【摘要】 隨著近年來國際各大廣播影視展會對超高清技術的關注以及相關新技術的頻頻曝光，超高清已經成為了影視行業最為火熱的話題。超高清攝像機發展迅速，具有動態范圍廣、色域大、噪聲低、景深淺等特點。
本文概述了超高清技術及攝像機的發展歷程，介紹了超高清標準的特點，和高清的主要區別，介紹了超高清攝像機的傳感器、信號處理與分流、信號傳輸、音頻工作結構和工作原理，做了較為詳細和深入的分析。
【關鍵詞】 超高清技術 高清攝像機 超高清攝像機
一．緒論
隨著近年來國際各大廣播影視展會對超高清技術的關注以及相關新技術的頻頻曝光，超高清已經成為了影視行業最為火熱的話題，許多的終端廠商也打出了“極清”的概念來招攬顧客。超高清技術，已經成為廣電行業非常熱門的話題，相較于3D的熱火朝天，超高清正在積攢能量給市場帶來一次強有力的沖擊。4K超高清（UHD）毫無疑問已經成為了影視技術繼高清之后的下一個非常明確的發展趨勢，相對于3D的另辟蹊徑，超高清技術可以說是從數字化標清，高清一直延續下來的技術走向，發展的腳步更加穩健。
二．超高清技術
4K（超高清）的概念最初是源于35mm膠片電影，以4K分辨率進行數字掃描被認為是全分辨率掃描，而以2K分辨率數字掃描被認為是半分辨率掃描。現在，4K的概念已經被延展到了表現視覺分辨率或感知清晰度。并且代表了相對于2K分辨率的全新一代顯示技術與標準。
目前，在超高清電視技術標準方面,國際標準化組織SMPTE在2007年發布了 SMPTE 2036標準,規范了4K、8K兩種超高清電視格式；國際電聯在2012年發布了ITU-R BT.2020標準,進一步規范了4K、8K超高清電視格式及參數,并將最大幀率擴展到每秒120幀。4K超越2K 的視覺體驗不僅僅只是分辨率的提升，雖然分辨率的變化是 4K 帶給人最為直觀的感受，但同時，4K影像還包含其它重要要素，可視角度、采樣方式、幀頻、色域和量化深度，以及豐富的立體聲效果。
（一）可視角度與觀看距離
根據人的視覺特性，可視角度與觀看距離對享受最佳臨場感和真實感非常關鍵，如果近距離觀看現有2K分辨率的像素，其圖像“顆粒現象”依然嚴重。同時，高清分辨率的圖像再通過視頻壓縮，更不能滿足人對現場感、真實感的視覺要求，而4K相對于2K的可視角度則有了極大的提升。
在同等像素密度下，4K超高清電視的可視面積是高清電視的4倍，如圖1:
圖1 標清、高清和超高清電視分辨對比
4K超高清的最佳觀看距離為1.5倍屏幕高度，8K超高清的最佳觀看距離為0.78倍屏幕高度，而高清電視的最佳觀看距離為3倍屏幕高度。這意味著在相同的最佳觀看距離下看電視，4K超高清電視的屏幕可以比高清電視大很多，同時4K超高清電視的最佳水平觀看角開度為58°，8K超高清電視的最佳水平觀看角開度為96o[1]，大于高清的32°。
（二）采樣方式與幀頻
在采樣方式上，無論是電影還是電視，4K超高清采樣方式都是逐行掃描。在幀頻方面，超高清電視建議幀頻除60Hz以外，還增加了120Hz，這和電影48格一樣都是對視覺體驗一個革命性的提升，因為這可以徹底消除閃爍和模糊效應，從而讓視頻觀看效果更為舒適和流暢，尤其對于運動影像而言意義更為重大。
（三）色域與量化深度
在色彩方面，ITU-R BT.2020超高清廣播標準中，相對于高清Rec.709色域范圍有了更大的延伸。此外，ITU-R BT.2020中還增加了最高量化深度為12比特這個標準，其可表示約為687.2億種顏色，是高清10比特量化深度提供色彩的64倍。圖2是BT.2020色域（圖中大三角）與Rec.709色域（圖中小三角）的對比，從圖中可以看出大三角比小三角面積要大許多，表明4K比高清可帶來更為豐富的色彩表現[1][2]。
圖2 UHDTV與HDTV色域對比
（四）超高的碼率
當然，我們也要看到，4K圖像帶來豐富信息量的同時，也帶來的極高的碼率，這將給數據存儲與信號傳輸帶來極大的挑戰。以逐行采樣、120Hz幀頻、12比特量化深 度、4:4:4采樣結構為例，4K超高清電視系統的無壓縮碼率為 35.8Gb/s，8K的無壓縮碼率為143.3Gb/s，而1920×1080/50i(4:2:2)高清電視系統的無壓縮碼率是1.485Gb/s。可見，4K超高清電視系統的無壓縮碼率是高清電視的24倍，8K超高清電視系統的無壓縮碼率是高清電視的96.5倍。
（五）立體聲音頻處理
除了畫面效果之外，在音頻系統上，相對于高清電視所建議的5.1立體聲和電影院線7.1聲道環繞聲系統相比，超高清電視標準則將超高清8K的最高音頻系統擴展到了22.2聲道，其中頂層安排了9個聲道，中間層安排了10個聲道，底層在電視屏幕下方布置了3個聲道。上、中、下3個環繞聲場，構成了完整的空間立體聲。這樣組成的3層環聲場的下層兩側再增加了2個低音聲道，構成完整的22.2環繞聲系統，其特點是將聲場完全三維化，聲音更加真實、更具現場感，更能帶給人更加強烈的感官享受[3]。如圖3：
圖3 22.2聲道的空間布置
三．超高清攝像機工作原理
（一）圖像傳感器
現在超高清攝像機和高清攝像機在傳感器上的不同，主要體現在圖像傳感器的尺寸大小。目前的主流超高清攝像機采用1.25英寸的CMOS圖像傳感器，帶來的超16mm的圖像范圍要比現在現有高清攝像機2/3英寸的CCD和1/3英寸的CCD大很多。如圖4。并且具有的高靈敏度、低功耗的優點，能夠提供3300萬像素和超高清8K級別的拍攝畫質，并且支持60fps和120fps的高幀率，輸出格式包括ProRes格式、無壓縮視頻格式、RWA數據格式以及HD-SDI、3G-SDI格式[3]。
圖4 超高清與高清攝像機傳感器面積比較
（二）信號的分流
目前，攝像機產生的超高清信號仍舊沒有專門的接口對它進行傳輸，如果想不出辦法，信號無法傳出，甚至連攝像機怎么設計都無從談起，所以為了解決這個問題，必須把超高清信號分流，用已經成熟的接口和技術做進一步傳輸和處理。因為高清技術已經成熟，HD-SDI接口已經推出，因此利用高清的HD-SDI是非常自然和方便的事情。
超高清信號的像素結構如圖5：
圖5 超高清信號像素結構
經過視頻方式變換，每一個G產生一個亮度信號。由上圖（5）可知，每四個像素包含兩個G，那么就可以產生兩個亮度信號，Y1和Y2。Y1和Y2既可以把他們看作是水平排列也可以看作是垂直排列。如圖6:
圖6 YI和Y2的排列方式
圖7很詳細的畫出超高清信號如何變成16路HDTV的。為了更加清楚，在這里可以用四片傳感器雙綠變換產生的超高清信號分流來表示。因為兩種方式產生的超高清信號的分流方案基本一樣。
四片中每片像素數為4320×2160，12bit/60p，即圖中的（b）。它的實際效果（四片傳感器雙綠取樣結構）如圖中（a），通過圖中（b）第二片（G1），第一片（R）和第四片（B）結合(實際僅用了RB像素的一半)，形成圖中(C)上部分：G1，R，B，4；2：2系統，上下兩部分為：3840×2160 4：2：2 10bit/60p，在這里的p代表逐行掃描。由于HDTV HD-SDI 采用4：2：2隔行掃描，所以上下各變成8個HDTV信號，這樣，四片SHV格式的信號變成16個HDTV信號，可用16個HD-SDI接口進行傳輸。
圖7 超高清分流示意圖
（三）信號傳輸
作為一個超高清系統，首先要面對無壓縮的原始信號的顯示實驗，以檢驗系統基本參數的可行性，另一方面對專家和觀眾進行無壓縮信號顯示，可讓研究、制定標準的專家作為參考，可讓世界觀眾欣賞和認可。由于超高清碼率很高，即使分流成HDTV也很高，用多芯電纜長距離傳輸是不可能的，因此用光纖進行超高清信號的傳輸是理所當然的事。為此SMPTE 2009年制定了SMPTE 435-2009：10Gb/s Series Signal/Data Interface—Part 3，簡稱10G-SDI光纖接口，用于更高碼流的傳輸。它可直接傳輸4K(3860×2160)的信號，也為更高碼流的傳輸帶來方便。如對于上述四片超高清信號來說，信號碼流為24Gb/s，只要2或3根10G-SDI 就可以了。而對于超高清最高碼流 72Gb/s來說，需要8根10G-SDI。
圖8是光纖接口的示意圖，由64個HD-SDI組成，這里用32個DULL LINK接口來完成，然后分成八組（8個DSP），每組八個HD-SDI.每組又變換成10G-SDI電信號。這八組電信號通過DWDM完成電到光的變換。這樣一個超高清高碼率的信號就可以通過這樣的光纖接口進行傳輸。
圖8 光纖接口示意圖
（四）麥克風
超高清電視技術的特性之一就是擁有非常好的聲音體驗。所以在音頻系統上，相對于高清電視所建議的5.1立體聲和電影院線7.1聲道環繞聲系統相比，超高清電視標準則將最高音頻系統擴展到了22.2聲道，其中頂層安排了9個聲道，中間層安排了10個聲道，底層在電視屏幕下方布置了3個聲道。上、中、下3個環繞聲場，構成了完整的空間立體聲。這樣組成的3層環聲場的下層兩側再增加了2個低音聲道，構成完整的22.2環繞聲系統，其特點是將聲場完全三維化，聲音更真實、更具現場感，能帶給人更強烈的感官享受。這就要求了在片源就要有如此好的音頻攝入。
超高清攝錄設備主要由22.2聲道球形單點麥克風以及實時控制臺兩部分組成。為了配合超高清圖像為觀眾帶來臨場感，聲音攝錄系統需要收錄拍攝現場各個方向和層面的聲音。22.2聲道球形單點麥克風實際是一個集成化的立體麥克風陣列，直徑45厘米左右的球形空間被劃分為上中下三層，每層被聲音隔板分割成八個獨立的空間，每個空間都內置一個緊湊型麥克風，如圖9：
圖9 超高清攝像機的麥克風配置
（五）各種記錄格式
針對4K素材的記錄和播放環節，除了攝像機機身可以外掛4K存儲卡記錄單元外，SR-R1000多通道錄像機可用于4K高碼率素材錄制。
攝影機能夠直接生成Quick-Time/ProRes離線代理，包含高清格式及RAW格式同樣的圖像信息、音頻、時碼以及元數據，免除用于采集和建立離線拷貝所消耗的時間，同時也可以確保離線與在線素材完全一致，可以提高工作效率，把電影的攝像機應用于很多場景。
ProRes格式：記錄在存儲卡上直接編剪制作流程，適用于電視劇、商業廣告、音樂短片（MV）和紀錄片制作高清（無壓縮）視頻格式，記錄在SR磁帶上的磁帶式制作流程，適用于電視劇，商業廣告、音樂短片（MV）和紀錄片制作。高清的無壓縮視頻格式，記錄在機身外置硬盤上的檔案式制作流程方式，適用于高質量電視劇和電影制作。
超高清電影攝像機還可以記錄RAW數據格式，這種數據格式完全沒有壓縮，還包含很多信息，包括鏡頭等數據信息。這些信息記錄在外置的硬盤上，主要適用于電影制作。
（六）監視器
在4K監視器選型方面，尺寸、接口配制，伽瑪和色域的技術參數較為重要，而為了更好顯示4K細節，使用50-60寸大尺寸監視器或4K電視進行監看效果較為理想。而伽瑪、色域則對是否可以正確還原4K顏色起到了直接的作用。
需要注意的是，在電視空間拍攝、制作的圖像必須在電視監視/顯示設備上才能呈現正常的對比度和彩色，而在電影空間拍攝、制作的圖像只有在電影的監視/顯示設備上才能呈現正常的對比度和彩色。這種差別是因為電視伽瑪和電影伽瑪的不同造成的。所以，電視伽馬拍攝的圖像電影伽馬監視器上看起來很硬，缺少中間灰度，電影伽馬拍攝的圖像在電視伽馬監視器上顯示很灰，彩色很淡，對比度不足。
但是實際上，除了極少數專業監視器支持電影的伽馬外，面前市場上幾乎所有監視器、顯示器都采用電視伽馬。因此，基于電影拍攝的超高清攝影機大多數情況下仍然需要使用電視空間的監視器，這時候就需要把電影空間的圖像用LUT（Look Up Table）轉換成電視空間才能顯示正常對比度和彩色。目前索尼、松下、TVLogic、杜比、尊正等都推出了各自的4K監視器產品，而且在尺寸、價格和色域范圍方面還有進一步提升的空間。
因此我們可以看出，超高清攝像機與高清攝像機相比，設備上基本上都有了一個全面的升級，這都是為了盡可能展現出4K的影像魅力，而且這些絕不僅僅是分辨率的變化，畫面的整體品質都會大幅提升，而更重要的一點，如同當年高清起步階段，高清素材可以下變換獲得高質量的標清素材。所以超高清素材同樣可以為現有高清節目制作提供大量高標準母板，通過下變換高清進行播出，同時積累超高分辨率的素材，為將來的4K節目推出做準備。所以，超高清數字攝像機可以用于不同的制作流程，這對于現有的電視高清技術其實也是一種提升。
四．結論
超高清攝像機目前的研究熱點主要有以下幾方面：高幀速率、高分辨率、CMOS數字圖像傳感器、鏡頭。研究人員致力于提高超高清攝像機的綜合性能，如果可以進一步完善系統設備和拍攝器材配置 ；后期系統對4K壓縮編碼的支持，提高效率，降低存儲資源占用；顏色管理更加完善，細化便捷；豐富鏡頭品種；壓縮傳輸技術提升；4K 播放器和交換格式。那么超高清攝像機的應用前景一定會更加廣闊。
雖然很多人認為，3D電視的時代經歷了短暫三四年的輝煌，似乎就要過去。4K會不會也成為短命的市場噱頭，或者只是一種過渡，不值得盲目跟風。誠然，技術一定會飛速前進，3D在等待一個新的契機，也許4K對于3D同樣能帶來新的品質和突破。雖然現在我們不能預知未來，4K能不能有明天，最終是依賴于市場的認可，但能否被認可，有賴于精品節目的出現是否為觀眾所愉悅和認同。我們已經知道，4K具備帶給我們超越和引領未來的潛力，那么就讓我們利用好這項技術，做出賞心悅目的作品，與觀眾一同見證未來的到來。
參考文獻
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