关于分辨率、4k、色域色深、HDR

解释4k技术,首先需要了解几个概念:

分辨率

分辨率,可以从显示分辨率与图像分辨率两个方向来分类。

显示分辨率

显示分辨率(屏幕分辨率)是屏幕图像的精密度,是指显示器所能显示的像素有多少。例如800×600的分辨率,是指在整个屏幕上水平显示800个像素,垂直显示600个像素。

显然,分辨率越高,显示屏可显示的像素就越多,图像就越清晰。

图像分辨率

图像分辨率指图像中存储的信息量,是每英寸图像内有多少个像素点,分辨率的单位为PPI(Pixels Per Inch),通常叫做像素每英寸,图像分辨率的表达方式也为“水平像素数×垂直像素数”。

图像分辨率和显示分辨率不匹配?

显示器内部有一颗重要的集成电路叫Scaler IC,是专门用来处理当图像分辨率与显示器分辨率不同时的显示方式的。为便于理解,以具体例子来做说明。

如果图像分辨率小于显示器分辨率,如果仍以1:1显示,即一个像素对应一个像素,那屏幕就不会满屏。比如显卡输入640x480,而显示器为1280x1024,就会看到显示器左上角640x480的区块有清晰的图像,而其它剩余区域都是黑色的。为了实现满屏,就要实现图像的缩放(Scaling),做法就是要给画面补足像素,水平方向640个像素须补足到1280个像素,垂直方向480个像素要补足到1024个像素,插入像素的插值算法取决于Scaler IC。

当图像的分辨率大于显示器时,则相反,不是补足而是要减少像素个数,这时图片的像素会被压缩,画面细节受到损失,细节分辨不清。例如用数码相机的屏幕也可以看到完整的照片,不过感觉很模糊,放在电脑上看就好多了,因为屏幕的分辨率低。

4K技术

4k技术通常指4K分辨率,即指水平方向每行像素值达到或者接近4096个,多数情况下特指4096*2160分辨率。我们通常说的2K分辨率为2048×1080,1080P的分辨率为1920×1080。

广义上来说,4K是一个完整的产业链,它至少包括了内容制作方、编解码标准制定方、宽带网络运营商、芯片解决方案商、终端配件生产商、终端商和屏幕厂商等,我们平时接触的狭义概念都是广义概念的一部分。

一下有几个概念:

4k摄像机

4K视频都是用4K摄像机拍摄的。4K摄像机内部有很多的感光器件,类似于数码相机里的感光元件,这些感光器件以一个矩形的样子排布,也就是在水平方向的每一行排列了3840个感光器件,一共有2160个这样的行,那么这个矩形上一共有 3840 * 2160 = 8294400 个感光器件。

为了拍摄成4K的效果,摄像师使用过去的高清摄像器材是不行的,需要使用更为专业的4K摄像器材,价格比较昂贵,而且拍一场4K的直播在其他方面的开销也是很多的,这也是为什么当前4K视频不多的原因之一。

4k片源

分辨率达到40962160的视频,一张未压缩过的4k图片大小约为409621603=26.54Mb,一个2小时的24帧/s的视频大小为:24(帧)120(分钟)60(秒)50(MB)=8640000(MB)≈8.24(TB),但视频中帧之间的变化较小,通常会压缩,一部正常的4k电影大小为60G以上。

4k传输

由于4k视频比较大,因此传输起来也是非常消耗带宽的,这里引用一个数据:
upload successful

4k播放器

播放器是用来视频解码的,解码分为软解码和硬解码:

硬件解码是图形芯片厂家提出的用 GPU 资源解码视频流的方案。与之相对的是软解,也就是传统的用 CPU 承担解码工作的方案。

现在主流的电视盒子都支持4k解码。

4k显示器

4K显示器是指具备4K分辨率的显示器设备,分辨率有3840x2160和4096×2160像素2种超高分辨率规格。

目前,受成本及应用环境等因素制约,4K显示器的普及度并不高。这里的成本主要是面板的成本,在同样尺寸的液晶面板上增加像素点,就意味着坏点产生几率增加。同时,超高的分辨率对显卡提出了更高的要求,要在4K分辨率下进行娱乐应用体验,还需购置高端显卡,这增加了用户的负担。

帧率

一秒钟的视频看起来是连续的,其实是由几十张图片构成的。这几十张图片按照先后顺序连续播放便形成了视频的效果。这些图片在视频技术里就叫做”帧”。

一般而言,如果一秒钟的视频帧率低于20帧,这段视频看上去就比较卡。要保持比较流畅的效果,帧率需要保持至少在25帧以上,此时人眼才感觉不出卡顿。对于4K视频而言,帧率有30有50也有60的。从观看效果来看,肯定是帧率60的看起来最流畅了。不过用60的帧率,视频的码率也会大一些,占用的带宽也大一些。

例如:在《比利·林恩》的宣传阶段,制片人等主创就强调影片120帧/4K/3D的制式能够给观众带来“极度清晰和真实的新视界”以及“全然实境的新体验”。

色域和色深

色域是指能显示的颜色的范围,色深是颜色的表示精度。

色域

我们知道,自然界的光谱带很宽,但我们人眼能看到的只有很窄的一段频率的光,我们管这些频率的光叫可见光,下图是人眼可以感知的色彩范围:

upload successful

色域代表了显示器的色彩表现能力,色域越广的显示器色彩越丰富,表现出来的色彩就越接近真实世界和人眼的极限值,会给我们“更生动、更逼真”的感觉!

然而,显示器并没有这么大的空间,和人眼相比,显示器能够显示的色域更小。为了管理不同的计算机上的显示效果,为了得到统一的现实效果,业界制定了sRGB,NTSC,Adobe RGB等色彩管理标准。

upload successful

由于计算机很难显示全色域,所以很多显示器的宣传都是45% NTSC、72% NTSC以及100% sRGB,或者直接模糊的宣传“广色域”

色深

色深可以理解为如果将一定范围内的色域划分为N份,N用多少比特可以表示。

比如8位(bit)指的是一种基色可以有2的8次方(256)种等级,10bit就表示一种基色可以分为2的10次方(1024)种等级。把三基色能表示的色等级乘起来,就是能表示的色数,比如色深是12bit,也就是红绿蓝三种基色各有2的12次方(4096)种灰度等级,连乘起来就 是4096的3次方,也就是687亿色。

显示器的色深(或色阶)越高,色彩之间过渡会越平滑细腻,色深不够就会显得生硬,甚至会产生阶梯感。

HDR

HDR是High Dynamic Range Imaging,简称HDRI或HDR,它将每个曝光瞬间相对应最佳细节的LDR图像(Low-Dynamic Range,低动态范围)合成为最终的HDR图像;通俗来说,就是将同一个画面进行多次曝光,再合成为一张图像。

例如:iphone的HDR开启后会连拍三张照片,分别对应欠曝光、正常曝光和过度曝光,然后把这三张图片合到一块并且突出每张照片最好的部分从而生成一张高质量的照片。

屏幕也有HDR概念,屏幕支持HDR,就是能尽量地显示更高的亮度,也能处理好更暗的暗度。图片和电视屏只要有一个不支持HDR技术,另外一个都无法发挥HDR优势。

对于电视机屏来说,支持HDR技术就意味着这块电视机屏幕能显示出+5档次到-5档次甚至更高区间的亮度与暗度。

电视机屏支持的明暗度范围最好是大于图片的明暗度范围。如果你的图片明暗度在+10到-10的档次区间,但是你电视机屏明度只支持+5到-5档次区间,那么对于图片的+10到+5档次区间明暗度和-5到-10档次区间的明暗度,电视机屏可能就显示不出来。

参考:

  1. 图片分辨率和屏幕分辨率不一致将如何显示? https://zhuanlan.zhihu.com/p/48206226
  2. 4K概念介绍——4K分辨率篇 https://zhuanlan.zhihu.com/p/49181772