4K技術(shù)在高校精品課程建設(shè)中的應(yīng)用

1、 4K技術(shù)在高校精品課程建設(shè)中的應(yīng)用 王健寇宏Summary 4K技術(shù)具有高寬容度、高寬色域和高對(duì)比度優(yōu)勢(shì)，研究4K技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析4K技術(shù)在教育領(lǐng)域，特別是高校精品課程制作及視頻作品創(chuàng)作中的效果。對(duì)比8種當(dāng)前適用于高校的4K攝像機(jī)產(chǎn)品，分析5種非線性編輯軟件，闡述4K制作前期準(zhǔn)備及后期編輯工作，概括4K攝制中應(yīng)注意的問(wèn)題。將4K技術(shù)運(yùn)用到高校新興和有發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科中，對(duì)促進(jìn)高?！半p一流”建設(shè)，縮短與國(guó)外的技術(shù)差距，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，打造優(yōu)質(zhì)精品課程，加快高校一流學(xué)科建設(shè)都具有重要意義。Key 4K技術(shù)；4K攝像機(jī)；4K攝制 ；精品課程建設(shè)DOIDOI：10.11907/rjdk.1811

2、77：TP319：A：16727800（2018）009016204英文標(biāo)題Application of 4K Technology in Colleges and Universities-副標(biāo)題英文作者WANG Jian，KOU Hong英文作者單位（School of Computer and Information Technology，Liaoning Normal University， Dalian 116081， China）英文SummaryAbstract：In order to enhance the interest of college students in lea

3、rning，to create quality courses in colleges and universities and speed up the construction of firstclass disciplines in colleges and universities.，based on the characteristics of 4K with high latitude，high color gamut and high contrast，this paper studies the development of 4K technology at home and

4、abroad，describes the preparation and postediting of 4K production and summarizes the attention problems in 4K production. Eight 4K video cameras currently available for colleges and universities are compared， and 5 nonlinear editing softwares are analyzed.The results show that 4K technology is appli

5、ed in the field of education，especially in the production of excellent courses in colleges and universities and the creation of video works to achieve better results.The conclusion is that 4K technology should be applied to new and potential disciplines in colleges and universities to shorten the te

6、chnological gap with foreign countries and promote the construction of dual firstclass colleges and universities，and it is hoped to provide a reference for the application of 4K technology in colleges and universities.英文關(guān)鍵詞Key Words：4K technology； 4K camera； 4K shooting；fine course construction14K技術(shù)

7、發(fā)展?fàn)顩r2005年4K技術(shù)誕生，主要用于當(dāng)時(shí)的好萊塢電影放映。2012年8月，美國(guó)消費(fèi)電子產(chǎn)品協(xié)會(huì)公布“超高清”概念，即分辨率至少為3 8402 160像素。隨后，索尼將此技術(shù)命名為“4K超高清”。同年，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了超高清的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ITU-RBT.20201，在該標(biāo)準(zhǔn)中，將超高清的空間特性分為3 8402 160 和7 6804 320兩種級(jí)別，分別稱為4K 和8K格式。國(guó)外4K技術(shù)的研究及應(yīng)用較早，歐美和日韓發(fā)展最為迅速。國(guó)外4K技術(shù)應(yīng)用經(jīng)歷了3個(gè)階段：早期嘗試階段。在早期嘗試階段由于沒(méi)有4K錄像機(jī)，只能先將視音頻信號(hào)用本機(jī)存儲(chǔ)卡記錄，后期再進(jìn)行剪輯。4K技術(shù)在很多方面展現(xiàn)出

8、優(yōu)越性能，從4K畫面中裁切出部分畫面用于高清制作，不僅保證了畫質(zhì)還節(jié)省了機(jī)位與人力；4K現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)播系統(tǒng)建立。2013年相關(guān)廠商發(fā)布了基于35mm全畫幅攝影機(jī)的4K訊道攝像機(jī)系統(tǒng)，4K轉(zhuǎn)播系統(tǒng)得以真正建立。這一時(shí)期主要是在不影響原有高清轉(zhuǎn)播的前提下進(jìn)行4K制作；4K技術(shù)完整應(yīng)用。德國(guó)、俄羅斯、馬來(lái)西亞、印度等國(guó)進(jìn)行了4K超高清衛(wèi)星傳輸，日本、捷克、法國(guó)、英國(guó)、美國(guó)則進(jìn)行了地面4K超高清傳輸。美國(guó)采用VP9和HEVC編碼的4K串流技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)傳輸；波蘭通過(guò)HbbTV混合廣播技術(shù)傳輸4K信號(hào)，可同時(shí)傳輸廣播和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。2014年后半年，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了4K的EFP轉(zhuǎn)播。2015年，國(guó)內(nèi)多家電視機(jī)構(gòu)進(jìn)行多

9、場(chǎng)4K轉(zhuǎn)播實(shí)踐2。2016年5月，華為啟動(dòng) “4K影視技術(shù)人才養(yǎng)成計(jì)劃”，培訓(xùn)4K技術(shù)人才。2015年12月，中國(guó)傳媒大學(xué)開始建設(shè)1400m24K演播室。2016年10月18日，4K超高清演播室正式運(yùn)行，意味著中國(guó)傳媒大學(xué)開始正式啟用亞洲第一個(gè)高校4K演播室，開啟了高校4K研究及人才培養(yǎng)新時(shí)代3。24K制作前期準(zhǔn)備4K技術(shù)在影視行業(yè)，以及專業(yè)、高端的應(yīng)用領(lǐng)域，如教育領(lǐng)域得到應(yīng)用。良好的教育環(huán)境離不開先進(jìn)的教學(xué)手段和技術(shù)手段。4K最直觀的優(yōu)勢(shì)是其超高清畫質(zhì)，擁有4倍于1080P的分辨率，帶來(lái)前所未有的視覺(jué)體驗(yàn)。2018年1月15日，教育部宣布我國(guó)慕課數(shù)量居世界第一4。大規(guī)模開放性課程建設(shè)不僅對(duì)教

10、育教學(xué)是一種變革，對(duì)錄制課程工作也是前所未有的挑戰(zhàn)。精品課程制作使用4K技術(shù)，不僅能有2D狀態(tài)的細(xì)致真實(shí)畫面，還能顯示原生態(tài)3D畫面，從收音、布景、布光以及場(chǎng)記，都要有所調(diào)整。利用4K攝像機(jī)對(duì)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行拍攝時(shí)，應(yīng)做好拍攝前的準(zhǔn)備工作，有拍攝主題、策劃方案等。2.14K攝像機(jī)目前主流的4K攝像機(jī)來(lái)自索尼、松下、JVC和佳能等傳統(tǒng)廠商，其中以索尼產(chǎn)品最為豐富，專業(yè)級(jí)的有F65、F55、NEX系列等，還有手持設(shè)備如PXWZ150等。在標(biāo)清和高清時(shí)代，攝像機(jī)的功能定位存在明顯差異，主要分為電影級(jí)、廣播級(jí)、專業(yè)級(jí)和家用級(jí)。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展， 4K設(shè)備越來(lái)越趨于融合發(fā)展，其功能定位也逐漸模糊。電影

11、級(jí)面向的是專業(yè)團(tuán)隊(duì)，家用級(jí)面向普通大眾。面向創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)、功能豐富、操作性強(qiáng)、性價(jià)比高的一類攝像機(jī)定義為“專業(yè)級(jí)”。表1為一些品牌專業(yè)級(jí)4K攝像機(jī)型號(hào)對(duì)比。索尼PXWZ150手持式攝錄一體機(jī)，采用最新研發(fā)的1英寸ExmorRS COMS成像器件，12倍光學(xué)變焦鏡頭，可提供卓越的4K圖像質(zhì)量。120fpsHFR全高清慢動(dòng)作拍攝，能夠進(jìn)行不間斷的高速畫面錄制，無(wú)需等待緩沖，能夠用于高校教學(xué)中關(guān)鍵鏡頭的長(zhǎng)時(shí)間高速畫面記錄，對(duì)于實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的教學(xué)拍攝場(chǎng)合非常適用5。AU-EVA1攝像機(jī)是松下公司2017年開發(fā)的具有EF鏡頭口的緊湊型、重量輕的4K60p存儲(chǔ)卡攝像機(jī)，采用5.7K、超35mm MOS傳感器，可采

12、集到4K、2K甚至720p信號(hào)，獲得很高的圖像質(zhì)量。雖然其定位于電影制作，但是價(jià)格適中，可用于高校教學(xué)。其配有移動(dòng)手柄，除可用于高速的手持拍攝外，還可安裝在無(wú)人機(jī)、穩(wěn)定器或搖臂上進(jìn)行更復(fù)雜的攝像工作。與同類產(chǎn)品或技術(shù)相比，其具有獨(dú)有的雙原生ISO 800/3200，電子圖像穩(wěn)定系統(tǒng)E.I.S，可拍攝紅外視頻6。JVC的GY-HM200是一款內(nèi)置12倍超高清鏡頭和1/2.3英寸CMOS傳感器的4K超高清攝錄機(jī)，它可以50Mbps速率錄制422的60p視頻，最大亮點(diǎn)是可記錄標(biāo)清到超高清的各種格式文件，配有先進(jìn)的IP網(wǎng)絡(luò)通信，采用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的存儲(chǔ)卡進(jìn)行記錄7。UHK-430是池上最新推出的4K攝像機(jī)系

13、統(tǒng)，具有高畫質(zhì)、高可靠性和低功耗特點(diǎn)，采用3片2/3英寸真4K分辨率的CMOS傳感器，標(biāo)準(zhǔn)B4鏡頭卡口，可拍攝出寬動(dòng)態(tài)和高對(duì)比度畫面。用戶可根據(jù)自身需要選擇適合的光學(xué)模塊，可對(duì)聚焦輔助區(qū)域的大小、顏色、輪廓顏色進(jìn)行調(diào)整。與當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品或技術(shù)相比，攝像機(jī)機(jī)頭與CCU之間實(shí)現(xiàn)了非壓縮4K信號(hào)傳輸（40Gbp），畫面質(zhì)量?jī)?yōu)于其它采用壓縮信號(hào)的4K攝像機(jī)8。佳能EOS C300配置了自行開發(fā)的Super 35mm規(guī)格、約885萬(wàn)有效像素的大型CMOS傳感器，實(shí)現(xiàn)了高畫質(zhì)影像。EOS C300的EF卡口可充分利用包括魚眼、移軸等特殊效果鏡頭在內(nèi)的超過(guò)70款EF鏡頭，完成豐富多彩的影像表現(xiàn)?？膳臄z最

14、高ISO102400、增益54dB的超高感光度。采用模塊化設(shè)計(jì)，組裝快捷方便，可擴(kuò)展，在眾多領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。采用與佳能XF系列專業(yè)級(jí)攝像機(jī)相同的XF編解碼器，生成出色的高品質(zhì)圖像，使數(shù)字文件滿足大多數(shù)后期制作要求9。Black magic URSA Mini Pro 4.6K攝像機(jī)采用Super 35mm傳感器，可選用EF或PL鏡頭卡口，還配備廣播級(jí)視頻傳感器的B4卡口版本，記錄介質(zhì)采用CFast 2.0，可在機(jī)內(nèi)以 Apple Pro Res 或Cinema DNG RAW 格式記錄UHD/HD，拍攝分辨率最高 38402160。其特點(diǎn)是價(jià)格便宜，機(jī)內(nèi)記錄功能強(qiáng)大，后期制作方便。缺點(diǎn)是太大太重

15、且存儲(chǔ)介質(zhì)只有一種10。FT-ONE-LS-12G是中朋榮推出的4K可變幀頻攝像機(jī)，支持4K高速拍攝且機(jī)身小巧輕便，采用機(jī)頭與基站分離式設(shè)計(jì)，可在4K與HD兩種分辨率下工作，支持最新的12G-SDI接口，支持4K50P格式下的10 倍速循環(huán)錄制模式，接線簡(jiǎn)潔方便，可扛肩使用，回訪時(shí)可捕捉新的慢動(dòng)作視頻，慢動(dòng)作面板具有多個(gè)自定義按鍵，使用方便11。ALEXA SXT是阿萊（ARRI）公司推出的能更新升級(jí)的4K攝像機(jī)，可在機(jī)內(nèi)錄制ProRes 4K Cine（4 0962 637像素）和ProRes 4K UHD（3 8402 160像素）格式，采用自主研發(fā)的ALEXA 65攝影機(jī)的電子系統(tǒng)以及獨(dú)

16、特的片門全開、43與169影像傳感器模式，能夠以ARRIRAW或ProRes格式錄制。為簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)工作流程，ALEXA SXT分別提供了3組HD-SDI輸出。ARRI ALEXA的優(yōu)勢(shì)在于能將最優(yōu)秀的整體畫質(zhì)與最高效的現(xiàn)場(chǎng)/后期工作流程結(jié)合得天衣無(wú)縫12。2.2制作流程4K制作一般采用兩種方式。（1）普通質(zhì)量制作的4K XAVC編碼格式。這種制作方法采用壓縮視頻文件，可在硬件要求低的環(huán)境中使用。前期選取XAVC壓縮編碼的4K攝像機(jī)進(jìn)行拍攝記錄，后期使用非編軟件直接對(duì)XAVC格式視頻進(jìn)行剪輯。如果需要精細(xì)制作，可使用后期編輯軟件進(jìn)行處理，然后渲染出視頻文件。（2）高質(zhì)量制作的4K RAW+藍(lán)光方式

17、。它追求的是高清晰度的畫面質(zhì)量，前期拍攝采用的記錄方式是4K RAW格式，形成高低碼流兩種素材，即MPEG2和4K RAW。后期編輯時(shí)，粗略剪輯采用MPEG2壓縮文件完成，特效與校色采用RAW格式完成，然后將所有素材進(jìn)行組合輸出高質(zhì)量的視頻文件13。2.3存儲(chǔ)設(shè)備4K技術(shù)對(duì)感光度要求很高，因此占用存儲(chǔ)空間大。從拍攝初期到結(jié)束，如果沒(méi)有充足的存儲(chǔ)設(shè)備，拍攝人員就要謹(jǐn)慎地對(duì)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行錄制?，F(xiàn)有4K攝像機(jī)既有機(jī)內(nèi)直接拍攝存儲(chǔ)，也有外接記錄存儲(chǔ)，兩種方式各有利弊，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。2.4顯示設(shè)備通常將其稱為4K監(jiān)視器。專業(yè)監(jiān)視器會(huì)內(nèi)置一組高精度工具，包括波形示波器、RGB分量示波器、矢量示波器

18、和直方圖等，以便準(zhǔn)確衡量信號(hào)質(zhì)量。監(jiān)視器不僅用于現(xiàn)場(chǎng)制作監(jiān)看，后期制作和調(diào)色環(huán)節(jié)也必不可少。2.5資金方面使用4K攝像機(jī)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)是為了讓學(xué)生有更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，但要做好資金預(yù)算。34K后期編輯制作4K后期的視頻編輯制作是優(yōu)質(zhì)精品視頻課程不可或缺的環(huán)節(jié)。結(jié)合美術(shù)、動(dòng)畫等高科技展現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行后期制作，讓教學(xué)者的思想精髓通過(guò)清晰的視頻結(jié)構(gòu)、色彩和排列變得生動(dòng)精彩，使學(xué)習(xí)體驗(yàn)得到質(zhì)的飛躍。4K后期編輯制作主要依賴非線性編輯系統(tǒng)。非線性編輯系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。一套完備的非線性編輯硬件通常由計(jì)算機(jī)平臺(tái)、視音頻傳輸接口卡、媒體驅(qū)動(dòng)器、視音頻監(jiān)視器構(gòu)成14。計(jì)算機(jī)平臺(tái)是硬件部分的核心，計(jì)算機(jī)平臺(tái)有基于

19、Macintosh機(jī)的系統(tǒng)、基于PC機(jī)的系統(tǒng)和基于SGI工作站的系統(tǒng)。錄制的4K視音頻信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)平臺(tái)需要一個(gè)視音頻傳輸接口卡，它有兩類：一類是有硬件加速功能的，如Edius SP for HDV、MATROX RT.X2等；另一類無(wú)硬件加速功能，如1394、SDI接口卡。視頻的采集與輸出需要媒體驅(qū)動(dòng)器，隨著技術(shù)進(jìn)步，其種類越來(lái)越多，由最初的以磁帶、光盤存儲(chǔ)介質(zhì)的播放機(jī)發(fā)展到以P2卡、藍(lán)光盤、硬盤為存儲(chǔ)介質(zhì)的4K攝錄一體機(jī)，表1中索尼PXW-Z150手持式攝錄一體機(jī)就是以硬盤為存儲(chǔ)介質(zhì)。視音頻監(jiān)視器主要用來(lái)監(jiān)視和監(jiān)聽音視頻信號(hào)，能夠反映出缺陷以及細(xì)微變化。當(dāng)前4K監(jiān)視器種類繁多，較有影響力

20、的有索尼PVM-X300 4K專業(yè)監(jiān)視器、Blackmagic Video Assist 4K監(jiān)視器、佳能DP-V3010 4K監(jiān)視器、松下BT-4LH310 4K監(jiān)視器等。后期剪輯設(shè)備還有一些附屬小型設(shè)備，如監(jiān)聽耳機(jī)、連接線、操作臺(tái)等。后期編輯軟件很多，功能特點(diǎn)各不相同，表2是幾種常見的非線性編輯軟件比較。后期編輯制作完成之后要輸出，4K視頻圖像對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)要求比較嚴(yán)苛，由于生成的4K視頻是高清視頻的4倍碼率，加上各種復(fù)雜的特效以及多層編輯，使存儲(chǔ)帶寬需求數(shù)倍增長(zhǎng)。互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，可將輸出的4K視頻直接上傳到云平臺(tái)，但是需要用很高的帶寬進(jìn)行上傳下載，對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口提出挑戰(zhàn)；也可將其存入SSD設(shè)

21、備，當(dāng)前SSD設(shè)備的讀寫性能可滿足4K 制作需求，但SSD設(shè)備價(jià)格昂貴，容量固定；也可轉(zhuǎn)化成HD藍(lán)光盤進(jìn)行存儲(chǔ)，還可轉(zhuǎn)化成安卓/ISO系統(tǒng)的尺寸碼流，可在線觀看?？傊鎯?chǔ)方式要根據(jù)實(shí)際情況選擇。44K攝制注意事項(xiàng)4.1監(jiān)視器4K監(jiān)視器可真實(shí)還原色彩，具有高對(duì)比度、高分辨率特性。具有4K分辨率的監(jiān)視器能進(jìn)行非常精細(xì)的調(diào)整，如實(shí)顯示色彩與層次。以往監(jiān)視器亮度可能會(huì)隨著視頻信號(hào)平均亮度的增加而減弱，4K監(jiān)視器可以有效避免該問(wèn)題，在后期制作時(shí)可用于調(diào)色和視覺(jué)效果，同時(shí)方便在拍攝現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)圖像。目前4K顯示器尺寸都比較大，所以最好選擇帶有可調(diào)整支架的產(chǎn)品。4.2伽馬曲線所謂伽馬曲線，就是一個(gè)“成像物件”

22、對(duì)入射光線作出 “反應(yīng)”而獲得的曲線，我們眼睛就是“成像物件”，它的伽馬曲線不是一條直線，使人眼對(duì)光線呈非線性反應(yīng)。但是攝像機(jī)中的CMOS影像感應(yīng)器成像方式是通過(guò)硅感光成像，是一種物理成像方式，攝像機(jī)對(duì)光線是呈線性的。因此，攝像機(jī)的伽馬與人眼的伽馬就沖突了。攝像機(jī)要對(duì)所獲得的線性感光信息進(jìn)行調(diào)整，CMOS影像感應(yīng)器在拍攝視頻后會(huì)輸出RGB信息，這種RGB信息是直線信號(hào)，經(jīng)過(guò)攝像機(jī)內(nèi)部的“伽馬調(diào)整模塊”將其調(diào)為非線性信息，然后輸出。這是攝像機(jī)調(diào)整伽馬曲線的過(guò)程，是攝像機(jī)必須經(jīng)過(guò)的一個(gè)步驟。4K攝像機(jī)允許手動(dòng)調(diào)整伽馬曲線，可擁有1600%的寬廣動(dòng)態(tài)效果，不僅可以維持與伽馬曲線的連續(xù)性，還能實(shí)現(xiàn)色階

23、平滑并且抑制曝光過(guò)度。因此，在使用4K攝像機(jī)時(shí)要詳細(xì)調(diào)整其伽馬曲線，得到更真實(shí)、標(biāo)準(zhǔn)的影像。4.3記錄媒介4K高分辨率已成為后期制作的主流，其優(yōu)勢(shì)不言而喻，但對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)、容量以及穩(wěn)定性要求也達(dá)到前所未有的高度。目前最流行的存儲(chǔ)介質(zhì)是基于閃存（Nand flash）的，如CF卡、SD卡、SDHC卡、MMC卡、SM卡、xD卡、SSD固態(tài)硬盤等。但對(duì)于4K高分辨率視頻來(lái)說(shuō)，這些存儲(chǔ)介質(zhì)都顯得容量較小。256G的SD卡錄制時(shí)間對(duì)比見表3。因此，要選取適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)記錄媒介對(duì)4K視頻進(jìn)行記錄。目前Blackmagic記錄4K分辨率采用其獨(dú)特的UHS-II卡進(jìn)行記錄，避免使用如XDCAM、P2以及SSD等昂貴

24、的存儲(chǔ)方案。UHS-II卡能夠全面兼容常規(guī)SD卡槽，而AJA則采用Pak SSD作為存儲(chǔ)介質(zhì)，可提供多種容量，其中Pak 1000具有1TB容量，且AJA Pak 1000 SSD存儲(chǔ)介質(zhì)可實(shí)現(xiàn)UHD 60p和4K 60p的蘋果HD記錄，在圖像質(zhì)量和文件大小之間尋找更好的平衡點(diǎn)。4.4拾音與錄制聲音內(nèi)容及質(zhì)量至關(guān)重要，要根據(jù)指向性、構(gòu)造、位置等特性選取合適的話筒。不管是內(nèi)景還是外景拍攝，都要先錄一段空音，因?yàn)樘囟ǖ沫h(huán)境有特定的聲音。拾取聲音要盡量靠近發(fā)聲體，聲畫景別要一致且盡可能避免話外聲干擾。在錄制聲音時(shí)要監(jiān)聽音樂(lè)，確保最佳品質(zhì)15。5結(jié)語(yǔ)4K技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及后期編輯制作的系統(tǒng)化，為4K技術(shù)在高校的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。高校對(duì)精品課程的4K制作除了要考慮資金、設(shè)備等因素外，還要綜合考慮后期編輯制作的需要。如果高校擁有自己的數(shù)據(jù)管理團(tuán)隊(duì)和后期剪輯調(diào)色團(tuán)隊(duì)，采用4K RAW方式無(wú)疑是高質(zhì)量制作最佳方案。4K超高清將會(huì)越來(lái)越多地融入校園生活的方方面面，帶來(lái)更好的應(yīng)用體驗(yàn)。將4K超高清技術(shù)應(yīng)用到有發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科中，特別是應(yīng)用在一些核心課