4K UHD超高清的前世今生

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随着 Full HD 全高清在安防视频监控、电视和手机上的应用普及,高清已逐渐融入了我们的生活。而 100M 光纤等基础网络传输的日趋成熟,以及国内电视厂商将 超高清电视价格平民化,人们对于更高清晰度的追求也越来越迫切。而像 AipStar 这样的 IP 高清安防厂商们也先后秀出 超高清网络摄像机及配套解决方案。今天,就随小编一起来看看 4K 超高清的前世今生!

你所不知道的 4K 超高清的来历

为了应对高清晰度电视的挑战,电影行业必须引进新的技术标准以便在技术层面上继续保持对电视的优势。于是在 2004 年 7 月 1 日,由好莱坞 7 大电影公司组成的 DCI 数字电影推进联盟(Digital Cinema Initiative)修订并推出了其技术文档4.0行业标准,规定的数字影院清晰度分为两级,即 DCI 2K(2048×1080,每秒24帧或48帧)和 DCI 4K(4096×2160像素,每秒24帧),其中 DCI 4K(4096×2160)的信息量则是高清电视的4倍多。因此4K确保了数字电影对高清晰度电视在技术层面的优势,而这种优势是今后电影与电视竞争时绝对需要的。

电视的发展始终是以电影作为参照。随着液晶面板、处理器等工艺性能的不断提升,4K 电视的出现也是顺理成章。2012 年的国际消费电子产品展览会(CES)上,部分厂商在展出其次世代显示设备时使用了“4K”一词。2012年4月,韩国四家主要电视台(KBS、MBC、SBS和EBS)使用66频道试播4K节目,但此时4K的相关标准尚未确定。直到 2012年8月23日,国际电信联盟(ITU)发布了超高清电视的国际标准:ITU-R BT.2020,标志着4K电视开始步入正轨 。

到了 2013 年的 CES 展会上,越来越多的厂商开始使用“超高清分辨率”()来取代“4K”一词。“超高清分辨率”英文原文为“Ultra High Definition”,缩写为UHD或UltraHD,是国际电信联盟(ITU)定义的术语。

ITU BT.2020 标准

在经历多个版本的修订后,国际电信联盟(International Telecommunication Union,即 ITU)于2012年8月23日发布了超高清电视(Ultra HDTV)的国际标准:ITU-R Recommendation BT.2020。BT.2020 标准重新定义了电视广播与消费电子领域关于超高清视频显示的各项参数指标,对超高清电视的分辨率、色彩空间、帧率、色彩编码等进行了规范,促进 4K 超高清设备进一步走向规范化。

分辨率
在 Rec.2020 标准中,因全球各地区发展差异,UHD 超高清视频显示系统定义为 4K 与 8K 两个阶段,其中 4K 的物理分辨率为 3840×2160,而8K则为7680×4320。

  • 超高清4K:水平清晰度3840,垂直清晰度2160,宽高比16:9,总约830万像素,俗称 2160P。
  • 超高清8K:水平清晰度7680,垂直清晰度4320,宽高比16:9,总约3320万像素

4k-resolution-500
(常见高清分辨率对比图)

帧率
在 Rec.2020 中,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,支持帧率120p、60p、59.94p、50p、30p、29.97p、25p、24p和23.976p,共9种帧率。在 BT.2020 标准中终于取消了隔行扫描,只有逐行扫描(Progressive),进一步提升了超高清影像的细腻度与流畅感。

色深

BT.2020 标准大幅度提升了视频信号的性能规范。色彩深度方面,由 BT.709 标准的8bit提升至 10bit 或 12bit,其中10bit 针对的是 4K 系统,12bit 则针对 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。

色彩空间

超高清电视对应的色域为:ITU-R BT.2020 色域,又称 Rec.2020,是显示设备中最大的色彩空间,覆盖了 CIE 1931的75.8%,白点色温D65(6500K)。高清电视色域的国际标准 ITU-R BT.709(又称Rec.709 或sRGB)的仅覆盖了 Rec.2020 的 35.9%,所以超高清电视(UHDTV)能比现行的高清电视(HDTV)显示更为丰富的色彩。

※注:除了一些顶级的彩色技术监视器样机外,市面上并没有显示设备可以完全覆盖Rec.2020色域,也就是说市面上的 4K 电视大多数都是不符合标准的。
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Rec.2020与Rec.709色域(CIE 1931色度图)

BT.2020 标准定义的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。最近,美国消费电子协会(CEA)更新UHD超高清显示特性,对 4K 显示缩放和接口等又进行了补充说明。若使用 4K 显示设备显示全高清 1080P 时,屏幕中的 4 个像素对应输出 1080P 中的 1 个像素;显示 720P 时则为9个。

安防中的 4K UHD 超高清

很遗憾,中国还没有定义安防高清的国家标准,所以并没有一个统一的标准供参考。目前安防行业高清产品都是参照国外广电 HDTV 的标准。我们以前在《百万像素高清技术应用已经成熟》中就说过,高清应该是一个整体系统,任何脱离系统单独谈高清都是在耍流(xiā)氓(bāi)。同样,4K 高清应用也应该是从整体来看。接下来我们就看看安防监控行业 4K 高清的现状。

4K 超高清网络摄像机
目前市场上 4K 超高清网络摄像机宣传的多,真正量产的不多。原因是成本高、功耗高、发热量大,比较考验厂商的硬件设计能力。其次,安防厂商(尤其是民用安防市场)大多还在进行低端产品的价格血拼,4K 超高清的需求或者说 4K 超高清的应用,大家还没有真正想清楚。但是你用或不用,4K 超高清网络摄像机就摆在那里,这已经是不争的事实。以艾普视达为例,目前 AipStar 的 4K UHD 超高清网络摄像机产品分辨率可以支持 ITU Ultra HD (3840 x 2160),也支持 DCI 4K (4096 x 2160),当然也向下兼容 1080P 高清。4K 超高清网络摄像机最大的特点就是分辨率高,图像画质细腻,监控范围广,使其可以利用 ePTZ 等技术对图像局部综合利用,提高图像价值。非常适合于广场、运动场馆、海滩、机场等人流密集场合进行大范围全景高清视频图像监控。

4K 超高清传输带宽和存储
以艾普视达公司的安防行业专用 4K 超高清网络摄像机来看,目前使用 H.264 Main Profile 压缩码率完全可以控制在 6-8Mbps,等 H.265 标准成熟后,码率还能降低一倍以上。

从网络带宽上来看,虽然目前家庭带宽已经普及 20M/100M 光纤到户,但民用市场的上行带宽仍然不超过 1M,可见对于 4K 来说,民用市场监控或者说走公网传输基本上不太现实。但是,4K 超高清网络摄像机属于高端应用,基本上都会是内网、本地、光纤传输,带宽上基本不会存在什么问题。

从存储方面来看,目前成熟的数据硬盘技术已经发展到了 4T ,4T 硬盘格式化后的容量大约是 3620GB。4T硬盘大约可以存储单台 4K 高清网络摄像机视频约 42 天。基本上是可以满足要求的。

以 8Mbps 视频码率来算,每台 4K 超高清网络摄像机每小时占用存储空间:
(8Mbps÷8bit)×60s/分钟×60分钟/小时=3600MB/小时=3.5156GB/小时

4T硬盘可以储存 4K 超高清网络摄像机视频的时间:
3620GB÷3.5156GB/小时=1029.6962小时=42.9天

4K 高清的解码和显示
从解码上来看,目前在安防行业还没有专门的 4K 超高清网络视频硬件解码器,供 4K 超高清视频解码上墙使用。但是一般的视频播放软件均支持软件解码显示输出 4K 高清视频。以低端常用的奔腾G系列CPU来看,解码 8Mbps 的 4K 超高清视频时 CPU 资源占用率在 80% 左右,如果通过独立显卡硬解,占用率将更低。

从显示上来看,国内企业像乐视电视 X50 Air、小米电视2 等均可以完美支持 4K UHD 超高清视频硬件解码显示,而且价格在 4000 元以内,基本上可以满足 4K 超高清视频的解码显示要求。

当然,理论上只要缩放引擎支持,1080P 分辨率的高清电视也是可以支持 4K 超高清的显示的。

1.4 支持 4K 超高清吗?
4K 超高清视频播放需要 1.4a 及以上接口,HDMI 1.4支持 10.2 Gbps 的带宽,只够支持24fps、25fps、30fps 的 UHD 4K (3840*2160)播放,以及 DCI 全 4K 电视(4096 x 2160 )时 24P 的播放。也就是说2160p/24P 和 2160p/30P 格式是可以播放的,但更高帧率就不行了。未来的发展还是 HDMI 2.0,最大的带宽达到了18Gbps,可播放 4K 分辨率的 3D 视频。

值得注意的是,HDMI 线缆对于 4K 超高清图像的影响比较大,有些甚至无法播放 4K 超高清视频。所以为免牺牲图像画质,还是尽可能地购买高速的 HDMI 1.4 线缆吧。

参考资料
本文档在整理过程中参阅了百度百科、wikipedia、ITU、影音中国等网络资料,在此一并致谢。

(本文由四川艾普视达数码科技有限公司 范清华 搜集整理,转载请注明出处)

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