从高清到 4K，是目前电视技术发展的大趋势。本文从摄像机技术的变革，到演播室系统变革，再到音视频后期工艺变革等多角度分析了 4K 技术发展所带来的电视技术系统各环节的革新发展，充分说明了从高清到 4K，将是一场伟大的技术变革。
一 、4K 电视与高清电视的比较
1. 性能比较
有部分厂商代表谈到了 4K 电视与高清电视比较所呈现的优势，即更高的分辨率，更高的帧速率，更广的色域，更宽的动态范围，以及更大的量化位深。
分辨率（空间分辨率），即图像在特定空间范围内所包含的像素数量。像素数量越多，图像越清晰。普通的高清电视分辨率为 1920×1080，而 4K 超高清电视的分辨率是 3840×2160，很显然，4K 电视比高清电视有更高的清晰度，能带给观众更逼真的视觉感受。
色域（彩色分辨率），即一个技术系统能够产生的颜色的总和。现行高清电视采用的是 ITU BT.709 色域，它的面积是可见光谱的 33.5%。4K 超高清电视采用的是 ITUBT.2020 色域，它的面积是可见光谱的 63.3%。更广的色域意味着色彩更加丰富，颜色的饱和度更强，可以获得更加真实的色彩还原。
动态范围（宽容度分辨率），指的是画面中最亮部与最暗部亮度的比值。现有高清电视的动态范围是依据 CRT 显像管的性能制定的，我们可以称之为标准动态范围（SDR）。在经过一系列的处理之后，这个范围只有 10 3 :1，也就是1000:1，远不及人眼所能感知的亮度范围，大量的亮度细节损失掉了。而 4K 电视的 HDR（高动态范围）技术，其目标是使动态范围达到人眼在瞳孔不调节情况下观看到的亮度范围，也就是 10 5 :1。直观来说，就是尽可能多地保留画面中高光部分和阴影部分的细节，不至于过曝与全黑，让我们看到画面亮部与暗部的更多细节。
帧速率（时间分辨率），即每秒视频所包含的帧的数量。帧数越高，画面越流畅自然，否则画面不连贯，偶尔会伴有运动模糊、拖尾、抖动等现象。现有的高清电视一般采用的是每秒 25 帧，隔行扫描的方式。而 4K 超高清电视，将以逐行扫描的方式取代隔行扫描，每秒 50 帧，最高可达到 120 帧，运动图像的画质将得以很大的改善。
量化位深（灰度分辨率），即数字技术采用有限灰度阶再现模拟图像的灰度变化。高清电视一般为 8 比特，而 4K电视一般为 10 比特。
色彩空间，是由色域和亮度（伽玛）构成的立方体，用于形象地描述拍摄和显示的彩色、亮度和对比度性能。很明显，4K 电视采用 BT.2020 色域和 HDR 伽马，比高清电视有着更广阔的色彩空间。
2. 主流编码及码率的比较
从分辨率角度讲，4K 的数据量是高清的 4 倍（帧率相同时），如 4K 25p 相当于高清 50i。从帧率角度讲，4K 50p帧率是高清 50i 的 2 倍。综合分辨率、帧率，4K 的数据量是高清的 8 倍或更高。例如：
- 索尼 XAVC 为 500Mb/50p，与松下 AVC Ultra 压缩类似，且有优化；
- 松下高清 AVC Ultra 为 100Mb/50i，4K AVC Ultra 为800Mb/50p；
- 苹果编码高清 ProRes 422 为 120Mb/50i，4K ProRes422 为 960Mb/50p；
- AVID 高清 DNxHR 为 185Mb/50i（10bit），4K DNxHR为 1.5Gb /50p（10bit）。
二、摄像机技术的创新发展
从高清到 4K，是电视技术史的一次有挑战的变革，这次变革，要涉及电视领域采编播各个环节技术上的变革，摄像机技术的创新发展必然是首当其冲的。
1. 技术变革发展
传统的高清摄像机一般采用 2/3 英寸成像器件，采用BT.709 色域，电视伽玛，拍摄的画面所见即所得。
而 4K 摄像机主要分为两种类型：一种采用单片大画幅4K成像器件，采用PL镜头卡口，所拍摄画面呈现浅景深，追求电影艺术风格；另一种采用 3 片 2/3 英寸 4K 成像器件，采用 B4 镜头卡口，所拍摄画面为全景深，满足电视实况转播需求。这两种机型均具备 BT.2020 色域和 BT.709 色域，且具备不同类型的伽马曲线，能满足 HDR 拍摄需求。
2. 4K 摄像机几款主流机型简介
索尼公司发布的两款手持式摄录一体机，分别是 PXW-Z190 和 PXW-Z280，这两款机型均支持 4K 拍摄，有强大的 HDR 处理能力，且机身小巧，简单便携。其中，Z190 配备 1/3 英寸 Exmor RCMOS 成像器，可以拍摄 4K 50p/60p，兼容 HLG，支持索尼 HDR 工作流程；Z280 配备全新的 3 片 1/2 英寸 Exmor RCMOS 成像器，能够帮助用户实现 F12（59.94p）/F13(50p)的高灵敏度，长变焦比率和深景深的拍摄，无级ND滤镜，先进的人脸检测自动对焦（AF）功能，12G SDI 等接口，能支持不同应用类型的 HDR。
此外，目前中央电视台主要有索尼 PMW-F55、松下V35 等摄像机机型。其中，索尼 PMW-F55 的性能特点主要是：具有 35mm 4K CMOS 成像器，拥有 14 档宽容度，高灵敏度，低噪波，更宽的动态范围和色域等；松下 V35 的特点主要有：具有高性能寻像器，能监看画面整体焦点的辅助聚焦功能，摄像机内置色彩调整功能，有 AVC-ULTRA4K 4:4:4（12 比特）高画质压缩编码，4K/120p 的 RAW 数据记录等。利用这些摄像机，已完成《2016 年春晚》《永远的长征》《2017 年春晚》《G20 峰会欢迎晚会》等大型 4K节目的拍摄和制作工作，为 4K 节目的制作和播出做好了充分的准备。
三、虚拟 PGM 合成系统助力演播室 4K节目的制作播出
升级改造而设计并建成的 4K 虚拟 PGM 合成系统。该系统主要由 4K 多通道录制服务器、虚拟切换及 4K 合成服务器、4K *放播**服务器组成，能够自动获取高清切换台切点信息、切换特技信息及当前时码信息，针对收录的 4K 素材，自动生成与高清对应的 4K PGM 内容。在节目录制 6秒以后，即可形成 4K 版本的视音频文件。该系统比原有人工比对高清节目制作 4K 节目的方式，大大降低了人工成本，缩短了制作周期，提高了 4K 节目生产效率，为 4K 节目的备播做好了充足的准备。目前该系统已完成了《2018年央视春晚》《2018 年元宵晚会》《星光大道》《匠心筑梦》《开门大吉》等多档节目的 4K 版本录制。
四、视频后期制作工艺的变革
1. 调色是视频后期制作的重点环节由于高清摄像机采用电视伽玛，BT.709 色域，拍摄的画面所见即所得，所以一般不需要对拍回的素材进行色彩还原和校正，只需根据需要做少量的色彩调节工作。而对于 4K 摄像机来说，为了保留画面高光、中间层次、暗部的所有细节，实现高动态范围，采用 log 对数拍摄模式，使得拍回的素材画面灰暗不透亮，后期必须进行色彩还原和校正，并根据需要进行色彩调节，以使画面更加生动逼真，色彩艳丽。有时，根据不同节目类型，还需做艺术风格化的处理。因此，区别于高清制作，4K 制作的调色工作是整个后期制作的重点环节，需要由具有专业的色彩理论知识和丰富的实践经验的人士来完成。
2. 套片流程较为常见
对于 4K 节目的后期制作，主要分为两种工艺流程：第一种是利用索尼 4K 摄像机（如 F55）拍回的 XAVC 文件，在苹果 FCP X 精编软件中进行编辑，然后对编辑完的工程进行调色处理，之后加包装、特效，拍唱词，最后输出成品文件；第二种是对于大码率的 RAW 文件，先进行高清代理素材编辑，将编辑完的工程对应存储硬盘中的 RAW 素材进行套片上载，之后再进行调色、特效、字幕合成等，最后输出 4K 成片。其中，第二种套片编辑模式较为常见，既保证了制作的流畅性，又大大提高了后期视频编辑的效率。
五、音频制作工艺的变革
1. 环绕声制作
区别于高清单纯制作立体声的工艺模式，4K 节目需要制作环绕声，即在制作立体声播出声左和右两声道的同时，还需制作环绕声播出声左前、环绕声播出声右前、环绕声播出声中置、环绕声播出声低音、环绕声播出声左后、环绕声播出声右后等几个声道，保证观众能从多角度感受到节目音响所带来的震撼效果。
具体的工艺流程是，首先将演播室或外拍采录的同期声和立体声参考声等传到视频后期制作岛，将完整音频素材传回音频制作岛，视频后期先进行声音画面的同步剪辑，将剪辑好的“第 N 版混音 5.1+ST”铺到时间线上，同时传给音频制作岛，一同传输的还有第 N 版成片及其 EDL信息文件、新素材 AAF 文件等，音频岛根据节目成片及EDL 信息，对所有音频素材进行处理，最终将制作好的音频文件传给视频后期进行视音频合成，输出成片。
2. 三维声制作
随着 4K 技术的发展，电视节目制作有时也采用电视三维声的音频制作方式，以期提升观众的视听感受。电视三维声采用 5.1+4H 格式进行制作和*放播**，包括：云计算、数据库、大数据分析等技术，整合了内容资源，提升了数据存储挖掘利用能力，并运用 4G 传输、流媒体传输、移动直播等技术提升了信息传播的效率和稳定性。五是建立适应媒体深度融合发展的体制机制，充分发挥市场机制作用，探索以资本为纽带的媒体融合发展的路径，坚持开放带动、创新驱动，积极探索广告经营、信息服务、版权合作等多种盈利渠道，通过台网一体统筹，协同发力做活新媒体品牌，粉丝数、关注度、点击量均大幅提升，把贵州台优质内容、平台流量转化为实际收益。
五、结语
电视技术的发展，从高清到 4K，将是一次伟大的变革。这场变革，从摄像机技术的变革，到演播室系统变革，再到音视频后期工艺变革等等，将是一次彻底的技术革命，整场变革从中国到世界，将带来全球电视技术系统的创新发展，使未来整个电视行业的发展具有更强的生命力。
