超高清摄像机技术研究

　　【摘要】随着近年来国际各大广播影视展会对超高清技术的关注以及相关新技术的频频曝光，超高清已经成为了影视行业最为火热的话题。超高清摄像机发展迅速，具有动态范围广、色域大、噪声低、景深浅等特点。

　　本文概述了超高清技术及摄像机的发展历程，介绍了超高清标准的特点，和高清的主要区别，介绍了超高清摄像机的传感器、信号处理与分流、信号传输、音频工作结构和工作原理，做了较为详细和深入的分析。

　　【关键词】超高清技术 高清摄像机 超高清摄像机

　　一.绪论

　　随着近年来国际各大广播影视展会对超高清技术的关注以及相关新技术的频频曝光，超高清已经成为了影视行业最为火热的话题，许多的终端厂商也打出了“极清”的概念来招揽顾客。超高清技术，已经成为广电行业非常热门的话题，相较于3D的热火朝天，超高清正在积攒能量给市场带来一次强有力的冲击。4K超高清（UHD）毫无疑问已经成为了影视技术继高清之后的下一个非常明确的发展趋势，相对于3D的另辟蹊径，超高清技术可以说是从数字化标清，高清一直延续下来的技术走向，发展的脚步更加稳健。

　　二.超高清技术

　　4K（超高清）的概念最初是源于35mm胶片电影，以4K分辨率进行数字扫描被认为是全分辨率扫描，而以2K分辨率数字扫描被认为是半分辨率扫描。现在，4K的概念已经被延展到了表现视觉分辨率或感知清晰度。并且代表了相对于2K分辨率的全新一代显示技术与标准。

　　目前，在超高清电视技术标准方面，国际标准化组织SMPTE在2007年发布了SMPTE2036标准，规范了4K、8K两种超高清电视格式；国际电联在2012年发布了ITU-RBT.2020标准，进一步规范了4K、8K超高清电视格式及参数，并将最大帧率扩展到每秒120帧。4K超越2K的视觉体验不仅仅只是分辨率的提升，虽然分辨率的变化是4K带给人最为直观的感受，但同时，4K影像还包含其它重要要素，可视角度、采样方式、帧频、色域和量化深度，以及丰富的立体声效果。

　　1.可视角度与观看距离

　　根据人的视觉特性，可视角度与观看距离对享受最佳临场感和真实感非常关键，如果近距离观看现有2K分辨率的像素，其图像“颗粒现象”依然严重。同时，高清分辨率的图像再通过视频压缩，更不能满足人对现场感、真实感的视觉要求，而4K相对于2K的可视角度则有了极大的提升。

　　在同等像素密度下，4K超高清电视的可视面积是高清电视的4倍。

　　4K超高清的最佳观看距离为1.5倍屏幕高度，8K超高清的最佳观看距离为0.78倍屏幕高度，而高清电视的最佳观看距离为3倍屏幕高度。这意味着在相同的最佳观看距离下看电视，4K超高清电视的屏幕可以比高清电视大很多，同时4K超高清电视的最佳水平观看角开度为58°，8K超高清电视的最佳水平观看角开度为96o[1]，大于高清的32°。

　　2.采样方式与帧频

　　在采样方式上，无论是电影还是电视，4K超高清采样方式都是逐行扫描。在帧频方面，超高清电视建议帧频除60Hz以外，还增加了120Hz，这和电影48格一样都是对视觉体验一个革命性的提升，因为这可以彻底消除闪烁和模糊效应，从而让视频观看效果更为舒适和流畅，尤其对于运动影像而言意义更为重大。

　　3.色域与量化深度

　　在色彩方面，ITU-RBT.2020超高清广播标准中，相对于高清Rec.709色域范围有了更大的延伸。此外，ITU-RBT.2020中还增加了最高量化深度为12比特这个标准，其可表示约为687.2亿种颜色，是高清10比特量化深度提供色彩的64倍。图是BT.2020色域（大三角）与Rec.709色域（小三角）的对比，从中可以看出大三角比小三角面积要大许多，表明4K比高清可带来更为丰富的色彩表现[1][2]。

　　4.超高的码率

　　当然，我们也要看到，4K图像带来丰富信息量的同时，也带来的极高的码率，这将给数据存储与信号传输带来极大的挑战。以逐行采样、120H z帧频、12比特量化深 度、4：4：4采样结构为例，4K超高清电视系统的无压缩码率为 35.8Gb/s，8K的无压缩码率为143.3G b/s，而1920×1080/50i(4：2：2)高清电视系统的无压缩码率是1.485G b/s。可见，4K超高清电视系统的无压缩码率是高清电视的24倍，8K超高清电视系统的无压缩码率是高清电视的96.5倍。

　　5.立体声音频处理

　　除了画面效果之外，在音频系统上，相对于高清电视所建议的5.1立体声和电影院线7.1声道环绕声系统相比，超高清电视标准则将超高清8K的最高音频系统扩展到了22.2声道，其中顶层安排了9个声道，中间层安排了10个声道，底层在电视屏幕下方布置了3个声道。上、中、下3个环绕声场，构成了完整的空间立体声。这样组成的3层环声场的下层两侧再增加了2个低音声道，构成完整的22.2环绕声系统，其特点是将声场完全三维化，声音更加真实、更具现场感，更能带给人更加强烈的感官享受[3]。

　　三．超高清摄像机工作原理

　　1.图像传感器

　　现在超高清摄像机和高清摄像机在传感器上的不同，主要体现在图像传感器的尺寸大小。目前的主流超高清摄像机采用1.25英寸的CMOS图像传感器，带来的超16mm的图像范围要比现在现有高清摄像机2/3英寸的CCD和1/3英寸的CCD大很多。如图4。并且具有的高灵敏度、低功耗的优点，能够提供3300万像素和超高清8K级别的拍摄画质，并且支持60fps和120fps的高帧率，输出格式包括ProRes格式、无压缩视频格式、RWA数据格式以及HD-SDI、3G-SDI格式[3]。

　　2.信号的分流

　　目前，摄像机产生的超高清信号仍旧没有专门的接口对它进行传输，如果想不出办法，信号无法传出，甚至连摄像机怎么设计都无从谈起，所以为了解决这个问题，必须把超高清信号分流，用已经成熟的接口和技术做进一步传输和处理。因为高清技术已经成熟，HD-SDI接口已经推出，因此利用高清的HD-SDI是非常自然和方便的事情。

　　经过视频方式变换，每一个G产生一个亮度信号。由上可知，每四个像素包含两个G，那么就可以产生两个亮度信号，Y1和Y2。Y1和Y2既可以把他们看作是水平排列也可以看作是垂直排列。

　　图7很详细的画出超高清信号如何变成16路HDTV的。为了更加清楚，在这里可以用四片传感器双绿变换产生的超高清信号分流来表示。因为两种方式产生的超高清信号的分流方案基本一样。

　　四片中每片像素数为4320×2160，12bit/60p，即图中的（b）。它的实际效果（四片传感器双绿取样结构），通过第二片（G1），第一片（R）和第四片（B）结合(实际仅用了RB像素的一半)，形成上部分：G1，R，B，4；2：2系统，上下两部分为：3840×2160 4：2：210bit/60p，在这里的p代表逐行扫描。由于HDTV HD-SDI采用4：2：2隔行扫描，所以上下各变成8个HDTV信号，这样，四片SHV格式的信号变成16个HDTV信号，可用16个HD-SDI接口进行传输。

　　3.信号传输

　　作为一个超高清系统，首先要面对无压缩的原始信号的显示实验，以检验系统基本参数的可行性，另一方面对专家和观众进行无压缩信号显示，可让研究、制定标准的专家作为参考，可让世界观众欣赏和认可。由于超高清码率很高，即使分流成HD TV也很高，用多芯电缆长距离传输是不可能的，因此用光纤进行超高清信号的传输是理所当然的事。为此SMPTE 2009年制定了SMPTE 435-2009：10Gb/s Series Signal/Data Interface—Part 3，简称10G-SDI光纤接口，用于更高码流的传输。它可直接传输4K(3860×2160)的信号，也为更高码流的传输带来方便。如对于上述四片超高清信号来说，信号码流为24Gb/s，只要2或3根10G-SDI就可以了。而对于超高清最高码流72Gb/s来说，需要8根10G-SDI。

　　图8是光纤接口的示意图，由64个HD-SDI组成，这里用32个DULLLINK接口来完成，然后分成八组（8个DSP），每组八个HD-SDI.每组又变换成10G-SDI电信号。这八组电信号通过DWDM完成电到光的变换。这样一个超高清高码率的信号就可以通过这样的光纤接口进行传输。

　　4.麦克风

　　超高清电视技术的特性之一就是拥有非常好的声音体验。所以在音频系统上，相对于高清电视所建议的5.1立体声和电影院线7.1声道环绕声系统相比，超高清电视标准则将最高音频系统扩展到了22.2声道，其中顶层安排了9个声道，中间层安排了10个声道，底层在电视屏幕下方布置了3个声道。上、中、下3个环绕声场，构成了完整的空间立体声。这样组成的3层环声场的下层两侧再增加了2个低音声道，构成完整的22.2环绕声系统，其特点是将声场完全三维化，声音更真实、更具现场感，能带给人更强烈的感官享受。这就要求了在片源就要有如此好的音频摄入。

　　超高清摄录设备主要由22.2声道球形单点麦克风以及实时控制台两部分组成。为了配合超高清图像为观众带来临场感，声音摄录系统需要收录拍摄现场各个方向和层面的声音。22.2声道球形单点麦克风实际是一个集成化的立体麦克风阵列，直径45厘米左右的球形空间被划分为上中下三层，每层被声音隔板分割成八个独立的空间，每个空间都内置一个紧凑型麦克风。

　　5.各种记录格式

　　针对4K素材的记录和播放环节，除了摄像机机身可以外挂4K存储卡记录单元外，SR-R1000多通道录像机可用于4K高码率素材录制。

　　摄影机能够直接生成Quick-Time/ProRes离线代理，包含高清格式及RAW格式同样的图像信息、音频、时码以及元数据，免除用于采集和建立离线拷贝所消耗的时间，同时也可以确保离线与在线素材完全一致，可以提高工作效率，把电影的摄像机应用于很多场景。

　　ProRes格式：记录在存储卡上直接编剪制作流程，适用于电视剧、商业广告、音乐短片（MV）和纪录片制作高清（无压缩）视频格式，记录在SR磁带上的磁带式制作流程，适用于电视剧，商业广告、音乐短片（MV）和纪录片制作。高清的无压缩视频格式，记录在机身外置硬盘上的档案式制作流程方式，适用于高质量电视剧和电影制作。

　　超高清电影摄像机还可以记录R A W数据格式，这种数据格式完全没有压缩，还包含很多信息，包括镜头等数据信息。这些信息记录在外置的硬盘上，主要适用于电影制作。

　　6.监视器

　　在4K监视器选型方面，尺寸、接口配制，伽玛和色域的技术参数较为重要，而为了更好显示4K细节，使用50-60寸大尺寸监视器或4K电视进行监看效果较为理想。而伽玛、色域则对是否可以正确还原4K颜色起到了直接的作用。

　　需要注意的是，在电视空间拍摄、制作的图像必须在电视监视/显示设备上才能呈现正常的对比度和彩色，而在电影空间拍摄、制作的图像只有在电影的监视/显示设备上才能呈现正常的对比度和彩色。这种差别是因为电视伽玛和电影伽玛的不同造成的。所以，电视伽马拍摄的图像电影伽马监视器上看起来很硬，缺少中间灰度，电影伽马拍摄的图像在电视伽马监视器上显示很灰，彩色很淡，对比度不足。

　　但是实际上，除了极少数专业监视器支持电影的伽马外，面前市场上几乎所有监视器、显示器都采用电视伽马。因此，基于电影拍摄的超高清摄影机大多数情况下仍然需要使用电视空间的监视器，这时候就需要把电影空间的图像用LUT（Look Up Table）转换成电视空间才能显示正常对比度和彩色。目前索尼、松下、TVLogic、杜比、尊正等都推出了各自的4K监视器产品，而且在尺寸、价格和色域范围方面还有进一步提升的空间。

　　因此我们可以看出，超高清摄像机与高清摄像机相比，设备上基本上都有了一个全面的升级，这都是为了尽可能展现出4K的影像魅力，而且这些绝不仅仅是分辨率的变化，画面的整体品质都会大幅提升，而更重要的一点，如同当年高清起步阶段，高清素材可以下变换获得高质量的标清素材。所以超高清素材同样可以为现有高清节目制作提供大量高标准母板，通过下变换高清进行播出，同时积累超高分辨率的素材，为将来的4K节目推出做准备。所以，超高清数字摄像机可以用于不同的制作流程，这对于现有的电视高清技术其实也是一种提升。

　　四.结论

　　超高清摄像机目前的研究热点主要有以下几方面：高帧速率、高分辨率、CMOS数字图像传感器、镜头。研究人员致力于提高超高清摄像机的综合性能，如果可以进一步完善系统设备和拍摄器材配置；后期系统对4K压缩编码的支持，提高效率，降低存储资源占用；颜色管理更加完善，细化便捷；丰富镜头品种；压缩传输技术提升；4K播放器和交换格式。那么超高清摄像机的应用前景一定会更加广阔。

　　虽然很多人认为，3D电视的时代经历了短暂三四年的辉煌，似乎就要过去。4K会不会也成为短命的市场噱头，或者只是一种过渡，不值得盲目跟风。诚然，技术一定会飞速前进，3D在等待一个新的契机，也许4K对于3D同样能带来新的品质和突破。虽然现在我们不能预知未来，4K能不能有明天，最终是依赖于市场的认可，但能否被认可，有赖于精品节目的出现是否为观众所愉悦和认同。我们已经知道，4K具备带给我们超越和引领未来的潜力，那么就让我们利用好这项技术，做出赏心悦目的作品，与观众一同见证未来的到来。

　　参考文献

　　[1]孙乐民，薛永林.超高清数字电视关键技术研究[Jl电视技术，2012，36（6）.

　　[2]The present state of ultra-high definition tele-vision.ITU-R BT.2246-2， 2012.12.

　　[3]刁静.有源像素CMOS图像传感器的设计研究[D].成都：电子科技大学，2006．

　　[4]田霖，田恬.我们的未来是否是4K的天下[J/OL].影视制作.2013.

　　[5]于路.3D、4K，殊途同归[J/OL].

　　[6]孙志鸿，贺圆圆，张骞月.支持4K数字电影制作的新技术[J/OL].电视技术.2012．

　　扶胜 杨宇

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