浅谈4K技术

李举刚 柏堂琪

（作者单位：陕西省广电网络镇坪县支公司）

浅谈4K技术

李举刚 柏堂琪

（作者单位：陕西省广电网络镇坪县支公司）

摘 要：随着各种屏幕显示技术的不断发展，人们对于生活中美好事物更高享受的追求是无止境的。在资源流动频繁的现在，视频与我们每个人息息相关。本文介绍了生活中常见的视频制式，并着重介绍了4K技术及其在电影中应用，最后简单地分析了它们在未来的前景。

关键词：4K；分辨率；视频；高清

第18届上海国际电影节组委会于2015年4月15日和5月5日分别公布第一、二批包括了《乱世佳人》《龙门客栈》等经典影片的4K修复片单。作为视频领域的又一新技术，4K的热潮正席卷全球。来自国际电信联盟的定义，4K技术是一种分辨率很高的超高清显示技术（UHD，Ultra High Definition），分辨率可达3840×2160万像素，是全高清（FHD，Full High Definition）的4倍、高清（HD，High Definition）的8倍。4K技术的优势在于极致细腻的显示效果，具备更大的可视角度，带来更强的视觉冲击，解决了大屏幕显示设备细节遗失、无法真实还原的问题。所以本文重点对在电影方面4K制式进行研究。

1 常见分辨率的介绍

说到4K技术不得不先提及HD，HD是在广播电视领域首先被提出的，最早是由美国电影电视工程师协会（SMPTE）等权威机构制定的相关标准。视频监控领域也广泛沿用了广播电视的标准，将“高清”定义为720p、1080i与1080p三种标准形式。而1080p又有另外一种称呼，即全高清。通常在高清中常见的分辨率是720p、1080i、1080p、a1080、a720、816p。识别其是否是高清，主要是看其分辨率，这三个是用于标识高清影片分辨率的关键指标。其中，数字后跟随的i和p分别是lnterlace scan（隔行扫描）和Progressive scan（逐行扫描）的英文缩写，而数字反映的是高清影片的垂直分辨率。像720p，就是指1280×720逐行扫描，1080i就是1920×1080隔行扫描，这是一种将信号源的水平分辨率按照约定俗成的方法进行缩略的命名规则。达到720p以上的分辨率，是高清信号源的准入门槛，720p标准也被称为HD标准，而1080i/1080i被称为Full HD（全高清）标准。下面简单介绍720p、1080i、1080p这三种。

1080p显示格式为：1920×1080，像素数达到207.36万。其数字1080则表示垂直方向有1080条扫描线，字母P意为逐行扫描（ Progressive Scan）。通常1080P的画面分辨率为1920×1080,即一般所说的高清晰度电视。帧率通常为60Hz，可标示在p后面，如1080p30。常见的帧率有24、25、30。并非HDMI就一定有1080p的输出，视频源一定要能支持1920×1080才能算是真正的1080p输出。

720p是一种在逐行扫描下达到1280×720的分辨率的显示格式。像素数达到了92.16万。其数字720代表了垂直方向会有720条扫描线，p也是指逐行扫描。

1080i是一种高清晰度显示格式。其中，“1080”表示垂直方向有1080条水平扫描线，“i”表示采用交错式扫描视频显示方

（interlaced scan）。在播放时，它先扫描单数的垂直画面，再扫描双数的垂直画面，故文件的容量也只有1080p一半。

2 4K的介绍

2.1 视频信号的基础知识

（1）像素

一幅平面图像，通过人眼对图像细节分辨力相对有限的视觉持性，都能把一副画面看成为许多个小单元而组成。我们把这些够成一幅画面的细小单元叫做像素。明显的，一副画面的像素越小，其单位面积的像素个数就越多，所组成的图像就越清晰。

（2）图像帧

在电视系统中，把组成一幅图像的所有像素都完成一遍传送叫做完成一个帧处理，也称作传输了一帧，每一帧图像由多个像素构成。

（3）扫描

把构成一帧画面图像的像素，依次转变为电信号的过程（或者逆过程）叫做扫描。扫描过程同我们看书时视线由左至右、从上到下的过程相似。由左到右的扫描叫做行扫描，从上到下的扫描叫做帧（或者场）扫描。

（4）解析度（分辨率）

分辨率（解析度）往往是720p，1080p，高清，超清，HDTV等的概念。分辨率就是屏幕图像的精密度，在显示设备上表示能显示的像素的多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多，分辨率是清晰度重要指标之一，但不绝对。如视频分辨率高，但由于压制方式原因导致细节差，或有人将

低分辨率的素材强行拉伸到高分辨率，画面则惨不忍睹。

2.2 4K技术及4K电影

（1） 4K技术

4K分辨率是发展的趋势，即4096×2160的像素分辨率，它是2K投影机和高清电视分辨率的4倍，属于超高清分辨率。

4K，具有新一代好莱坞大片的分辨率标准。它不同于我们在家里看的所谓高清电视（1080P，1920×1080分辨率），

也不同于传统数字影院的2K分辨率的大屏幕（2048×1080分辨率）而是具有4096×2160分辨率的超精细画面。传统高清电视是207万像素的画面，而在传统数字影院里看到的是221万像素的画面，在4K影院里，能看到885万像素的高清晰画面。

在数字技术领域，通常采用二进制运算，而且用构成图像的像素来描述数字图像的大小。由于构成数字图像的像素数量巨大，通常以K来表示。2的10次方即1024，因此：1K=2∧10=1024，2K=2∧11=2048，4K=2∧12=4096。

在数字电影应用中，通常2K图像是由2048×1080个像素构成的，其中2048表示水平方向的像素数，1080表示垂直方向的像素数;4K图像是由4096×2160个像素构成的，其中4096表示水平方向的像素数，2160表示垂直方向的像素数。在实际的数字母版制作和数字放映中，还需根据不同的画幅宽高比来对图像水平方向或垂直方向的像素数进行调整。

（2） 4K电影

4K超高清数字电影又被称之为p，即横向有4干个像素，纵向有2160个像素，其总像素超过了800万，是2K投影机和高清电视分辨率的4倍（2K数字电影的分辨率与高清电视的分辨率大致相当，而高清电视的分辨率为1920×1080），是目前分辨率最高的数字电影。影院如果采用4K电影，无论在影院的哪个位置，观众都可以清楚的看到画面的每一个细节。

电影行业常见的4K分辨率包括Full Aperture 4K（4096×3112）、Academy 4K（3656×2664） Digital cinema 4K （4096×1714） Digital cinema 4K （3996×2160）等多种标准。目前国内大多数的数字电影是2K的，分辨率为2048*l080，还有部分数字电影是1.3K （1280*1024）的，而所谓农村电影放映的是0.8K （1024*768）的。真正意义上的4K电影应由4K摄像机拍摄，4K数字中间片流程制作，4K数字版发行，并用4K数字放映机放映。还有的4K电影是由35mm胶片拍摄的，再转成4K的数字格式。当使用4K数字投影机将图像投射在大荧幕上时，典型的“阴影”现象就会消失，而且绝对再也看不到单个的像素点了。由于胶片电影的分辨率与4K大致相当或者会略好，故转录之后也能保证电影的清晰度。

3 4K发展的问题

目前说来，对于线下4K视频传播，最大的绊脚石还是片源的问题，由于4K高清的分辨率造成了4K影片需要庞大的存储空间，4K电影的存储空间大约是一部3D电影的4倍，即便是蓝光光盘也无法完整存储。目前在欧洲一些少数国家的4K电视频道开播，但是都是处于试验阶段，配套的设施和相关的产业没有成熟，这些都是短期内无法解决的。对于消费者而言，获得4K视频依然需要大费周折。

关于4K视频存储空间过大的问题，目前最有希望的解决方案是由国际电信联盟（ITU）批准的下一代新的视频标准H.265，这项新的标准将有利于4K视频传播，减小了4K视频的存储空间和网络传播资源利用。H.265是继H.264提出的新的视频标准，业内预计该标准将极大的推动4K视频的发展。标准推动技术的发展是在发展的历史上屡见不鲜。新批准的H.265标准将通过改进后的压缩技术，让4K视频传播耗费的资源更少。

另一个制约4K发展的问题是接口，我们常见的VGA和DVI接口一般只能支持60Hz以下的1920×1200分辨率，而能够支持4K分辨率的输出接口基本上只有HDMI和DisplayPort两种。想要达到4K显示，显示设备必须支持HDMl1.4或者DisplayPortl.2以上的版本接口，也就是从理论上说明想要得到4K的显示效果，老旧的设备是无法完成的。

4 发展前景

前些年随着电影《阿凡达》变得炙手可热的3D技术如今显得后劲不足。3D技术主要向更立体的方向发展。可是因为片源缺失等原因，3D技术开始销声匿迹。当然，片源缺失也是4K电影发展路上的绊脚石。4K级别的分辨率可提供880多万像素，实现电影级的画质，相当于当前顶级的1080p分辨率的四倍还多。当然超高清的代价也是不菲的，每一帧的数据量都达到了50MB，因此无论解码播放还是编辑都需要顶级配置的机器。所以，片源缺失，播放设备，分辨率标准不统一等原因是4K发展的主要拦路虎：

其实当前无论是投影还是高端的大尺寸电视已经满足了4k分辨率电影的显示效果。而且从电影素材上来说，当前一般都是35mm胶片拍摄素材，理论上也已经到达了这个要求（实际上很难，应该选用70mm胶片），但是依然有太多的因素限制了4K电影的普及。

不仅仅是当前家庭中的播放器，许多电影院的放映设备大多停留在2K分辨率的水平。而4K分辨率的播放设备大都价格高昂，这一点是目前最重要的原因。

尽管都叫做4K分辨率，但是包括Full Aperture 4K （4096×3112）、Academy 4K（3656×2664）等多种标准让厂家出产的产品难以达到统一，这也阻碍了4K的普及。

当前我们常用的依然是35mm胶片拍摄素材负片（Negative Film Stock），而其清晰度是4K，到了发行拷贝（Film Print） 1K数字高清理论上可以达到2K的清晰度，这样的清晰度应该是无法达到4K放映要求的，唯一的解决办法是换用70mm胶片拍摄，不过这需要等待电影行业的整体进步。

当前风行的蓝光光盘基本已经达到1080p影片的存储极限，4k电影的尺寸将会达到1080p的4倍，将会给电影发行介质带来新的挑战，不过当前的支持更高更大储存的蓝光光盘已经研发成功，距离上市也指日可待。

不过，4K虽然进步有限，但仍给多媒体行业带来了重要的飞跃，阻止人们转向4K是不太可能的。4K将提供更优质的图像、电影和视频，减少混淆、丰富细节、加宽色域。4K是朝着精细化的道路前进，这也是显示设备一直在走的道路。这个趋势是不可阻挡的。最近，亚马逊宣布，将会在德国推出在线4K视频节目。包括电影大片和电视剧两种不同的内容。如今，4K技术已经不知不觉地渗透在我们的生活的方方面面。4K技术已经不止应用在电影院。家庭影院系统已经在构建中，企业也看到了这块大蛋糕，在相配套的信号源、拍摄设备、投影机、环绕声系统上做足功夫。4K电视已经问世。日后，在强大的硬件支撑下，相信在网络上享受4K电影已经不远了。

柏堂琪，专科学历，陕西镇坪县广电网络公司，工程师。

作者简介：李举刚，本科学历，陕西省广电网络镇坪县支公司，高级工程师。