nèi)，基本上可以滿足 4K 超高清視頻的解碼顯示要求。

　　當(dāng)然，理論上只要縮放引擎支持，1080P 分辨率的高清電視也是可以支持 4K 超高清的顯示的。

　　HDMI 1.4 支持 4K 超高清嗎？

　　4K 超高清視頻播放需要 HDMI 1.4a 及以上接口，HDMI 1.4支持 10.2 Gbps 的帶寬，只夠支持24fps、25fps、30fps 的 UHD 4K （3840 x 2160）播放，以及 DCI 全 4K 電視（4096 x 2160）時(shí) 24P 的播放。也就是說2160p/24P 和 2160p/30P 格式是可以播放的，但更高幀率就不行了。未來的發(fā)展還是 HDMI 2.0，最大的帶寬達(dá)到了18Gbps，可播放 4K 分辨率的 3D 視頻。

　　值得注意的是，HDMI 線纜對(duì)于 4K 超高清圖像的影響比較大，有些甚至無法播放 4K 超高清視頻。所以為免犧牲圖像畫質(zhì)，還是盡可能地購(gòu)買高速的 HDMI 1.4 線纜吧。