胡澄宇

（湖北廣播電視臺(tái)，湖北 武漢 430000）

1.行業(yè)現(xiàn)狀

進(jìn)入新時(shí)代，娛樂(lè)爆發(fā)、信息膨脹、經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)，人們對(duì)影視娛樂(lè)的追求表現(xiàn)出層級(jí)分明的特點(diǎn)。既有追求輕松便攜移動(dòng)享受的手機(jī)族、平板族大量增加，還有大量追求大屏電視、高端投影等更高層次影音體驗(yàn)的人群。隨著人民生活水平提高，精神文化追求的提升，越來(lái)越多的人愿意為高層次的體驗(yàn)買單。[1]

工業(yè)和信息化部、國(guó)家廣播電視總局共同組織制定4K的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，伴隨而來(lái)的就是電視設(shè)備發(fā)展飛速進(jìn)入4K時(shí)代，縱觀整個(gè)消費(fèi)市場(chǎng)，電視接收機(jī)行業(yè)已經(jīng)全面進(jìn)入4K超高清階段。但4K超高清內(nèi)容生產(chǎn)并未跟上，而且難以在短期內(nèi)突破。

2.廣電面臨的問(wèn)題

廣播電視正處在高清向4K超高清發(fā)展的過(guò)渡階段，很多廣播電視臺(tái)剛完成全臺(tái)技術(shù)系統(tǒng)的全高清化建設(shè)。如果廣電行業(yè)馬上全面開(kāi)展4K超高清技術(shù)體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)難度大，易造成過(guò)度投資，而且并不能迅速形成內(nèi)容生產(chǎn)能力。這主要是相較高清而言，一方面是4K技術(shù)系統(tǒng)的投資巨大，建設(shè)難度成倍增加；另一方面，4K節(jié)目的生產(chǎn)工藝更加復(fù)雜。

廣電行業(yè)面臨終端顯示技術(shù)突飛猛進(jìn)，需要在保護(hù)投資的前提下，確定向4K超高清過(guò)渡的技術(shù)路線，明確技術(shù)體系向4K發(fā)展中優(yōu)先解決的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，然后再逐步實(shí)現(xiàn)“采、編、播、管、存、發(fā)”技術(shù)體系的4K全面過(guò)渡。廣電行業(yè)作為最大的內(nèi)容生產(chǎn)商，在面臨海量高畫質(zhì)內(nèi)容需求且4K系統(tǒng)短期內(nèi)無(wú)法跟上的同時(shí)，必須考慮首先解決如何提升畫面品質(zhì)的問(wèn)題。[2]

因此，廣電行業(yè)需要首先從制播技術(shù)環(huán)節(jié)入手，大幅提升畫面品質(zhì)，滿足高畫質(zhì)內(nèi)容收視的實(shí)際需求，最終實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡。

3.4K標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的分析

工業(yè)和信息化部、國(guó)家廣播電視總局共同組織制定的《超高清視頻標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2020版）》中制作和參數(shù)規(guī)范部分，明確表明高動(dòng)態(tài)范圍（HDR，High-Dynamic Range）電視制作和交換圖像參數(shù)值依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ITU-RBT.2100-1（后簡(jiǎn)稱BT.2100）；根據(jù)BT.2100的規(guī)范，分辨率（容器像素?cái)?shù)）包含：7680×4320、3840×2160、1920×1080。

按照標(biāo)準(zhǔn)，HDR節(jié)目制作是支持以上三種分辨率的。而且在BT.2100中明確定義了，4K分辨率和HDR不是綁定關(guān)系。因此除了提升分辨率，還可以從HDR入手，也是改善畫質(zhì)的有效方法。[3]

4.使用HDR技術(shù)提升收視體驗(yàn)

4.1 超高分辨率的有限影響

4.1.1 人眼的分辨率是有限的

電視技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了黑白到彩色、標(biāo)清到高清的發(fā)展歷程。黑白到彩色，將畫面從單調(diào)呆板變得生動(dòng)活潑。標(biāo)清到高清，讓畫幅從4：3變?yōu)?6：9，分辨率也提升4倍多，讓畫面中能展示的元素更多更細(xì)致，視野也更貼近人眼的真實(shí)視覺(jué)感受。4K超高清則將分辨率更進(jìn)一步提升4倍，讓畫面細(xì)節(jié)前所未有的細(xì)膩真實(shí)。

雖然視頻技術(shù)一直在進(jìn)步，設(shè)備的分辨率不斷提高，但人眼的視覺(jué)能力是一定的。根據(jù)成熟的研究成果，由于光成像會(huì)受到衍射影響，人眼作為一個(gè)光學(xué)器件，也會(huì)受此影響。[4]因此，實(shí)際成像與人眼所看到的成像會(huì)有差別，不會(huì)形成理想幾何成像，那么顯示設(shè)備的顯示像素在人眼視覺(jué)中就會(huì)變成光斑，類似艾里斑，導(dǎo)致人眼在現(xiàn)實(shí)中較難分辨顯示屏上的像素點(diǎn)間隙。

當(dāng)兩個(gè)像素過(guò)于靠近的時(shí)候，其表現(xiàn)出來(lái)的像素光斑會(huì)重疊，難以分辨是一個(gè)像素還是兩個(gè)像素，在光學(xué)體系中是存在分辨極限的，而這個(gè)分辨能力可以用瑞利判據(jù)進(jìn)行測(cè)算。人眼分辨率同樣必須滿足瑞利判據(jù)：

△Q＝1.22λD

人眼的瞳孔直徑D為2mm～9mm，取中間值D為5mm，可見(jiàn)光中心波長(zhǎng)也就是人眼最敏感的波長(zhǎng)為5500埃，因此人眼的分辨極限角為1（一分）。當(dāng)物體對(duì)人眼的視角小于1（一分）時(shí)，人對(duì)物體的細(xì)節(jié)就不能分辨，看起來(lái)就是一點(diǎn)，這時(shí)物體在視網(wǎng)膜上的像剛好是一個(gè)感光細(xì)胞的大小。

通過(guò)以上分析，人眼的分辨能力是有限且可以量化的。

4.1.2 超高清的分辨率對(duì)普通觀眾的影響有限

視頻圖像分辨率是指在整幅圖像的寬度和高度上構(gòu)成圖像像素點(diǎn)數(shù)的集合。例如，標(biāo)準(zhǔn)的HD（高清）分辨率圖像是指在水平方向上具有1920個(gè)像素點(diǎn)、縱向上有1080個(gè)像素點(diǎn)；目前廣電標(biāo)準(zhǔn)的4K分辨率圖像在水平方向上具有3840個(gè)像素點(diǎn)、縱向上有2160個(gè)像素點(diǎn)。

目前廣泛使用的圖像像素均為正方形像素。則只需要針對(duì)單一方向上的像素進(jìn)行測(cè)算，即人眼較為敏感的水平方向。根據(jù)顯示終端設(shè)備的物理屬性進(jìn)行計(jì)算：

屏幕上HD分辨率圖像上兩個(gè)相鄰像素間距：

DHD＝W/1920；

屏幕上4K分辨率圖像上兩個(gè)相鄰像素間距：

D4K＝W/3840；

人眼可以分辨的圖像上兩個(gè)相鄰像素間距：

Dres＝X*W*tan1。

其中X＝D/W，X為觀眾與屏幕距離的關(guān)系（比值），W為屏幕寬度，D為觀眾到屏幕的距離。

若DHD/DRES≥1時(shí)，DHD≥DRES；同樣，若D4K/DRES≥1時(shí)，D4K≥DRES，則可以根據(jù)瑞利判據(jù)斷定此時(shí)人眼能分辨像素間距，此時(shí)可以看出畫面是由點(diǎn)狀像素組成，畫面效果粗糙。

若DHD/DRES＜1時(shí)，DHD＜DRES；同樣，若D4K/DRES＜1時(shí)，D4K＜DRES，則表示人眼已經(jīng)無(wú)法分辨畫面像素間距，此時(shí)屏幕畫面平滑細(xì)膩。

由此可以推算出針對(duì)HD（高清）、4K（超高清圖像）的分辨臨界值：

HD（高清）圖像：

4K（超高清圖像）：

其中X是觀眾距離屏幕的距離與屏幕寬度的比值，因此只需要測(cè)算X即可確定觀眾是否能分辨HD（高清）與4K（超高清）的實(shí)際觀看區(qū)別。

目前市場(chǎng)上電視機(jī)銷售量最大的為55寸和65寸兩種規(guī)格，取較大尺寸電視進(jìn)行測(cè)算。

65寸電視的屏幕寬度W= 80.94cm，一般觀眾在客廳或臥室的觀看電視的距離D為3m-4m，實(shí)際上極少能達(dá)到4m，取均值3.5m，則可以推算出X=D/W=3.5/0.8094=4.32；此時(shí)分辨系數(shù)計(jì)算如下，

高清圖像的分辨系數(shù)：

4K超高清圖像的分辨系數(shù)：

根據(jù)瑞利判據(jù)，在此觀看條件下，HD高清視頻和4K超高清視頻都能達(dá)到平滑細(xì)膩的顯示效果，而且均超出了人眼的實(shí)際辨別能力，都能滿足日常觀賞的需求。

因此在現(xiàn)階段，絕大部分觀眾，是較難區(qū)分4K和高清在分辨率上的差別。

4.2 HDR對(duì)收視體驗(yàn)的積極影響

4.2.1 亮度影響分析

人眼除針對(duì)分辨力指標(biāo)外，還有一套人類視覺(jué)系統(tǒng)（the Human Visual System，HVS）來(lái)描述人眼特性對(duì)光的反應(yīng)，不同色相的色光作用于人眼會(huì)產(chǎn)生不同亮度的感受。而亮度同時(shí)在很大程度上受光強(qiáng)度影響，光強(qiáng)度越強(qiáng)，亮度越高，反之亮度則越弱。[5]人眼對(duì)亮度的反應(yīng)主要依靠視網(wǎng)膜上的兩種感光細(xì)胞（photoreceptor cell）。在正對(duì)瞳孔的中央部位分布著密集的錐狀細(xì)胞（cone cell），在中央部位的四周則主要是桿狀細(xì)胞（rod cell）。

人眼對(duì)亮度適應(yīng)性非常強(qiáng)，真實(shí)世界中的亮度范圍大約在10-6～109cd/m2之間。人眼能夠感知到的最大亮度范圍大約有10-3～106cd/m2，瞬間的視覺(jué)動(dòng)態(tài)范圍對(duì)比度可以達(dá)到1：105。瞳孔的大小可以控制射入視網(wǎng)膜上光線的強(qiáng)度，成年人瞳孔直徑的變化范圍為2～8mm，相當(dāng)于四級(jí)光圈，射入光線的強(qiáng)度相差16倍。兩種視神經(jīng)細(xì)胞所能感受到的亮度范圍如圖所示。

但是人眼對(duì)亮度的反應(yīng)并非是線性的，比如在昏暗的房間內(nèi)，人們看到的燭光是明亮的，而同樣的燭光放在正午的陽(yáng)光下，人們甚至連火苗都看不見(jiàn)，說(shuō)明人眼對(duì)亮度變化的反應(yīng)隨著亮度的增加而減弱。人眼的這種特性近似于對(duì)數(shù)函數(shù)。如下圖所示。

在廣電行業(yè)，為了配合人眼視覺(jué)特性，能讓觀眾正確的看到畫面所傳遞的內(nèi)容，從1993年沿用至今的ITU-R BT.709標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)人眼特點(diǎn)定義了一套OETF（光—電轉(zhuǎn)換總特性），即目前所使用的SDR（標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍）標(biāo)準(zhǔn)。其具體內(nèi)容這里不討論，但值得注意的是這套標(biāo)準(zhǔn)的制定完全受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，將峰值亮度定義到100 cd/m2，對(duì)比度在1000：1到2000：1，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)早已無(wú)法滿足實(shí)際需求。

為了更好地對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行還原，提升觀看感受，HDR技術(shù)在近幾年開(kāi)始大力發(fā)展。雖然HDR標(biāo)準(zhǔn)有多種，但無(wú)論哪種標(biāo)準(zhǔn)，目前都能提供1000 cd/m2以上的峰值亮度，而色彩空間可支持到P3或者Rec.2020。[6]如下圖是BT.709與ST 2084（也就是HDR標(biāo)準(zhǔn)中較為流行的PQ標(biāo)準(zhǔn)）的OEFT/EOTF曲線對(duì)比圖，明顯可見(jiàn)HDR模式下，畫面的亮度信號(hào)描述能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于原有的BT.709。

4.2.2 色域影響分析

對(duì)比傳統(tǒng)的SDR視頻圖像，HDR視頻圖像在色彩上更豐富，目前主流的HDR標(biāo)準(zhǔn)，均支持REC.2020色域，遠(yuǎn)大于原REC.709的色域范圍，更接近人眼視覺(jué)范圍。具體如下圖所示。

HDR視頻具備更好的高光細(xì)節(jié)和暗部細(xì)節(jié)，加強(qiáng)了對(duì)比度上的提升，對(duì)觀眾而言，能帶來(lái)更好的觀看體驗(yàn)。擺脫SDR影像該亮的“上不去”，該暗的一片“死黑”的問(wèn)題。讓電視畫面更接近真實(shí)世界。

在內(nèi)容制播環(huán)節(jié)充分利用HDR技術(shù)，能帶來(lái)立竿見(jiàn)影的收視效果提升，不需要觀眾貼近屏幕就能分辨出畫面效果優(yōu)劣。

結(jié)語(yǔ)

按照廣電行業(yè)目前的狀況，必須制定逐步由高清向4K過(guò)渡的技術(shù)路線。應(yīng)該充分利用HDR技術(shù)挖掘現(xiàn)有的高清制播系統(tǒng)的潛力，迅速形成大規(guī)模的高畫質(zhì)內(nèi)容生產(chǎn)能力，滿足市場(chǎng)對(duì)高畫質(zhì)內(nèi)容的需求，提升廣電行業(yè)的影響力，推動(dòng)廣電行業(yè)向4K全面升級(jí)，助力媒體深度融合。

通過(guò)充分利用HDR技術(shù)，逐步完善高畫質(zhì)內(nèi)容的生產(chǎn)工藝，以較低的投入換取較高的觀看體驗(yàn)升級(jí)。目前在國(guó)際市場(chǎng)上，此模式早已推廣，如NETFLEX、YouTube等以品質(zhì)和技術(shù)著稱的媒體平臺(tái)都支持以1080P HDR模式進(jìn)行觀看，既降低門檻的同時(shí)大大提升觀眾的欣賞體驗(yàn)，還能兼顧移動(dòng)終端設(shè)備收看，2019年后市面上主流的中高端移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)、平板電腦等均已實(shí)現(xiàn)軟硬件支持1080P HDR顯示模式。