从4K谈到8K

之前看到一个新闻说日本NHK将会直播8K 120fps 2020年日本奥运会。感觉最近几年4K和8K一直都是很火的话题。由于自己最近特别想买Apple TV 4K,以及想打造一个自己的家庭4K影院库,所以做了一些研究,谈谈自己对4K和8K的看法,以及讨论下8K离我们还有多远。

李安的执着

第一次真正接触4K还是李安2016年的电影Billy Lynn's Long Halftime Walk(比利林恩的中场战事)。这个电影上映时,一直用4K/3D/120fps做宣传。当时就特别想感受下这个黑科技,但是后来发现全美只有两家电影院可以真正观看4K/3D/120fps的影片,当时住在LA,正好其中一个影院The ArcLight Hollywood's Cinerama Dome在家附近,于是赶紧和朋友买了票去看。

由于当时刚刚来美国读书,英语听力极差,又没字幕,剧情完全是靠猜,看完和朋友讨论剧情,感觉我们两个就像看了不同的电影,两人各自理解的剧情根本对不上。但是对于画面不得不说真的很逼真,我朋友甚至夸张到说他能感觉电影里面的人就在他的眼前动。可惜的是这部电影票房惨遭滑铁卢,更惨的是2019年李安上映的另外一部4K/3D/120fps电影Gemini Man也跟着扑街。但很欣赏李安导演坚持的精神,据说他的下一部电影Thrilla in Manila好像依然会采用4K/3D/120fps

我知道我会被打倒,但我还要站起来,继续战斗。

李安

其实从只有两家电影院能放4K/3D/120fps电影可以看出,高清技术并没有我们想象那样成熟。想了解4K,8K我们还得从计算机如何处理颜色,图像以及视频说起。

色彩深度 Color Depth(Bit Depth)

颜色在计算机中由n位二进制数来表示:比如8位色深就是用8位bit来表示颜色,一共可以表示2^8=256种颜色。

True Color(24 bit) 分别用8位bit来表示RGB,总共有256*256*256种颜色

8位,10位和12位RGB色深是我们现在使用计算机屏幕和电视机最常见的色彩深度。

色彩深度越高,颜色的渐变越平缓

像素与分辨率 Pixel&Resolution

简单的说一个像素就代表了一个颜色,而颜色则由一个二进制数表示。图片则由像素堆积而成,像素的个数称为分辨率。(计算机显示图片其实就是对一个二进制文件进行解码,即按照一定规则去解释这些bit)

分辨率的发展

HD(1080p) 分辨率 1920*1080

4K Ultra HD 分辨率 3840*2160 4K DCI(摄影机) 分辨率 4096*2160

8K Ultra HD 分辨率 7680 × 4320

4K 8K视频

视频其实就是图片的堆积,我们用帧率fps来表示1秒内的图片数量。4K视频通常最高到60fps(李安电影高达120fps),8K视频则通常最高到120fps

越高的fps,影片越平滑

网络要求

我们可以计算下如果用60fps和10bit RGB色彩深度的4K,8K视频每秒需要传送的数据:

4K ColorDepth 10*3 * Pixel 3840*2160 * fps 60 = 15Gigabits

8K ColorDepth 10*3 * Pixel 7680*4320 * fps 60 = 60Gigabits

这还仅仅是图像,加上音频每秒所传输的数据将会更多。

通常Ultra HD视频采用H.265(Netflix,Amazon Prime Video等主流媒体)或者VP9(Youtube)算法进行编码压缩,经过压缩后,4K对网络带宽的要求至少为25Mbps,8K则对网络带宽的要求至少为100Mbps。可以看到Ultra HD视频对网络带宽有很高的要求,尤其是对于8K。最近5G网络的兴起,网络带宽的提高似乎就是为8K而生,但是即使达到了网络带宽的最低要求,8K还面临着很多其他的挑战。

CPU GPU解码

当终端收到视频数据后,需要对编码的数据进行解码,一般压缩比越大,解码就越费力。解码一般分为软解和硬解。

软解

软解就是用CPU跑解码程序来进行解码。这对CPU的要求特别高,多核多线程,对资源的消耗较大。如果视频码率较大,帧率较高例如达到60fps,软解不一定吃得消。暴力软解H.265编码的高码数4K,即使现在最好的CPU可能也会有卡顿。如果是软解8K,那差不多就等于看PPT。

可以尝试用Chrome软解这个8K视频
(其他浏览器可能看不到8K选项,因为Youtube所用的VP9是Google家的)

这个8K视频,我自己的电脑根本看不了。

硬解

硬解就是采用有集成专门解码电路的GPU进行解码。我们平时用的4K TV盒子都是采用专门的GPU进行硬解。但是现在能硬解8K的GPU特别特别少,而且还很贵(Nvida Turing几千刀)。硬解会掉帧,效果没有软解好。(搜索了一下4K硬解掉帧,发现很多吐槽小米4k TV掉帧的帖子)

HMDI 2.0 vs HDMI 2.1

解码后得到了4K 8K信号数据,接下来就是把信号传输到显示器上。记得几年前,连接显示器和笔记本还在用VGA数据线(带宽很小,而且不能传音频),后来渐渐地开始使用HDMI。没错,传输4K和8K我们也需要HDMI。

现在我们所在用的HDMI几乎都是HDMI 2.0,我们之前算出来60fps和10bit RGB色彩深度的4K需要15Gbps,所以HDMI2.0传输无压缩4K没有压力。但是对于8K就束手无策了。

所以在2017年的时候发布了HDMI2.1,将最高带宽提高到48Gbps,根据下面的表格可以知道,在Chroma Subsampling以及DSC(Display Stream Compression)之后最多可以传输10K 120fps的信号


但是2018年到现在只有极少数的电视配有HDMI 2.1接口,原因主要是缺少HDMI 2.1电缆(48Gpbs)的支持。直到2019年6月HDMI论坛才表示即将完成对第一个系列HDMI2.1兼容电缆的认证。

8K还有多远

至少现在来说现在8K没有网络支持,没有视频资源,没有硬件支持。

但相信明年日本奥运会后,8K的资源会越来越多,随着各种硬件的升级,说不一定将来8K将会成为我们生活中的标配。

还挺期待8K的,想看看是不是真的有身临其境的感觉。

Apple TV

最近在家想自己弄一套4K 家庭影院,需要一个4K的盒子来解析4K片源。

Apple TV 4K 硬解4K视频据说毫无压力。

买吗?当然买!买!买!

但是现在的Apple TV 4K已经出了好几年了,希望最近能赶紧发布新的!忍住!等新的版本。

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