孫奉明 松下電器廣播電視系統(tǒng)營銷公司

4K 是現(xiàn)在一個(gè)很熱門的話題，4K 全產(chǎn)業(yè)鏈涉及的設(shè)計(jì)層面非常多，今天我重點(diǎn)介紹關(guān)于電視臺(tái)新聞節(jié)目4K制作工藝流程中編碼格式的一些考量。

1. 播出業(yè)界4K路線圖

我們先來關(guān)注廣播電視機(jī)構(gòu)在 4K 方面的發(fā)展概況。以日本電視臺(tái)4K的發(fā)展為例，日本4K的起步比較早，2014年就已經(jīng)開始衛(wèi)星、有線電視和IPTV的4K 超高清節(jié)目的試播。2016年，開展衛(wèi)星4K和8K超高清節(jié)目的實(shí)驗(yàn)播出，進(jìn)一步擴(kuò)大了4K和8K的影響力。2018年平昌冬奧會(huì)期間正式播出4K和8K超高清節(jié)目，在平昌冬奧會(huì)期間的某些時(shí)段，NHK播出了8K的競(jìng)賽內(nèi)容。日本的目標(biāo)是在2020年東京奧運(yùn)會(huì)進(jìn)行4K還有部分8K的電視直播。目前4K在日本電視臺(tái)很熱，包括4K演播室的建設(shè)和4K的播出規(guī)劃，都在為東京奧運(yùn)會(huì)4K和8K超高清節(jié)目播出做準(zhǔn)備。奧運(yùn)會(huì)是廣播電視一個(gè)很重要的展示平臺(tái)，奧運(yùn)會(huì)轉(zhuǎn)播會(huì)應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)奧運(yùn)會(huì)的轉(zhuǎn)播活動(dòng)也推動(dòng)了新技術(shù)的加速普及，我們的切身感受就是在2008年北京奧運(yùn)會(huì)的高清轉(zhuǎn)播后，高清在全國迅速得到了普及。

國內(nèi)超高清也正處于不斷發(fā)展的階段。已明晰的近期4K和8K的發(fā)展目標(biāo)，就是在2022年北京冬奧會(huì)期間會(huì)進(jìn)行4K及8K超高清HDR的電視轉(zhuǎn)播。

雖然日本和韓國的 4K 起步比較早，并已開展了不少工作，但是我國4K超高清的發(fā)展也很快速。2017年，廣東省為了拉動(dòng)電子消費(fèi)產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)開展4K超高清工作的試點(diǎn)，廣東電視臺(tái)2017年已開播4K超高清電視頻道，這是對(duì)我國4K發(fā)展的一個(gè)極大推動(dòng)。從產(chǎn)業(yè)鏈的角度，中央電視臺(tái)在CCBN上也宣布了其4K超高清的建設(shè)規(guī)劃，步子邁的也相當(dāng)大，甚至超越了廠家對(duì)4K超高清發(fā)展進(jìn)程的預(yù)測(cè)。因?yàn)樵谥醒腚娨暸_(tái)4K超高清的規(guī)劃中，要建設(shè)一個(gè)4K綜合頻道，新聞節(jié)目類型已經(jīng)納入總編室整體的規(guī)劃中。 4K綜合頻道一定是包含新聞節(jié)目?jī)?nèi)容，所以從這點(diǎn)來說，中央電視臺(tái)走在了世界的前列，因?yàn)橹两襁€沒有一家開播的4K電視臺(tái)里有專門的4K新聞節(jié)目，最多也只是有一些新聞?lì)愋偷膶ｎ}片，中央電視臺(tái)4K超高清的規(guī)劃對(duì)廠家是一個(gè)非常大的推動(dòng)。

圖1 日本4K/8K廣播的路線圖

最近，中央電視臺(tái)邀請(qǐng)大家共同探討有關(guān)新聞流程的4K化，因?yàn)橹醒腚娨暸_(tái)時(shí)政新聞?dòng)兄醒腩I(lǐng)導(dǎo)人出鏡的內(nèi)容，所以要從政治方面來考量，我們看到現(xiàn)在中央電視臺(tái)新聞聯(lián)播里的畫面寬高比依然是4∶3，所以不是完全由高清技術(shù)因素要求所定的。4K的新聞流程完全有別于數(shù)字電影、綜藝、體育和專題片等類型的節(jié)目，因?yàn)樾侣劜稍L有一些特殊的要求?？紤]到電視臺(tái)新聞采訪的特殊需要，結(jié)合4K高畫質(zhì)的需求，以及電視臺(tái)向新媒體、網(wǎng)絡(luò)化、云化發(fā)展的方向，松下也提出了一個(gè)提案。以下介紹松下對(duì)電視臺(tái)新聞節(jié)目4K制作工藝流程的一些考量。

電視臺(tái)ENG向超高清推進(jìn)，要面向新聞報(bào)道 “高畫質(zhì)”及“網(wǎng)絡(luò)”并重，以適合4K/8K時(shí)代的高畫質(zhì)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

國內(nèi)超高清也正處于不斷發(fā)展的階段。已明晰的近期4K和8K的發(fā)展目標(biāo)，就是在2022年北京冬奧會(huì)期間會(huì)進(jìn)行4K及8K超高清HDR的電視轉(zhuǎn)播。

雖然日本和韓國的 4K 起步比較早，并已開展了不少工作，但是我國4K超高清的發(fā)展也很快速。2017年，廣東省為了拉動(dòng)電子消費(fèi)產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)開展4K超高清工作的試點(diǎn)，廣東電視臺(tái)2017年已開播4K超高清電視頻道，這是對(duì)我國4K發(fā)展的一個(gè)極大推動(dòng)。從產(chǎn)業(yè)鏈的角度，中央電視臺(tái)在CCBN上也宣布了其4K超高清的建設(shè)規(guī)劃，步子邁的也相當(dāng)大，甚至超越了廠家對(duì)4K超高清發(fā)展進(jìn)程的預(yù)測(cè)。因?yàn)樵谥醒腚娨暸_(tái)4K超高清的規(guī)劃中，要建設(shè)一個(gè)4K綜合頻道，新聞節(jié)目類型已經(jīng)納入總編室整體的規(guī)劃中。 4K綜合頻道一定是包含新聞節(jié)目?jī)?nèi)容，所以從這點(diǎn)來說，中央電視臺(tái)走在了世界的前列，因?yàn)橹两襁€沒有一家開播的4K電視臺(tái)里有專門的4K新聞節(jié)目，最多也只是有一些新聞?lì)愋偷膶ｎ}片，中央電視臺(tái)4K超高清的規(guī)劃對(duì)廠家是一個(gè)非常大的推動(dòng)。

最近，中央電視臺(tái)邀請(qǐng)大家共同探討有關(guān)新聞流程的4K化，因?yàn)橹醒腚娨暸_(tái)時(shí)政新聞?dòng)兄醒腩I(lǐng)導(dǎo)人出鏡的內(nèi)容，所以要從政治方面來考量，我們看到現(xiàn)在中央電視臺(tái)新聞聯(lián)播里的畫面寬高比依然是4∶3，所以不是完全由高清技術(shù)因素要求所定的。4K的新聞流程完全有別于數(shù)字電影、綜藝、體育和專題片等類型的節(jié)目，因?yàn)樾侣劜稍L有一些特殊的要求?？紤]到電視臺(tái)新聞采訪的特殊需要，結(jié)合4K高畫質(zhì)的需求，以及電視臺(tái)向新媒體、網(wǎng)絡(luò)化、云化發(fā)展的方向，松下也提出了一個(gè)提案。以下介紹松下對(duì)電視臺(tái)新聞節(jié)目4K制作工藝流程的一些考量。電視臺(tái)ENG向超高清推進(jìn)，要面向新聞報(bào)道 “高畫質(zhì)”及“網(wǎng)絡(luò)”并重，以適合4K/8K時(shí)代的高畫質(zhì)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

圖2 電視臺(tái)新聞向高畫質(zhì)及網(wǎng)絡(luò)并重推進(jìn)

我們最近向中央電視臺(tái)提供的新聞部門 4K 應(yīng)用方案，在流程里充分考慮了電視臺(tái)業(yè)務(wù)的一些需要，這對(duì)其他電視臺(tái)4K業(yè)務(wù)的發(fā)展也有很好的借鑒作用。

4K 工作流程所追求的要素。一是時(shí)效性和信息收集力。新聞采訪最重要的是要有很高的時(shí)效性，很強(qiáng)的信息采集能力，這就要求攝像機(jī)應(yīng)具有良好的機(jī)動(dòng)性并便于操作，同時(shí)要求攝像機(jī)所記錄和傳輸?shù)拇a流應(yīng)盡量低，能夠適配我們臺(tái)內(nèi)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能夠適配現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化和云化的處理。

二是高畫質(zhì)。4K 節(jié)目拍攝需要更高的畫面質(zhì)量，但新聞采訪拍攝，沒有專門的布光條件，所以要求4K攝像機(jī)的靈敏度要高，要有大的寬容度，能適應(yīng)各種不同的應(yīng)用的場(chǎng)合；在保證高畫質(zhì)的基礎(chǔ)上采用高效率的圖像壓縮格式。

三是媒資的考量。在媒資的存儲(chǔ)和云存儲(chǔ)方面，采用低碼率和高效率圖像壓縮，在保持高畫質(zhì)的同時(shí)，盡力壓縮數(shù)據(jù)容量；考慮媒資內(nèi)容長(zhǎng)期保存的特性，在選擇媒資格式時(shí)，應(yīng)選擇目前的主流格式，以保障今后技術(shù)的兼容和發(fā)展。

圖3 4K工作流程所追求的要素

2. 4K壓縮編碼技術(shù)

以上提到的 4K 工作流程的三個(gè)要素都涉及到編碼。其實(shí)數(shù)字化之前在進(jìn)行模擬信號(hào)處理時(shí)，也要考慮降低信號(hào)帶寬來降低信息量以達(dá)到更高的效率，例如RGB域向YPrPb域的轉(zhuǎn)換。數(shù)字化后，圖像壓縮編碼技術(shù)不斷演進(jìn)和發(fā)展，松下公司的圖像壓縮編碼格式也歷經(jīng)了技術(shù)的不斷演進(jìn)和發(fā)展。

松下在數(shù)字化早期，推出了 DVCPRO 圖像壓縮編碼系列，包括25M、50M和100M的碼率。不同碼率對(duì)應(yīng)的圖像質(zhì)量有所差異，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)主觀評(píng)價(jià)和科學(xué)的研究，規(guī)定了適合高標(biāo)清圖像質(zhì)量所需的碼率，270Mbps標(biāo)清大約應(yīng)采用5∶1的壓縮，所以無論是DVCPRO還是其他廠家的50M的圖像壓縮格式，都符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的規(guī)定，在數(shù)字化進(jìn)程中起到了非常重要的作用。到了高清以后，開始還是采用這種DV壓縮格式，但碼率成倍增加，因?yàn)楦咔迮c標(biāo)清相比，水平和垂直分辨率都大約增加了一倍，所以高清的圖像壓縮碼率從標(biāo)清的50M提高到200M，隨著新媒體和高清化的到來，在此背景下，松下開發(fā)了新的高效壓縮編碼格式AVC/H.264，由于壓縮效率較之以前的DV格式提高一倍，在保證高清圖像質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，碼率也從 200M降低至到100M。松下的 AVC100 M壓縮格式是一個(gè)中心點(diǎn)，如果采用4∶4∶4的記錄，則要采用更高的200 M碼率。

圖4 松下公司圖像壓縮格式的進(jìn)化

在 2012 年以后，為了適應(yīng)電視臺(tái)融合媒體網(wǎng)絡(luò)化和無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，松下推出AVC LongG壓縮編碼格式,把高清的100M碼率分別降為50M、25M、12M，以適應(yīng)臺(tái)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，同時(shí)，12 M碼率也能適配無線傳輸環(huán)境。與高清相比，4K的水平和垂直分辨率都增加了一倍，也就是說4K/50P超高清的信息量是1080/50i高清的8倍。雖然松下現(xiàn)有的壓縮編碼格式AVC可以承載600M到800M的碼率，但是對(duì)于4K新聞采訪這樣一個(gè)高碼率,顯然是完全承受不了的負(fù)擔(dān)。

松下公司圖像壓縮格式的進(jìn)化見圖 4。

為了滿足 4K 超高清新聞采訪報(bào)道的實(shí)際需求，松下新開發(fā)的處理器采用了更優(yōu)的H.265壓縮編碼。我們知道，降低4K碼率需從兩個(gè)方面來考慮，一是用更優(yōu)的H.265壓縮編碼格式，二是采用幀間壓縮的方式。松下采用H.265編碼和LongG幀間壓縮方式，從兩個(gè)方面來降低4K的碼率，實(shí)現(xiàn)了將現(xiàn)有100M碼流的應(yīng)用環(huán)境平移到4K的制作環(huán)境中。

采用 H.265 高效視頻壓縮格式，在維持高畫質(zhì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)低比特率數(shù)據(jù)量，便于利用現(xiàn)有環(huán)境，實(shí)現(xiàn)更快的工作流程；同時(shí)，H.265編碼符合壓縮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，可以保障今后技術(shù)的兼容和發(fā)展。

下一代的壓縮技術(shù)及利用用途。從超高清技術(shù)發(fā)展來看，4K到8K必須采用新的壓縮算法，下一代高效率壓縮編碼“HEVC/H.265”可以滿足4K到8K超高清技術(shù)發(fā)展的要求。目前，H.265已經(jīng)應(yīng)用于很多網(wǎng)站和一些傳輸分發(fā)環(huán)節(jié)；一些名牌攝像機(jī)、照相機(jī)也應(yīng)用了H.265編碼技術(shù)，H.265已是一個(gè)非常成熟的技術(shù)。

圖5 松下4K壓縮編碼提案

圖6 下一代高效率壓縮編碼“HEVC/H.265”

H.265 與 H.264 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 相 比， 塊 劃 分 結(jié)構(gòu)在 H.264 4×4、8×8、16×16的基礎(chǔ)上增加了32×32、64×64，更細(xì)的塊劃分結(jié)構(gòu)更有利于細(xì)節(jié)的處理；幀內(nèi)預(yù)測(cè)由H.264的8種預(yù)測(cè)方向擴(kuò)展到33種預(yù)測(cè)方向；H.264的幀間預(yù)測(cè)單元有6種分割模式，H.265的幀間預(yù)測(cè)單元增加到8種分割模式；與H.264比較，H.265的文件大小減少了一半，壓縮效率是H.264的兩倍。

HEVC/H.265 編碼具有約 2 倍于 H.264 編碼的效率，此外，采用壓縮效率更好的4K HEVC LongG幀間壓縮方式，與Intra相比，效率提升了4倍。所以雖然超高清比高清的信息量增加了8倍，但是我們通過H.264→H.265將效率提升2倍，Intra→LongG將效率提升4倍，兩種方式帶來的疊加8倍編碼效率的提升，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)使用100M碼流就可以進(jìn)行4K超高清節(jié)目的制作。

圖7 HEVC/H.265 與 MPEG-4 AVC/ H.264 性能比較

松下新的攝像機(jī)開發(fā)。為了同時(shí)保證4K 高分辨率與高動(dòng)態(tài)范圍HDR，大感光像素尺寸非常重要。4K比高清的像素?cái)?shù)增加了四倍，所以如果4K攝像機(jī)感光器件尺寸還與高清攝像機(jī)相同，會(huì)使感光像素的面積變小，難以確保攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。

松下新的攝像機(jī)開發(fā)。為了同時(shí)保證4K 高分辨率與高動(dòng)態(tài)范圍HDR，大感光像素尺寸非常重要。4K比高清的像素?cái)?shù)增加了四倍，所以如果4K攝像機(jī)感光器件尺寸還與高清攝像機(jī)相同，會(huì)使感光像素的面積變小，難以確保攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。

松下開發(fā)了大尺寸的 4K 攝像機(jī)感光器件。松下肩扛高清攝象機(jī)采用的是2/3英寸感光器件，我們最近開發(fā)的肩扛4K攝像機(jī)采用的是4/3英寸的感光器件，為對(duì)應(yīng)B4鏡頭，采用光學(xué)放大實(shí)現(xiàn)大像素尺寸，更大尺寸的感光器件，可以積累更多的電荷，這樣能夠達(dá)到更大的動(dòng)態(tài)范圍。

松下手持 4K 攝像機(jī)也大大增加了感光器件的尺寸，從之前的1/3英寸變?yōu)椴捎眯碌?英寸鏡頭實(shí)現(xiàn)大像素尺寸,更好地改善了它的性能。

松下的感光元件路線圖是以單板的大型感光器件為中心進(jìn)行開發(fā)，將會(huì)以全新技術(shù)的OLED感光器件進(jìn)行8K攝像機(jī)的產(chǎn)品線研發(fā)。

圖8 松下 AVC Intra（幀內(nèi)壓縮）與 AVC LongG(幀間壓縮 )編碼性能比較

圖9 攝像機(jī)感光器件尺寸對(duì)4K高精細(xì)畫面的影響

表1 肩扛HD攝像機(jī)與4K攝像機(jī)感光器件尺寸比較

表2 手持HD攝像機(jī)與4K攝像機(jī)感光器件尺寸比較

圖10 松下感光元件路線圖

松下在存儲(chǔ)介質(zhì)方面的新進(jìn)展。松下在 P2 卡的原有規(guī)格基礎(chǔ)上，又開發(fā)了高速P2卡（ExpressP2卡），ExpressP2卡容量更大，可以達(dá)到512G，數(shù)據(jù)傳輸速率更快，Express P2卡數(shù)據(jù)讀出速率可以達(dá)到10Gbps，上載10小時(shí)AVC LongG25 節(jié)目只需2分鐘；使用 512 GB 卡記錄 AVC-LongG25, 可記錄 34 小時(shí)。ExpressP2卡專門用于4K超高清內(nèi)容的記錄，同時(shí)也兼容HD格式。松下還根據(jù)不同用途所需要的可靠性，準(zhǔn)備了兩種存儲(chǔ)介質(zhì)micro P2卡和SD card（對(duì)現(xiàn)有介質(zhì)也會(huì)繼續(xù)支持）。

圖11 松下面對(duì)超高清的記錄介質(zhì)

經(jīng)過多年實(shí)踐，業(yè)已證明松下的 P2 卡、micro P2以及ExpressP2卡的高安全性和高可靠性。由于P2卡可以記錄100M的碼率，所以無論是高清還是4K，只要采用100M的碼率，P2卡和ExpressP2卡可以互相通用，用戶可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行靈活的選擇。

經(jīng)過多年實(shí)踐，業(yè)已證明松下的 P2 卡、micro P2以及ExpressP2卡的高安全性和高可靠性。由于P2卡可以記錄100M的碼率，所以無論是高清還是4K，只要采用100M的碼率，P2卡和ExpressP2卡可以互相通用，用戶可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行靈活的選擇。

松下 4K 超高清工作流程的效率見表 3。

松下建議的 4K 超高清碼率有兩種：50Mbps和100Mbps。4K超高清究竟選擇100Mbps碼率還是50Mbps碼率，這與我們?cè)诟咔鍟r(shí)選擇不同的碼率一樣，即根據(jù)業(yè)務(wù)的種類和實(shí)際的需要來進(jìn)行不同碼率的選擇。如果選擇100M碼率， 松下512G的ExpressP2卡數(shù)據(jù)率可以達(dá)到10Gbps，數(shù)據(jù)讀出可以達(dá)到73倍速，如果選擇50M碼率，數(shù)據(jù)讀出可以達(dá)到146倍速，這對(duì)于高效率的4K超高清工作流程的建設(shè)是非常有利的。

3. 總結(jié)

以上介紹了電視臺(tái)新聞 ENG 采集向 4K 推進(jìn)的過程中，如何構(gòu)建系統(tǒng)，如何選擇碼率，希望能夠?qū)﹄娨暸_(tái)向4K方向的發(fā)展起到幫助。

圖12 不同存儲(chǔ)介質(zhì)數(shù)據(jù)讀出速率比較

表3 松下4K超高清工作流程效率

對(duì)以上內(nèi)容做一個(gè)總結(jié)。一是松下 4K 采用與HD工作效率相當(dāng)?shù)母咝嚎s編碼HEVC/H.265及采用幀間壓縮方式，實(shí)現(xiàn)了與HD相當(dāng)?shù)?00Mbps記錄比特率；HEVC/H.265及QoS實(shí)現(xiàn)了外場(chǎng)嚴(yán)峻通信環(huán)境下高畫質(zhì)圖像的傳送。

二是開發(fā)了符合 8K 更高畫質(zhì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的大感光器件，可保證最佳動(dòng)態(tài)范圍及可操作性。

三是存儲(chǔ)介質(zhì)方面新的發(fā)展，開發(fā)了高速 P2 卡（ExpressP2卡）以及高安全性與高效率并重的記錄媒體－P2卡與MicroP2卡的靈活提案。

松下的ENG推進(jìn)目標(biāo)是面向新聞報(bào)道 “高畫質(zhì)”及“網(wǎng)絡(luò)”并重，以適合4K/8K時(shí)代的高畫質(zhì)技術(shù)（感光器件/壓縮編碼）及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。