4K技术在高校精品课程建设中的应用

时间：2024-05-04

王健　寇宏

摘要 4K技术具有高宽容度、高宽色域和高对比度优势，研究4K技术发展现状，分析4K技术在教育领域，特别是高校精品课程制作及视频作品创作中的效果。对比8种当前适用于高校的4K摄像机产品，分析5种非线性编辑软件，阐述4K制作前期准备及后期编辑工作，概括4K摄制中应注意的问题。将4K技术运用到高校新兴和有发展潜力的学科中，对促进高校“双一流”建设，缩短与国外的技术差距，增强学生的学习兴趣，打造优质精品课程，加快高校一流学科建设都具有重要意义。

关键词 4K技术；4K摄像机；4K摄制；精品课程建设

DOIDOI：10.11907/rjdk.181177

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）009016204

英文标题Application of 4K Technology in Colleges and Universities

--副标题

英文作者WANG Jian，KOU Hong

英文作者单位（School of Computer and Information Technology，Liaoning Normal University， Dalian 116081， China）

英文摘要Abstract：In order to enhance the interest of college students in learning，to create quality courses in colleges and universities and speed up the construction of firstclass disciplines in colleges and universities.，based on the characteristics of 4K with high latitude，high color gamut and high contrast，this paper studies the development of 4K technology at home and abroad，describes the preparation and postediting of 4K production and summarizes the attention problems in 4K production. Eight 4K video cameras currently available for colleges and universities are compared， and 5 nonlinear editing softwares are analyzed.The results show that 4K technology is applied in the field of education，especially in the production of excellent courses in colleges and universities and the creation of video works to achieve better results.The conclusion is that 4K technology should be applied to new and potential disciplines in colleges and universities to shorten the technological gap with foreign countries and promote the construction of "dual firstclass" colleges and universities，and it is hoped to provide a reference for the application of 4K technology in colleges and universities.

英文關键词Key Words：4K technology； 4K camera； 4K shooting；fine course construction

14K技术发展状况

2005年4K技术诞生，主要用于当时的好莱坞电影放映。2012年8月，美国消费电子产品协会公布“超高清”概念，即分辨率至少为3 840×2 160像素。随后，索尼将此技术命名为“4K超高清”。同年，国际电信联盟（ITU）发布了超高清的国际标准ITU-RBT.2020[1]，在该标准中，将超高清的空间特性分为3 840×2 160 和7 680×4 320两种级别，分别称为4K 和8K格式。

国外4K技术的研究及应用较早，欧美和日韩发展最为迅速。国外4K技术应用经历了3个阶段：①早期尝试阶段。在早期尝试阶段由于没有4K录像机，只能先将视音频信号用本机存储卡记录，后期再进行剪辑。4K技术在很多方面展现出优越性能，从4K画面中裁切出部分画面用于高清制作，不仅保证了画质还节省了机位与人力；②4K现场转播系统建立。2013年相关厂商发布了基于35mm全画幅摄影机的4K讯道摄像机系统，4K转播系统得以真正建立。这一时期主要是在不影响原有高清转播的前提下进行4K制作；③4K技术完整应用。德国、俄罗斯、马来西亚、印度等国进行了4K超高清卫星传输，日本、捷克、法国、英国、美国则进行了地面4K超高清传输。美国采用VP9和HEVC编码的4K串流技术实现互联网传输；波兰通过HbbTV混合广播技术传输4K信号，可同时传输广播和互联网数据。2014年后半年，我国实现了4K的EFP转播。2015年，国内多家电视机构进行多场4K转播实践[2]。2016年5月，华为启动 “4K影视技术人才养成计划”，培训4K技术人才。2015年12月，中国传媒大学开始建设1400m24K演播室。2016年10月18日，4K超高清演播室正式运行，意味着中国传媒大学开始正式启用亚洲第一个高校4K演播室，开启了高校4K研究及人才培养新时代[3]。

24K制作前期准备

4K技术在影视行业，以及专业、高端的应用领域，如教育领域得到应用。良好的教育环境离不开先进的教学手段和技术手段。4K最直观的优势是其超高清画质，拥有4倍于1080P的分辨率，带来前所未有的视觉体验。2018年1月15日，教育部宣布我国慕课数量居世界第一[4]。大规模开放性课程建设不仅对教育教学是一种变革，对录制课程工作也是前所未有的挑战。

精品课程制作使用4K技术，不仅能有2D状态的细致真实画面，还能显示原生态3D画面，从收音、布景、布光以及场记，都要有所调整。利用4K摄像机對教学活动进行拍摄时，应做好拍摄前的准备工作，有拍摄主题、策划方案等。

2.14K摄像机

目前主流的4K摄像机来自索尼、松下、JVC和佳能等传统厂商，其中以索尼产品最为丰富，专业级的有F65、F55、NEX系列等，还有手持设备如PXWZ150等。在标清和高清时代，摄像机的功能定位存在明显差异，主要分为电影级、广播级、专业级和家用级。随着电子技术的快速发展， 4K设备越来越趋于融合发展，其功能定位也逐渐模糊。电影级面向的是专业团队，家用级面向普通大众。面向创作团队、功能丰富、操作性强、性价比高的一类摄像机定义为“专业级”。表1为一些品牌专业级4K摄像机型号对比。

索尼PXWZ150手持式摄录一体机，采用最新研发的1英寸ExmorRS COMS成像器件，12倍光学变焦镜头，可提供卓越的4K图像质量。120fpsHFR全高清慢动作拍摄，能够进行不间断的高速画面录制，无需等待缓冲，能够用于高校教学中关键镜头的长时间高速画面记录，对于实验性质的教学拍摄场合非常适用[5]。

AU-EVA1摄像机是松下公司2017年开发的具有EF镜头口的紧凑型、重量轻的4K60p存储卡摄像机，采用5.7K、超35mm MOS传感器，可采集到4K、2K甚至720p信号，获得很高的图像质量。虽然其定位于电影制作，但是价格适中，可用于高校教学。其配有移动手柄，除可用于高速的手持拍摄外，还可安装在无人机、稳定器或摇臂上进行更复杂的摄像工作。与同类产品或技术相比，其具有独有的双原生ISO 800/3200，电子图像稳定系统E.I.S，可拍摄红外视频[6]。

JVC的GY-HM200是一款内置12倍超高清镜头和1/2.3英寸CMOS传感器的4K超高清摄录机，它可以50Mbps速率录制4∶2∶2的60p视频，最大亮点是可记录标清到超高清的各种格式文件，配有先进的IP网络通信，采用经济实惠的存储卡进行记录[7]。

UHK-430是池上最新推出的4K摄像机系统，具有高画质、高可靠性和低功耗特点，采用3片2/3英寸真4K分辨率的CMOS传感器，标准B4镜头卡口，可拍摄出宽动态和高对比度画面。用户可根据自身需要选择适合的光学模块，可对聚焦辅助区域的大小、颜色、轮廓颜色进行调整。与当前国内外同类产品或技术相比，摄像机机头与CCU之间实现了非压缩4K信号传输（40Gbp），画面质量优于其它采用压缩信号的4K摄像机[8]。

佳能EOS C300配置了自行开发的Super 35mm规格、约885万有效像素的大型CMOS传感器，实现了高画质影像。EOS C300的EF卡口可充分利用包括鱼眼、移轴等特殊效果镜头在内的超过70款EF镜头，完成丰富多彩的影像表现。可拍摄最高ISO102400、增益54dB的超高感光度。采用模块化设计，组装快捷方便，可扩展，在众多领域具有优势。采用与佳能XF系列专业级摄像机相同的XF编解码器，生成出色的高品质图像，使数字文件满足大多数后期制作要求[9]。

Black magic URSA Mini Pro 4.6K摄像机采用Super 35mm传感器，可选用EF或PL镜头卡口，还配备广播级视频传感器的B4卡口版本，记录介质采用CFast 2.0，可在机内以 Apple Pro Res 或Cinema DNG RAW 格式记录UHD/HD，拍摄分辨率最高 3840×2160。其特点是价格便宜，机内记录功能强大，后期制作方便。缺点是太大太重且存储介质只有一种[10]。

FT-ONE-LS-12G是中朋荣推出的4K可变帧频摄像机，支持4K高速拍摄且机身小巧轻便，采用机头与基站分离式设计，可在4K与HD两种分辨率下工作，支持最新的12G-SDI接口，支持4K50P格式下的10 倍速循环录制模式，接线简洁方便，可扛肩使用，回访时可捕捉新的慢动作视频，慢动作面板具有多个自定义按键，使用方便[11]。

ALEXA SXT是阿莱（ARRI）公司推出的能更新升级的4K摄像机，可在机内录制ProRes 4K Cine（4 096×2 637像素）和ProRes 4K UHD（3 840×2 160像素）格式，采用自主研发的ALEXA 65摄影机的电子系统以及独特的片门全开、4∶3与16∶9影像传感器模式，能够以ARRIRAW或ProRes格式录制。为简化现场工作流程，ALEXA SXT分别提供了3组HD-SDI输出。ARRI ALEXA的优势在于能将最优秀的整体画质与最高效的现场/后期工作流程结合得天衣无缝[12]。

2.2制作流程

4K制作一般采用两种方式。

（1）普通质量制作的4K XAVC编码格式。这种制作方法采用压缩视频文件，可在硬件要求低的环境中使用。前期选取XAVC压缩编码的4K摄像机进行拍摄记录，后期使用非编软件直接对XAVC格式视频进行剪辑。如果需要精细制作，可使用后期编辑软件进行处理，然后渲染出视频文件。

（2）高质量制作的4K RAW+蓝光方式。它追求的是高清晰度的画面质量，前期拍摄采用的记录方式是4K RAW格式，形成高低码流两种素材，即MPEG2和4K RAW。后期编辑时，粗略剪辑采用MPEG2压缩文件完成，特效与校色采用RAW格式完成，然后将所有素材进行组合输出高质量的视频文件[13]。

2.3存储设备

4K技术对感光度要求很高，因此占用存储空间大。从拍摄初期到结束，如果没有充足的存储设备，拍摄人员就要谨慎地对教学活动进行录制。现有4K摄像机既有机内直接拍摄存储，也有外接记录存储，两种方式各有利

弊，应根据实际情况进行选择。

2.4显示设备

通常将其称为4K监视器。专业监视器会内置一组高精度工具，包括波形示波器、RGB分量示波器、矢量示波器和直方图等，以便准确衡量信号质量。监视器不仅用于现场制作监看，后期制作和调色环节也必不可少。

2.5资金方面

使用4K摄像机进行教学活动是为了让学生有更好的学习体验，但要做好资金预算。

34K后期编辑制作

4K后期的视频编辑制作是优质精品视频课程不可或缺的环节。结合美术、动画等高科技展现技术进行后期制作，让教学者的思想精髓通过清晰的视频结构、色彩和排列变得生动精彩，使学习体验得到质的飞跃。4K后期编辑制作主要依赖非线性编辑系统。非线性编辑系统由硬件和软件两部分组成。

一套完备的非线性编辑硬件通常由计算机平台、视音频传输接口卡、媒体驱动器、视音频监视器构成[14]。计算机平台是硬件部分的核心，计算机平台有基于Macintosh机的系统、基于PC机的系统和基于SGI工作站的系统。

录制的4K视音频信号传输到计算机平台需要一个视音频传输接口卡，它有两类：一类是有硬件加速功能的，如Edius SP for HDV、MATROX RT.X2等；另一类无硬件加速功能，如1394、SDI接口卡。视频的采集与输出需要媒体驱动器，随着技术进步，其种类越来越多，由最初的以磁带、光盘存储介质的播放机发展到以P2卡、蓝光盘、硬盘为存储介质的4K摄录一体机，表1中索尼PXW-Z150手持式摄录一体机就是以硬盘为存储介质。视音频监视器主要用来监视和监听音视频信号，能够反映出缺陷以及细微变化。当前4K监视器种类繁多，较有影响力的有索尼PVM-X300 4K专业监视器、Blackmagic Video Assist 4K监视器、佳能DP-V3010 4K监视器、松下BT-4LH310 4K监视器等。后期剪辑设备还有一些附属小型设备，如监听耳机、连接线、操作台等。

后期编辑软件很多，功能特点各不相同，表2是几种常见的非线性编辑软件比较。

后期编辑制作完成之后要输出，4K视频图像对于存储介质要求比较严苛，由于生成的4K视频是高清视频的4倍码率，加上各种复杂的特效以及多层编辑，使存储带宽需求数倍增长。互联网的发展，可将输出的4K视频直接上传到云平台，但是需要用很高的带宽进行上传下载，对传统网络接口提出挑战；也可将其存入SSD设备，当前SSD设备的读写性能可满足4K 制作需求，但SSD设备价格昂贵，容量固定；也可转化成HD蓝光盘进行存储，还可转化成安卓/ISO系统的尺寸码流，可在线观看。总之，存储方式要根据实际情况选择。

44K摄制注意事项

4.1监视器

4K监视器可真实还原色彩，具有高对比度、高分辨率特性。具有4K分辨率的监视器能进行非常精细的调整，如实显示色彩与层次。以往监视器亮度可能会随着视频信号平均亮度的增加而减弱，4K监视器可以有效避免该问题，在后期制作时可用于调色和视觉效果，同时方便在拍摄现场确认图像。目前4K显示器尺寸都比较大，所以最好选择带有可调整支架的产品。

4.2伽马曲线

所谓伽马曲线，就是一个“成像物件”对入射光线作出 “反应”而获得的曲线，我们眼睛就是“成像物件”，它的伽马曲线不是一条直线，使人眼对光线呈非线性反应。但是摄像机中的CMOS影像感应器成像方式是通过硅感光成像，是一种物理成像方式，摄像机对光线是呈线性的。因此，摄像机的伽马与人眼的伽马就冲突了。摄像机要对所获得的线性感光信息进行调整，CMOS影像感应器在拍摄视频后会输出RGB信息，这种RGB信息是直线信号，经过摄像机内部的“伽马调整模块”将其调为非线性信息，然后输出。这是摄像机调整伽马曲线的过程，是摄像机必须经过的一个步骤。4K摄像机允许手动调整伽马曲线，可拥有1600%的宽广动态效果，不仅可以维持与伽马曲线的连续性，还能实现色阶平滑并且抑制曝光过度。因此，在使用4K摄像机时要详细调整其伽马曲线，得到更真实、标准的影像。

4.3记录媒介

4K高分辨率已成为后期制作的主流，其优势不言而喻，但对存储介质、容量以及稳定性要求也达到前所未有的高度。目前最流行的存储介质是基于闪存（Nand flash）的，如CF卡、SD卡、SDHC卡、MMC卡、SM卡、xD卡、SSD固态硬盘等。但对于4K高分辨率视频来说，这些存储介质都显得容量较小。256G的SD卡录制时间对比见表3。

因此，要选取适当的存储记录媒介对4K视频进行记录。目前Blackmagic记录4K分辨率采用其独特的UHS-II卡进行记录，避免使用如XDCAM、P2以及SSD等昂贵的存储方案。UHS-II卡能够全面兼容常规SD卡槽，而AJA则采用Pak SSD作为存储介质，可提供多种容量，其中Pak 1000具有1TB容量，且AJA Pak 1000 SSD存储介质可实现UHD 60p和4K 60p的苹果HD记录，在图像质量和文件大小之间寻找更好的平衡点。

4.4拾音与录制

声音内容及质量至关重要，要根据指向性、构造、位置等特性选取合适的话筒。不管是内景还是外景拍摄，都要先录一段空音，因为特定的环境有特定的声音。拾取声音要尽量靠近發声体，声画景别要一致且尽可能避免话外声干扰。在录制声音时要监听音乐，确保最佳品质[15]。

5结语

4K技术的广泛应用以及后期编辑制作的系统化，为4K技术在高校的应用奠定了基础。高校对精品课程的4K制作除了要考虑资金、设备等因素外，还要综合考虑后期编辑制作的需要。如果高校拥有自己的数据管理团队和后期剪辑调色团队，采用4K RAW方式无疑是高质量制作最佳方案。4K超高清将会越来越多地融入校园生活的方方面面，带来更好的应用体验。

将4K超高清技术应用到有发展潜力的学科中，特别是应用在一些核心课程的关键和重要内容上，达到“好钢用在刀刃上”的目的，能有效促进高校“双一流”建设，在某些方面取得突破性进展。

参考文献参考文献：

[1]杨言.4K转播系统技术与应用探讨[J].现代电视技术，2017（2）：7678.

[2]孙海云.4K技术漫谈[J].有线电视技术，2017（1）：2528.

[3]广播与电视技术编辑部.索尼承建中国传媒大学1400平米4K演播室顺利通过验收[J].广播与电视技术，2016，43（11）：129130.

[4]教育部办公厅.教育部办公厅关于公布2017年国家精品在线开放课程认定结果的通知[EB/OL].http：//www.moe.edu.cn

[5]现代电视技术编辑部.索尼推出全新专业4K手持式摄录一体机PXWZ150[J].现代电视技术，2016（4）：149150.

[6]影视制作编辑部.松下AUEVA1摄像机首次全球真机亮相[J].影视制作，2017，23（9）：9596.

[7]广播与电视技术编辑部.JVC正式发布三款4K超高清专业摄像机[J].广播与电视技术，2015，42（4）：132133.

[8]現代电视技术编辑部.BIRTV 2017产品、技术及应用项目评选活动评出34项获奖项目[J].现代电视技术，2017（8）：156157.

[9]数码影像时代编辑部.佳能EOS C300 MARKII测评变革[J].数码影像时代，2015（9）：9295.

[10]数码影像时代编辑部.Blackmagic Design发布URSA Mini Pro 4.6K摄影机[J].数码影像时代，2017（3）：1819.