8K UHD技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用研究

8KUHD技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用研究孫天宇，胡偉屹

（1.洛陽師范學(xué)院文學(xué)院，河南洛陽471934；2.學(xué)習(xí)強(qiáng)國學(xué)習(xí)平臺(tái)有限責(zé)任公司，北京100000）

0引言

2022年，北京冬奧會(huì)在國家體育館“鳥巢”拉開帷幕。開幕式通過科技與美學(xué)的完美融合，為全世界的觀眾帶來一場震撼的視覺盛宴。北京冬奧會(huì)開幕式憑借壯觀的蒲公英燈光秀、裸眼3D瀑布、奧運(yùn)五環(huán)破冰等極具視覺沖擊力的場面，瞬間沖上世界各大媒體熱榜。這些豐富多彩、極具創(chuàng)新和表現(xiàn)力的視覺效果都是通過8KLED屏幕實(shí)現(xiàn)的?！傍B巢”定制了全球最大的可呈現(xiàn)8K以上分辨率的LED屏幕來向世界呈現(xiàn)具有中國特色的冬奧會(huì)開幕式和中國最頂尖的科技創(chuàng)新水平。

該LED屏幕占地11500m2，由40000多個(gè)LED模塊組成。它不僅是世界上最大的LED屏幕，而且搭配有世界頂尖的顯示技術(shù)和播控系統(tǒng)。以5G+8K+AI技術(shù)為支撐，北京冬奧會(huì)開幕式首次使用前所未有的8K超高清（UltraHighDefinition，UHD）屏幕和50f·s-1幀速，以超高清和流暢感給觀眾留下深刻印象。

借由本屆冬奧會(huì)，觀眾們近距離體驗(yàn)了一次8K技術(shù)帶來的視覺盛宴，更多的人了解到超高清視頻的真實(shí)觀感，從側(cè)面提升了8K技術(shù)在世界范圍內(nèi)的傳播和影響力，從中能夠一窺未來技術(shù)發(fā)展的軌跡。

1影像畫質(zhì)從FHD到8KUHD的轉(zhuǎn)變

早期，消費(fèi)者接觸到的視頻分辨率通常為全高清（FullHighDefinition，F(xiàn)HD）。FHD的分辨率參數(shù)為1920×1080，也稱作1080p。FHD在之前很長一段時(shí)間內(nèi)是各大流媒體平臺(tái)內(nèi)容使用的主流畫質(zhì)分辨率。電子設(shè)備制造巨頭們大多將此分辨率作為最高支持畫質(zhì)來生產(chǎn)旗下產(chǎn)品。相應(yīng)地，作為“自媒體”的個(gè)體內(nèi)容創(chuàng)作者們也就把FHD設(shè)置為展現(xiàn)自己作品的最高輸出畫質(zhì)。隨著科技的進(jìn)步，這個(gè)“很長一段時(shí)間”在近些年迎來終結(jié)。人們意識到，眼前用來了解世界的屏幕已經(jīng)不能滿足他們進(jìn)一步探索的需求，于是視頻畫質(zhì)也就向“更清晰”的方向前進(jìn)，各種諸如2K，4K甚至8K等遠(yuǎn)高于FHD的分辨率應(yīng)運(yùn)而生[1]。

8KUHD像素高、畫面銳利，畫面中人物的胡須、皮膚紋路都能清晰地呈現(xiàn)出來。CES（InternationalConsumerElectronicsShow）消費(fèi)電子展為參會(huì)者展示了8KUHD技術(shù)所帶來的革命性成果[2]。2022年，8KUHD技術(shù)再度成為世界媒體焦點(diǎn)。電子行業(yè)巨頭紛紛發(fā)布了8K分辨率的顯示設(shè)備。

電視參數(shù)往往涉及2K，4K，8K，QHD，UHD，F(xiàn)HD等專業(yè)術(shù)語。影響畫面清晰度的指標(biāo)還有PPI?！癙”指代“像素”。通常，像素?cái)?shù)越多，圖像越清晰。當(dāng)該數(shù)值減小時(shí)，圖片會(huì)變得模糊或“像素化”。PPI指像素密度，是指每英寸像素的數(shù)量。PPI是衡量顯示器真實(shí)清晰度的指標(biāo)。PPI數(shù)值越高，像素密度也就越高，所呈現(xiàn)的畫面細(xì)節(jié)也就更多[3]。

8KUHD是目前行業(yè)公認(rèn)的最新高分辨率標(biāo)準(zhǔn)。8KUHD顯示和視頻數(shù)據(jù)對應(yīng)水平方向大約8000個(gè)像素。8KUHD分辨率為7680×4320，像素?cái)?shù)是4K的4倍，是1080p的16倍。它是Rec.2022UHDTV標(biāo)準(zhǔn)中定義的最高分辨率。4K與8K的區(qū)別不僅在于分辨率和像素?cái)?shù)，還在于色彩的鮮艷度和存在感[4]。8K分辨率下“幀數(shù)120Hz”指1秒鐘能顯示120幀的畫面。刷新率越高，畫面越流暢。由于該數(shù)值約為4K的兩倍，因此與過去相比，8K能夠減少模糊并呈現(xiàn)更銳利的圖像。此外，在8K和4K中，色域也兼容BT.2022標(biāo)準(zhǔn)，以使圖像盡可能接近實(shí)際顏色，從而可以清晰地區(qū)分明暗。

28K技術(shù)在各大領(lǐng)域的應(yīng)用

8KUHD內(nèi)容具有高分辨率和高色域的特點(diǎn)。即使圖像被分割，局部畫面的清晰度也不會(huì)明顯失真。因此，8K技術(shù)在大型活動(dòng)、沉浸式娛樂、醫(yī)療衛(wèi)生及航空航天領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。

2.18KUHD技術(shù)被廣泛運(yùn)用于體育賽事直播

體育賽事加快了8KUHD技術(shù)的普及。中央廣播電視總臺(tái)借助8KUHD制作和轉(zhuǎn)播技術(shù)為全球觀眾呈現(xiàn)2022年北京冬奧會(huì)期間所舉辦的一系列精彩紛呈的活動(dòng)[5]。在北京冬奧會(huì)和殘奧會(huì)期間，中央廣播電視總臺(tái)為開閉幕式，花樣滑冰、速滑、跳臺(tái)滑雪等比賽提供長達(dá)200個(gè)小時(shí)的8K超高清視頻。奧運(yùn)會(huì)期間，所有與冬奧會(huì)相關(guān)的節(jié)目都在央視CCTV-8K頻道中播出，還通過全國各大城市的8KLED大屏播出。8KUHD為觀眾提供更高解析度的畫面和更多細(xì)節(jié)，觀眾可以看到更加真實(shí)的紋理，如運(yùn)動(dòng)員衣服上銘牌的詳細(xì)信息、頭盔表面的漸變和比賽道具的細(xì)節(jié)；對雪地和冰面的刻畫也會(huì)更加生動(dòng)，如雪橇掠過雪地激起的雪花，冰面被冰刀劃過的痕跡等。聚集在冬奧會(huì)的人們甚至可以觀察到每個(gè)人的面部表情。

2.28KUHD讓老電影舊貌換新顏

8KUHD技術(shù)為老舊電影修復(fù)工作注入新鮮血液。作為4K修復(fù)產(chǎn)品，由電影資料館和中央廣播電視總臺(tái)合作完成的4K修復(fù)《永不消逝的電波》是4K還原作品中的佳作。人物著裝的質(zhì)感、墻紙的紋理以及植被飽滿的色彩都在一定程度上得到修復(fù)。這些細(xì)節(jié)和紋理呈現(xiàn)出極強(qiáng)的表現(xiàn)力。8K電影修復(fù)則為影片帶來更進(jìn)一步的“質(zhì)感”提升，光影漸變等精細(xì)像素繪制的流暢度、龐大的信息量、多樣的色彩變化及層次感等，都在8K電影修復(fù)中活躍起來。通過調(diào)整影片畫面的灰度、色彩、對比度亮度、HDR（高動(dòng)態(tài)范圍成像）等參數(shù)獲得想要的改變，還可以根據(jù)環(huán)境光線設(shè)置更為合理的對比度，為老電影添加層次和色彩。

2.38KUHD在家庭娛樂中的運(yùn)用

8KUHD可實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景的逼真再現(xiàn)，從本質(zhì)上還原人眼的有效分辨率。8KUHD還彌合了現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間的差距。8KUHD與AI和物聯(lián)網(wǎng)等其他技術(shù)的融合，為新的智能生活范式奠定了基礎(chǔ)。人們可以在舒適的家中參與身臨其境的活動(dòng)，如參加音樂會(huì)，遠(yuǎn)程工作，玩VR和AR游戲以及鍛煉身體等等。

38KUHD生態(tài)系統(tǒng)完善

8KUHD商業(yè)應(yīng)用涉及超高清內(nèi)容拍攝、制作、存儲(chǔ)、傳輸及設(shè)備端呈現(xiàn)等多個(gè)領(lǐng)域。在蓬勃發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)中，8K技術(shù)的突破加速了超高清的商業(yè)部署。在硬件層面，相機(jī)、電視等硬件設(shè)備的成本將會(huì)降低，這將帶動(dòng)更多8K內(nèi)容的產(chǎn)生。在軟件層面，借助云計(jì)算和人工智能的存儲(chǔ)、編解碼技術(shù)的進(jìn)步，8K視頻內(nèi)容的數(shù)據(jù)量將大大減少。在設(shè)備體驗(yàn)層面，8K設(shè)備的日益普及，使普通用戶體驗(yàn)到超高清視頻帶來的視覺沖擊。在視頻傳輸層面，數(shù)據(jù)套餐價(jià)格的下調(diào)，將加速超高清視頻的商業(yè)化落地。

3.18K技術(shù)在電視領(lǐng)域的應(yīng)用

2022年，8K顯示設(shè)備會(huì)加速普及。韓國三星公司生產(chǎn)的支持8K播放的75QN900A型電視外觀纖薄，并搭配HDMI2.1高速視頻接口，將最大帶寬從原來HDMI2.0的18Gb·s-1提高到48Gb·s-1。HDMI2.1的改進(jìn)也有利于視頻和游戲，例如自動(dòng)低延遲模式（AutoLow-latencyMode，ALLM）和可變刷新率（VariableRefreshRate，VRR）都能為用戶帶來更好的視覺體驗(yàn)。自動(dòng)低延遲模式能夠在電視與兼容的視頻游戲機(jī)配對時(shí)自動(dòng)啟用，使其游戲模式降低輸入延遲。此外，這款電視還能夠?qū)⒃镜陀?K分辨率的內(nèi)容通過芯片解碼提升到8K，從而展示出超高清細(xì)節(jié)，其接近4000nit峰值亮度的高動(dòng)態(tài)范圍（HighDynamicRange，HDR）技術(shù)也會(huì)在真實(shí)使用環(huán)境中展現(xiàn)出更好的視覺效果。

日本索尼公司生產(chǎn)的全分區(qū)背光8KHDR智能電視Z8H系列，憑借自主研發(fā)的“X1無限”圖形處理芯片，能將任何分辨率的視頻內(nèi)容轉(zhuǎn)換為更為逼真的8KUHD。X1無限芯片通過精確分析和處理數(shù)據(jù)，以4倍于4K的分辨率為8K圖像提供支持，同時(shí)為具有更深層次感、紋理和細(xì)節(jié)的場景提供支持。即使是前期通過4K和2K設(shè)備拍攝的圖像和視頻也可以通過X1無限芯片處理，利用AI算法和邊緣計(jì)算技術(shù)將4K和2K圖像轉(zhuǎn)換為8K圖像。該過程通過線縮放技術(shù)將原本的分辨率放大至8K，再通過對所拍攝的圖片和視頻用超分辨率處理來優(yōu)化和再現(xiàn)近似真實(shí)世界的紋理。

3.28K在VR領(lǐng)域的發(fā)展

適配索尼最新一代視頻游戲機(jī)PlayStation5（PS5）的頭戴設(shè)備PSVR2正在研發(fā)中，索尼在VR技術(shù)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。在“趨向現(xiàn)實(shí)”的主題演講中，索尼公司詳細(xì)介紹了這款VR設(shè)備。該設(shè)備通過搭載OLED自發(fā)光面板的微型顯示器，能夠?qū)崿F(xiàn)單眼4K、雙眼8K的超高分辨率，可投射高清3D空間，消除晶格和紗窗效應(yīng)，避免像素化，來提供更為清晰的圖像。除改進(jìn)視覺效果外，PSVR2還對信號傳輸延遲進(jìn)行了優(yōu)化，以提供更舒適的視聽體驗(yàn)。

臉書旗下的OculusQuest2頭戴設(shè)備也支持最高8KUHD的視頻播放，并能借助Visbit8KVRVideos這一世界上第一款主要用于播放8K分辨率下360°或180°VR視頻的應(yīng)用程序體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)帶來的視覺沖擊。應(yīng)用程序中的視頻都選自世界頂級內(nèi)容創(chuàng)作者的作品，通過Visbit獨(dú)家視覺優(yōu)化（VVOS）技術(shù)在Visbit云端進(jìn)行預(yù)轉(zhuǎn)碼，并以視頻的最高分辨率也就是8KUHD播放視頻。

3.38K技術(shù)在攝影攝像領(lǐng)域的發(fā)展

由日本松下公司推出的AK-SHB8008K攝像機(jī)，配備8K全尺寸CMOS圖像傳感器。8K傳感器可生成廣角、大畫布，處理單元可以從中生成4個(gè)單獨(dú)的畫面方便后期“裁剪”。其搭載的ROI系統(tǒng)能夠從單個(gè)8K攝像機(jī)系統(tǒng)生成4種不同高清信號或“虛擬攝像機(jī)”，顯著降低運(yùn)維成本，使其非常適合體育廣播、舞臺(tái)及演播室使用。攝像機(jī)系統(tǒng)可以從高分辨率、廣角8K圖像中裁剪多達(dá)4個(gè)單獨(dú)的高清視頻，并且每個(gè)裁剪的圖像都可以單獨(dú)平移、傾斜和縮放，自動(dòng)廣角畸變校正功能，能實(shí)時(shí)消除周邊裁剪所導(dǎo)致的圖像畸變，讓畫面看起來更加自然。

此外，日本佳能公司也發(fā)布了能夠拍攝8K視頻的高端機(jī)型EOSR5C[6]。該機(jī)型是佳能電影相機(jī)系列的新成員。它繼承了上代EOSR5機(jī)型的大部分優(yōu)點(diǎn)，解決了在拍攝8K或高幀率4K視頻時(shí)機(jī)身過熱問題。在攝錄方面，EOSR5C可以錄制8K60f·s-1的12bit色深RAW超高規(guī)格視頻，與R5的8K30f·s-1相比有了很大的進(jìn)步。它還支持通過HDMI端口以高達(dá)8K/30P的速度將ProResRAW視頻輸出到外部錄像機(jī)。

48KUHD落地仍面臨市場化選擇

盡管在技術(shù)層面有著上述的諸多進(jìn)步，但由于片源匱乏、拍攝成本高、顯示設(shè)備昂貴、普通消費(fèi)者難以區(qū)分8K和4K分辨率等因素的制約，8KUHD的普及仍需走很長的路[7-8]。

阻礙8KUHD技術(shù)推廣的主要原因是內(nèi)容制作成本過高。用于拍攝的8K相機(jī)和攝像機(jī)價(jià)格昂貴，主要受眾群體是專業(yè)電影制作人，處理和編輯素材還需要性能強(qiáng)但價(jià)格昂貴的計(jì)算機(jī)。目前，僅有少數(shù)流媒體平臺(tái)提供8K內(nèi)容。雖然國內(nèi)的BILIBILI、國外的YouTube、VIMEO等平臺(tái)有制作精良的8K視頻，但包括Netflix、HBO、Hulu在內(nèi)的大部分重量級流媒體平臺(tái)目前最高的視頻解析度仍為4K。另外，即使是支持8K視頻播放的平臺(tái)，也有著原生8K視頻稀少的問題，一些所謂的“8K視頻”大部分都是通過AI算法將4K內(nèi)容插入像素以提高圖像質(zhì)量，獲得近似8K的體驗(yàn)。

盡管索尼、松下、佳能等公司都有推出能夠拍攝8KUHD視頻的攝像機(jī)，但視頻本身對于拍攝者設(shè)備的存儲(chǔ)空間也有一定要求。錄制1分鐘的8K視頻，需要近200GB的儲(chǔ)存空間。儲(chǔ)存容量和超高的價(jià)格也限制了8K設(shè)備在民用領(lǐng)域的普及。目前，只有國家級電視臺(tái)或大型影視制作公司有能力使用。

真正的8K內(nèi)容還需要用戶有更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。想要流暢地欣賞8K視頻，需要更快的網(wǎng)速。4K視頻1小時(shí)會(huì)消耗約7GB的網(wǎng)絡(luò)流量，并且需要25MB·s-1或更高的網(wǎng)速。根據(jù)計(jì)算，8K視頻1小時(shí)將消耗約30GB的流量，并且至少需要100MB·s-1的網(wǎng)速。Speedtest專業(yè)測速網(wǎng)站所提供的全球平均固定寬帶速度數(shù)據(jù)表明，全球一半人口的網(wǎng)絡(luò)速度低于這個(gè)要求。即便是在中國、美國、歐洲等互聯(lián)網(wǎng)發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)，也無法做到每一個(gè)地區(qū)都能達(dá)到流暢觀看8KUHD視頻的標(biāo)準(zhǔn)。高額的網(wǎng)費(fèi)對于普通家庭來說也是一筆巨大的支出。

55G賦能推動(dòng)8K技術(shù)普及

《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022—2022年）》指出，到2022年，CMOS圖像傳感器、光學(xué)鏡頭、專業(yè)視頻處理芯片等核心部件，以及編解碼芯片必須取得突破，8K前端核心設(shè)備將形成產(chǎn)業(yè)化能力，8K超高清電視終端銷量將占電視總銷量的5%以上。

2022年北京冬奧會(huì)為中國推進(jìn)8K廣播戰(zhàn)略提供了契機(jī)。中央廣播電視總臺(tái)為此推出了CCTV-8K頻道?，F(xiàn)在，中國觀眾可以在新設(shè)立的8KUHD頻道以超高清的視覺體驗(yàn)觀賞北京冬奧會(huì)和殘奧會(huì)等大型活動(dòng)[9]。此外，“百城千屏”計(jì)劃將8K技術(shù)引入民間，中國運(yùn)營商在工業(yè)和信息化部的指導(dǎo)下，在北京、上海、重慶等20個(gè)城市邀請用戶參與到8KUHD體驗(yàn)中來，通過升級8KUHD視頻專區(qū)，進(jìn)一步拓展8K內(nèi)容，確保用戶通過組播專網(wǎng)和8K超高清智能終端加載并播放8KUHD春晚、冬奧會(huì)、文化宣傳片等視頻節(jié)目。

通過5G賦能8KUHD向觀眾轉(zhuǎn)播奧運(yùn)會(huì)這一重大創(chuàng)舉，將會(huì)對視頻行業(yè)圍繞該模式建立更廣泛的興趣面發(fā)揮重要作用。8KUHD技術(shù)與高速大容量通信技術(shù)5G相結(jié)合，將在影視制作、大型活動(dòng)、安防、醫(yī)療衛(wèi)生及教育等各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造新價(jià)值。隨著5G+8K的運(yùn)用和全國8K屏幕建設(shè)工作的開展，2022年，8KUHD技術(shù)在中國將會(huì)有更為廣闊的前景。

6結(jié)語

目前8K仍非業(yè)界主流，輸出內(nèi)容匱乏是8K短期內(nèi)無法普及的主要原因。盡管8K可以在傳統(tǒng)的廣播和流媒體之外應(yīng)用，包括游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)和用戶自行生