本文编译自 Flatpalelshd，原作者 Yoeri Geutskens，转载请注明出处。

超高清（UHD）到底是由哪些元素构成的？这个问题并不像大家期望的那么容易回答。超高清就像一个工具包，这是一个可以容纳不同元素的盒子。哪些组合符合“超高清 Ultra HD”资格，不同组织对此有不同的看法。即使在超高清论坛中，也正在进行有关哪些组合符合条件的讨论。

但是，UHD 的基本要素是什么这很清楚。他们分别是：

• 超高清或超高清空间分辨率 – 4K或8K
• HDR：高动态范围
• WCG：宽色域
• 色深
• HFR：高帧率
• NGA：次世代音频

如大家所见，所有内容都是关于视频的，只有一个例外，次世代音频在这里显得很奇怪。现在，让我们逐一对这些内容进行详细介绍。

空间分辨率

屏幕分辨率的方面肯定是最好的理解的，尽管有关术语仍然令人困惑。简而言之，这意味着每帧将有更多的像素。UHD 的基础分辨率为 4K，这也是像索尼这样的公司在 2012 年发布其首款 UHD 产品时所引用的那样。随后，当年的晚些时候，消费者电子协会或 CEA（现为消费者技术协会或 CTA）提出了这一建议。 “超高清”一词所代表基础的分辨率为 3840×2160 – 顺便说一句，这并不是纵横比为 16:9 或 1.78:1 的 HDTV 水平和垂直分辨率 1920×1080 的两倍（而是四倍）。

也许 CEA 选择了这种 Ultra HD 命名来将其与 DCI（数字电影协会）所提倡的 4K 定义区分开来，DCI 指定的分辨率为 4096×2160，对应于 17:9 或 1.90:1 的纵横比。不过，这种 DCI-4K 分辨率通常会被误解。电影通常不以 4096×2160 的分辨率制作。这是一种“容器”格式，其中包含的图像通常为 4,096×1,716（2.35:1 或 CinemaScope）或 3996×2160（1.85:1），需要进行一些裁剪或裁切以使其适合用户屏幕格式。

虽然 Ultra HD 最初指的是分辨率，但它涵盖了更广泛的内容，因此，诸如超高清论坛之类的组织也将（3840×2160）分辨率称为 4K。而其他功能是上面提到的另外五个要素。但是需要哪些才有资格获得“超高清”？讨论正在进行中。在此之前，这里是当前思路的摘要：

• 4K 分辨率和更高的分辨率属于超高清
• 具有 HDR 的 1080p 高清视频属于超高清
• 仅次世代音频不能称之为超高清

当然，许多其他组合是可能的。具有 100fps HFR 的 1080p 高清视频可以称之为超高清吗？这还有待商榷。

别忘了 8K 也被称为超高清，CEA / CTA 选择了 4K 和 8K 分辨率的名称，而 DVB 项目将 8K 称为 UHD2。在电视环境中，这意味着 7680×4320 的分辨率 – 再次使 4K 的水平和垂直分辨率翻了一番。在电影摄制中，它的分辨率为 8192×4320。有些电影已经（部分）以该分辨率进行拍摄，但尚未完成。取而代之的是，由于 VFX 渲染的高成本（以及成片的时间问题），“数字中间处理”的主要方式将为 2K 或最佳为 4K。

尽管以 4K（或更高）拍摄的广播内容仍然很少见，并且仅限于诸如 Insight TV 和 Travel XP 之类的特殊兴趣频道，但在好莱坞，4K 的制作正在缓慢但逐渐变得越来越普遍。要获取最丰富的 4K 内容，您需要通过 Netflix、Amazon 和 Disney+ 等视频流媒体平台。迪士尼正在将其以往的作品以及福斯以往的作品以 4K 形式通过 OTT 进行播放，而 Netflix 坚称其所有原创制作的内容均以 4K 格式提供。还有 HDR，而且不少。

超高清蓝光光碟可以来自数字拍摄的 4K 内容（以 4K 分辨率进行数字拍摄），也有来自胶片的 4K 扫描内容，也可以来自于以 2K 分辨率完成电影拍摄之后将 2K（HD） upscale 的内容，或者是 4K 拍摄但 DI（数字中间处理）为 2K 的内容，又或者是胶片拍摄 2K 扫描再 upscale 成 4K 的内容。

像 Netflix 这样的公司将会开始生产 8K 内容吗？也许吧。在几年前率先推出 4K 内容之后，他们是最有可能的候选人。不过，很遗憾的是，可能将不会推出 8K 超高清蓝光影碟，原因见此。

您可能会意识到，市场上有多种显示技术在竞争中，特别是 OLED 和 LCD（通常被混淆地称为 LED）。这些技术与超高清没有太多直接的联系，之前有很多文章更深入地探讨了它们的优缺点，因此，除了说一般 LCD 可以实现更高的峰值亮度以及 OLED 由于其更深的黑位显示可以实现更大的对比度外，本文将不做进一步探讨。

高动态范围（HDR）

首先要消除一个常见的误解：HDR 视频与“HDR”摄影有很大的不同。后者涉及“曝光合成”，其中将快速连续捕获的两个图像合并为一个。生成的图像通常用于在 SDR 显示器上显示，甚至用于在纸上打印，因此可以看出这不是正确的 HDR，HDR 摄影中唯一具有高动态范围的是被捕获的场景。

我们在视频中所谓的 HDR 涉及在图像的最暗部分和最亮部分之间更大的动态范围，以 F 级表示。标准动态范围（SDR）可覆盖 7 档，而高动态范围（HDR）可覆盖大约 14 档。在静态摄影（通常为 RAW 格式）中也可以捕获这种动态范围，该静态摄影可以渲染仍需要分级以显示它们的文件。

松下最新的 Lumix 相机可以拍摄 HLG HDR 格式的静态图片，这些图片可以直接在松下电视上以 HDR 格式显示，这表明摄影和摄像可能在这里融合。后期功能在很大程度上仍然未知，为此，松下值得获得更多关注。

不同的公司已经提出了一系列用于捕获和交付 HDR 视频的解决方案，这里最重要的区别是在混合对数伽马（HLG）格式和感知量化器（PQ）系列格式之间。

有关完整的解释，我想参考“影音 | 关于 HDR 视频生态系统的详细分析”这篇文章，快速入门：

HLG，即所谓的“场景引用” HDR 格式，不使用任何元数据。它是由 BBC 和 NHK 广播公司开发的，目的是提供与 HDR 和 SDR 电视机兼容的单个信号（后者需要与 Wide 色域配合才能渲染出合适的图像），并提供高于现有生产工作流程和设备的兼容性级别。目前已经实现了，在电视广播中大量采用 HLG 格式。

由杜比开发并由 ST.2084 标准中的 SMPTE 定义的 PQ 可以使用元数据，但是它是可选的。静态元数据在 ST.2086 标准中指定。没有元数据的 ST.2084 HDR 称为 PQ10；带有静态元数据的它称为 HDR10。当然，这种区别没有看起来那么重要。尽管 ST2086 规定了元数据应遵循的内容，但并未给出严格的使用准则，因此电视制造商可以自由地做自己的事情，有些人选择忽略元数据并应用自己的“秘密调味料”，这导致显示的结果不同。

除了静态元数据外，HDR 还可采用动态元数据，从而使内容创建者可以灵活地在场景之间更改元数据。从本质上讲，这三种风格在称为 SMPTE ST.2094 的一组标准中指定：

• 杜比视界（ST.2094-10）
• Technicolor 的进阶 HDR
• HDR10 +（ST.2094-40），由三星和松下开发

迄今为止，在这三个领域中，杜比视界的使用最为广泛。2017 年，我（原作者）写了一篇关于每种规格前景的文章，但令人惊讶的是，与此同时几乎没有任何变化，我仍然坚持自己的观点。Technicolor HDR 在这场比赛中是一匹黑马，它已被选作巴西的 HDR 格式（稍后会详细介绍），最近已在美国 ATSC 3.0 广播中实施，并且中国当局正在考虑将其作为中国 HDR 格式的基础。

在电视广播之外，HDR10 规格是所有 HDR 电视的基础规格，所有消费类 HDR PC 显示器也接受。在 PC / 游戏环境中，当要求 HDR 支持时，就表示这是 HDR10。所有提供 HDR 的流媒体服务至少支持 HDR10，并且是超高清蓝光影碟上的一种强制性 HDR 格式（这意味着所有播放器都必须能够对其进行解码，并且如果光盘使用 HDR，则其至少必须包含 HDR10。而杜比视界、HDR10+ 和飞利浦 HDR ST-2094-20 则是作为可选项）。要更好地了解整个行业对每种 HDR 格式的支持，请查看“影音 | 关于 HDR 视频生态系统的详细分析”这篇文章。

广色域

色彩空间：REC.709、DCI-P3、REC.2020

大约在 4K 分辨率变得切实可行的同时，电视行业推出了一种新的色彩空间，以解决平板电视（LCD 和 OLED 等）能够产生的更广泛的色域。在模拟 SD 电视时代，当我们都使用 CRT 显像管时，色彩空间（在 PAL / SECAM 和 NTSC 中）为 Rec.601。对于紧接着向数字电视过渡的高清电视，此色彩空间略微扩展到 Rec.709。当前的显示器可以渲染的内容变化虽然很大，但范围却要大得多，通常与 DCI-P3 相对应，DCI-P3 是 Digital Cinema Initiative 定义的格式，就像 DCI-4K 分辨率一样。Rec.2020 为 UHD 电视定义的色彩空间，超出了当前绝大多数显示设备非常多的色彩空间。尚不能确定商用产品是否会达到 Rec.2020 的全部覆盖范围，甚至还不是它想要的，但这是一个足够大的容器，可以提供增长的空间。

如今，几乎所有提供广色域的电视机都是 UHD 电视，除了 2012/2013 年的第一代 4K 电视外，它们中的大多数都可以处理 Rec.2020，因为它们可以接受此类信号，并且适当地处理它们。它们中没有一个提供 100％ 的覆盖率，并且覆盖率随价格的变化而变化，尽管差异可能不如 HDR 明显。

更新的 Rec.2100 标准不是比 Rec.2020 更大的色彩空间，而是具有与 HDR（允许 PQ 和 HLG 均使用）、分辨率（HD、4K 或 8K）和帧速率（所有通常的格式）相同的色彩空间速率介于 24 到 120fps 之间。

色彩深度

色深是指每个子像素使用的位数，每个像素由三个子像素组成：红色、绿色和蓝色。因此，所谓的 8bit 视频实际上每个像素使用 24bit。HDTV 格式（及其之前的数字 SDTV）使用 8bit，允许 2 ^ 8 或 256 种颜色变化（红绿蓝以及其阴影色彩），因此每个像素 24bit 给出 2 ^ 24 或 256 ^ 3 或 1680 万种颜色，虽然看起来还不错，但现在已经不够用了。

为什么？原因就是 HDR。不是我们的眼睛变得更好，而是我们的显示器变得更好。它们可以产生更多的色彩量，如果我们继续使用相同数量的位数，它们将需要覆盖更大的色彩范围，其中连续色彩之间的差异更大并​且更容易注意到，这种现象称为“色带”（也就是色阶断层、色阶过渡不均匀的现象）。

像大多数超高清功能一样，当您看到这种效果时，通常会夸大视觉效果。你可能会说，这太假了。那是因为您有可能在 SDR（标准动态范围）显示屏上阅读本文（笑）。这听起来可能很奇怪，但是尝试在 SDR 显示器上显示 SDR 和 HDR 之间的差异就像试图在黑白电视上显示颜色与黑白之间的差异一样。这就是为什么大多数试图比较 SDR 和 HDR 的情况都是带有视觉效果的，其中人为降低了一张图片的对比度。有些人甚至到目前为止还显示了三张亮度降低了的图片，这表明它们显示的是 SDR，而 HDR 具有静态元数据和动态元数据。

8bit 和 10bit 色彩的模拟效果对比

例如，上面这张图片（来自于其他文章）的上部显示了约 32 种颜色的光谱，则可以用每个像素 5bit（2 ^ 5 = 32）进行构建。因此，每个子像素 2bit，您已经拥有 64 种颜色，是此图形的两倍。8bit 颜色为您提供 2 ^ 18 = 262144 种颜色。

而上图下的颜色数量（在 SDR 中看起来像是一个非常平滑的渐变）约为 1300 种颜色，远低于 2048，您可以通过每个像素 11bit 或每个子像素 4bit 来实现。实际上，4bit 颜色可提供 4096 种颜色，是 1300 的三倍多。

现在回到实数：10bit 色深使我们每个子像素能获得 2 ^ 10 = 1024 种颜色，因此 2 ^ 30 = 1024 ^ 3 = 超过 10 亿种颜色。不幸的是，我目前无法在您的 8bit 面板上向您展示 8bit 和 10bit 色深之间的区别，但是您将能够在具有 10bit 面板的 HDR 电视上看到，而且是不需要训练有素的眼睛就可以识别出来。

请注意，并非所有 HDR 电视都使用 10bit 面板，8bit 依旧很常见，在 PC 显示器中更是如此。在这里，您经常会发现使用 8bit + FRC 或帧速率控制（一种模拟 10bit 色深的方法）的面板。

具有 2 个额外位数的 12bit 色深为每个子像素提供 4 倍的色彩显示，总共 4096 级，并且 2 ^ 36 = 超过 680 亿种颜色。目前尚不清楚何时会在客厅看到 12bit 的面板，但它已用于数字电影院中：杜比视界（Dolby Vision）可处理 12bit 的色彩，4K UHD 蓝光影碟也同样可以。自 2018 年 11 月以来一直在以 8K 传输节目的日本国家广播公司 NHK 倡导 12bit 色彩输出，而 8K 协会则坚持 10bit 色彩输出。他们还提出了不同的帧速率，本文稍后会详细介绍。

目前，这是支持 12bit 色深的消费媒体的唯一形式。没有搭载杜比视界的超高清蓝光使用 10bit 色深和 Rec.2020 色彩空间，而普通的 1080p HD 蓝光光盘则使用 8bit 色深和 Rec.709 色彩空间。

HDR + WCG + 扩展的色深

人们普遍认为，HDR 固有地具有宽色域和至少 10bit 色深。而在实践中，这三种技术通常并存，并且有充分的理由：当结合使用时，这三种技术可以显着改善色彩表现。例如，更大的位数有助于防止动态范围扩展时原本容易发生的色阶断层现象。

实际上，这三个可以彼此独立存在，并且可以提供一些好处。在日本的蓝光光盘上已经尝试了 10bit 和 12bit 色彩。几年前，松下发布了“ Master Grade Video Coding ”（MGVC）蓝光格式，其中包含一种增强层，额外增加了 2 或 4bit 以获得 10 或 12bit 的色彩。仅特殊的松下蓝光播放机可以解码增加的位数。不少吉卜力工作室的动画电影都以这种格式发行，但此后发行量并不多。

广色域本身可能会是最好的机会，但这只是偶尔会发生，比如巴西专有的 HDR 格式 。

使用了没有 WCG 且没有较深色彩分辨率的 HDR，包括 Globo 在内的 SBTVD（Sistema Brasileiro deTelevisãoDigital）的几个团体已经达成一致意见，同意一种中间广播格式，该格式使用具有 Rec.709 色彩空间、8bit 色深和 MPEG-H 音频的 SL-HDR1（Technicolor Advanced HDR）。它可以通过 ISDB-Tb 在 AVC 中传输，也可以通过 5G 在 HEVC 中传输。我们将不得不拭目以待，看看它是如何工作的，但确实显示出许多变化是可能的。

由于这三种技术很好地结合在一起，因此通常会将它们组合在一起，并且许多人可能认为 10bit 视频和 WCG 构成了 HDR 的重要组成部分，即使这并不成立。对于此功能包，也许用与 HDR 不同的名称（例如“Ultra Color”）会更好。然后，您将拥有超高清和超色彩，不过现在为时已晚。

更高的色彩分辨率、更宽的色域和更高的动态范围可确保更好的像素输出

高帧率

令人困惑的是，高帧率在不同领域意味着不同的事物。在电影中，任何高于 24fps 的图像都被认为是 HFR。大多数人一听到会想起的电影就是《霍比特人》三部曲（以 48fps 拍摄）、《比利·林恩的中场战事》和《双子杀手》（均以 120fps 拍摄并以 60 或 120fps 的帧速率放映，但影院中只有在 3D 模式下才显示，在 2D 模式下通常为 24fps），实际上没有太多其他东西，因为偏离我们将近 100 年的 24fps 规范的帧速率往往是两极分化的。一些人喜欢它，但许多人非常不喜欢它，这可能是因为数十年来，我们已经习惯了以 24fps 这种帧速率拍摄的电影才能获得史诗般的效果。

这有点像胶片颗粒：您可以说这是应该避免的人工制品，但对于大多数人来说，这有助于让我们停止怀疑，它将告诉大脑进入电影观看模式。

关于这些机制如何在大脑中发挥作用，还有很多问题尚待解答。规范可能不会永远持续下去，但要使更高的帧速率变得普遍并获得广泛的接受可能还需要很长时间。

同时，在电视中，自本世纪中叶开始引入 50 和 60Hz 帧频已成为标准。近年来，我们逐渐淘汰了隔行视频（50i、60i），而逐渐使用逐行渐进视频（50p、60p）。但是，这并不视为 HFR。电视中的 HFR 表示帧速率高于此速率，主要是 100p 和 120p。正如您可能已经猜到的那样，脚本内容（例如电影）并不是用处很大的地方。取而代之的是体育，体育才是从中受益最大的类型。

如今，1080p50fps 广播（在欧洲）和 1080p60fps 广播（在北美）是相当普遍的，尤其是在体育比赛中，在 2160p（4K）广播中，这些帧速率也是正常现象。在一些试验广播之外，尚未采用高帧率，这可能是因为目前很少有电视机可以处理 HFR。LG 的 2020 款 OLED 以及今年发布的几款其他品牌的电视都为高帧率做好了准备，因为定于今年晚些时候上市的次世代游戏主机将能够输出高帧率内容。

LG / EBU / 4EVER PROJECT 在 IFA 2016 上进行的 HFR 演示（带有 HLG HDR）

这将我们带到了第三个应用领域：电子游戏。这里的 HFR 的组成没有明确定义，但是可以说 60fps 以上的帧速率是可以确定的。在 PC / 游戏显示器中，刷新率竞赛正在进行中，常见数字为 144Hz 和 165Hz 以及 240Hz。

要深入了解有关高帧速率的所有内容，请查看本文：“影音 | HFR —— 一种在 UHD 电影中被忽视的技术”。

次世代音频

当然，与视频无关的一个 UHD 要素是与音频有关的。次世代音频（NGA，Next Generation Audio）被视为超越杜比数字和 DTS-HD 等传统多声道的音频。更具体地说，它涉及基于对象的环绕声系统，并且可能使用高度通道，从而使声音真正实现三维空间效果。在这一领域，存在三种竞争的格式：杜比全景声（Dolby Atmos）、DTS:X 和 MPEG-H。

杜比全景声（Dolby Atmos）家用影院的工作原理与电影院略有不同，但其目标是一致的：将声音准确地放置在您观看电影的 3D 空间中的任何位置。电影院系统可以处理多达 128 个音频对象并寻址 64 个不同的通道（扬声器），家庭系统会将空间编码的子流添加到 Dolby Digital Plus 或 Dolby TrueHD 信号，或作为元数据以 Dolby MAT（元数据增强音频传输）2.0 格式呈现。流媒体服务使用有损 Dolby Digital Plus 格式；4K UHD 蓝光影碟和 Kaleidescape 平台可让您以无损 Dolby TrueHD 格式下载 Ultra HD 电影。

更详细地讲，它的工作原理超出了本文的范围，但杜比全景声（Dolby Atmos）主要通过视频流媒体平台、电影下载、蓝光和超高清蓝光（也可以使用常规的 1080p HD 光盘格式）进入家庭支持，并在较小范围应用于广播电视。英国的 BT TV 是为数不多的使用杜比全景声（Dolby Atmos）进行直播电视广播的运营商之一，其中大部分是足球比赛，自 2017 年以来他们就开始这么做了。

杜比全景声（BT）ULTIMATE SPORT 直播足球比赛

杜比全景声（Dolby Atmos）音频的另一个重要来源是视频游戏，PS4 和 Xbox One 已经在游戏中支持 Atmos，而 Xbox Series S / X 也将支持 Atmos 。另一方面，PS5 使用索尼专有的基于对象的 3D 音频系统，称为“Tempest Engine”。 最近，杜比（Dolby）已开始将 Atmos 应用于音乐（在 Tidal 和 Amazon Music 等流媒体服务上使用），但这不在本文讨论范围之内。

在渲染方面，您当然不需要像影院一样在客厅中安装 64 个扬声器。您可能有许多常规的落地式扬声器，使它们构成 7.1 或 9.1 声道配置，并添加了两个或四个向上的声道，这将为您提供称为 9.1.4 的音效。还有其他更实用的选择，包括不需要使用“反射式”扬声器的吊顶扬声器等。而且，由于所有参数都是参数化的，每个声音本质上都是通过称为“心理声学”的数字运算数学来构造的，您甚至可以从电视、回音壁和智能扬声器中获得 Atmos 声效。

5.1.4 杜比全景声（DOLBY ATMOS）扬声器配置。图片来源：杜比实验室

DTS:X 是 DTS 背后的公司 Xperi 的系统，与杜比全景声类似。当前所有的 A/V 接收机都支持它，电视和回音壁也越来越多地支持它。与 Atmos 一样，DTS:X 可以在蓝光影碟和超高清蓝光影碟上使用。但是，您不会在流式传输服务上见到这种音轨，除了 PBS 的单次试用之外，它都没有用于广播。 广播电视可能是 MPEG-H 瞄准的主要应用领域。NGA 格式的名称最少，是由 Fraunhofer 研究所开发的，它在许多压缩标准中一直扮演着重要的角色，一直到 MP3 为止，至少广播是被采用的主要领域。它被各种使用韩国的 UHD 广播公司与 ATSC 3.0 视频结合使用。

结论

几年前，当超高清开始推出时，很明显，要进行的许多创新不会同时出现。现在所有的要素都就位，尤其是在硬件方面。同样清晰的是，广播电视将仅在有限的程度上使用这些新功能。幸运的是，我们有大量可以获得的渠道，包括流媒体视频、物理媒介、游戏和用户生成的内容，因此您无需再等待就可以享受到这些内容。

现已实现超高清内容分发的技术路线图