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8K入户带动信息与智能产业集群升级

[中国,上海,2021年8月24日] 中国的视频技术从跟随、追赶、到8K时代的赶超彰显了我国媒体人及科技工作者建设科技强国,实现高水平科技自立自强的追求。8K技术不断完善,5G及光纤网络带宽不断提高,8K入户的时机已经到来。以规模化商用为牵引,促进全产业链中包括拍摄、制作、压缩、传输、解码、及显示等领域的各项核心技术和标准的完善及产业集群的发展,并驱动各类沉浸式技术的升级与创新。

一 8K技术带来全方位的视频体验升级

2012年ITU首次定义了8K UHD的分辨率7680x4340,近年来产业界不断在完善关于8K的定义和标准,相比传统高清,8K超高清不仅是分辨率的提升,而且在如下三个维度极大地提升了用户体验:

✔ 更丰富的细节:8K超高清相比FHD高清分辨率提升16倍,极大地扩展了画面视场,也提升了画面细节;同时120Hz高帧率相比传统的30Hz提升4倍,远超普通电影24帧的流畅性,达到甚至超过人眼视觉的时域分辨能力。

✔ 更绚烂的色彩:8K相关标准可以支持高达12bit的色深,目前产业应用以10位色深为主,结合动态HDR Vivid标准及BT.2020色域,已经可以极大地提升了宽动态、广色域的表达范围。相对传统的8bit色深及SDR动态范围,不仅能够提升72%的色域覆盖,高达40倍的亮度,而且黑的更黑,亮的更亮。

✔ 更逼真的体验:在正常使用场景下,8K的2D显示已经达到或超过人眼的60分之一度的分辨率极限,不仅消除了视觉上的颗粒感,而且层次丰富,光线渐变自然,极大地提升了使用者的沉浸感。8K所需的超强视频处理能力还可以应用在3D AR/VR等创新技术上,成为使能下一代显示和交互方式的基础能力。与此同时,8K在视觉上的沉浸式体验与三维声能够完美结合,为观众提供更加身临其境的视听盛宴。

8K追求极致,忠实记录和描绘细节,为观众突破时空重现临场体验,可以在重要事件直播、精彩节目点播、家庭巨幕观影、沉浸式游戏等诸多场景为消费者带来宛如亲临现场的极致体验,在记录、传播、娱乐等多个方面都具备巨大的社会和商业价值。

二 以8K入户为牵引,完善标准体系,打造全球领先的高端产业集群

中国在4K领域曾经快速追赶世界领先水平,而近年来我们已经逐渐在8K领域走到了世界的前列,代表着媒体人建设科技强国,实现高水平科技自立自强的追求。2021年初,以央视8K超高清频道试播和8K春晚在10个城市的30多张大屏同步直播为标志,8K直播入户正式进入加速期。5月7日,央视总台8K超高清电视公共服务平台建设在京启动。以建党百年活动以及2022冬奥会为牵引,预计到年底将实现百城千屏,百万入户的规模部署,8K直播成为重要事件传播的标准配置,为上千万的观众带来震撼临场体验。

8K带来了更详尽的数据、更直观的视听享受,天然与5G和AI等技术形成了正循环互相激励,8K成为5G与AI在行业落地产生价值的最重要应用场景之一。8K超高清的技术进步,受益的不仅仅是媒体行业,在中国信通院的《中国5G发展和经济社会影响白皮书》中指出:“2021-2022年,预计基于超高清视频的直播与监控、智能识别等5G应用将率先落地,例如4K/8K超高清直播、高清视频安防监控、基于机器视觉的5G质量检测、5G远程实时会诊、移动执法等”。央视总台以“5G+4K/8K+AI”为牵引,推动年底8K进入家庭,必然将带动信息和智能领域高速成长成为全球领先的产业集群。

未来的竞争是技术的竞争,更是标准的竞争。要打造全球领先的高端信息和智能产业集群,必须特别注意在8K视音频领域行业标准上掌握主动权,实现自立自强。令人欣喜的是,近年来我国在8K多个领域的核心标准方面已经取得诸多全球领先的成果,并且标准与产业互相促进,形成良性循环。

我国主导的AVS3HDR Vivid、ChinaDRM等核心标准已经基本完善并走在了世界前列。其中AVS3是与MPEG最新一代H.266/VVC标准同代际的视频压缩标准,压缩率相当,并且以其专利政策友好而受到产业的欢迎;HDR Vivid是全球领先的动态HDR标准,其亮度适配、视觉体验达国际水平,相关测试认证标准也近完成;ChinaDRM技术标准体系已成为行业标准,核心专利自主可控,大幅降低了部署门槛。在标准完善的同时,海思的8K系列芯片已经率先支持AVS3、HDR Vivid和ChinaDRM,并支撑了央视总台等重要8K产业活动。

其他8K相关的重要标准也已经在制定中,例如三维声音频标准、AVS VR和自由视角相关标准、新一代的高速多媒体接口、8K大屏的P2P接口等。

同时8K在部分场景下部署所需的标准还需要进一步制定。例如与8K视频在地面及有线广播的传输标准,目前在全球仍是空白。传统的单个6/7/8MHz物理频道已无法承载高画质8K视频上百兆的码流,必须使用多频道聚合技术(channel bonding)或MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术。2020年,海思与江苏有线合作,基于海思芯片验证了全频捕获(full band capture)调制解调技术的解决方案,即通过使用多个物理频道的聚合来传输8K视频,但是相关技术亟待标准化。

随着产业化进程的推进,在更多的细分领域将呼唤新的细分标准。依托产业规模和完整性的优势,我国应尽早研发相关细分标准,不仅能够使我国相关技术占据创新先机,而且能够将相关标准推向国际,扩大我国技术的国际影响力。

三 8K入户端到端产业链分析

纵观8K完整端到端的信号流程:内容制作、传送、入户,到终端的解码呈现,结合近期的产业实践可以认为我国已经初步具备了8K入户的基础条件,但是也有一些方面需要补足或增强。

丰富而优质的8K内容是牵动产业发展的龙头,加快8K内容的供给侧改革是加速8K产业发展的重中之重,特别是普及面向专业、准专业到消费类各档次的8K+AI内容生产设备。

在高端专业8K内容生产方面:需要满足至少8KP60以及高画质要求,然而目前的8KP60摄像机仍以进口高端电影摄像机为主,这些设备价格从数十万到数百万元不等,普及门槛较高。同时,这些设备不包含高压缩率视频压缩部件,不便于8K远程直播等场景。

在准专业8K内容生产方面,目前已有视觉科技、博冠、创维等企业开发了基于海思8K+AI高端摄像芯片的国产小型化8KP30的拍摄设备,价格在万元级别。其中,视觉科技的Z CAM摄像机已成功应用于2021年央视春晚的自由视角及好莱坞大片的拍摄中,这些摄像机在一些对灵活性要求较高的拍摄场景可以替代进口高端设备,也更容易实现规模部署。产业链需要以此为基础进一步推动8KP60的国产高端摄像机方案,并填补广电直播8K产业链空白。

在更为广泛的个人8K内容生产方面,目前部分旗舰手机已经具备了8KP24的拍摄能力,预计2021年起会有更多的手机、VLOG、相机等个人拍摄设备开始支持8K。

除了8K视频拍摄设备,利用基于AI的超分技术将存量经典低分辨率视频增强到8K,也是丰富8K内容的一个重要手段。超分技术的应用可分为2种模式,即视频制作端超分模式及终端超分模式,前者在制作端实施超分,其优点是算力大、效果好,缺点是数据量大,需较大传输带宽;后者在终端侧实施超分,优点是传输带宽小、实时性强、应用场景多,缺点是图像效果可能不如前者。海思的8K+AI显示芯片提供了终端侧AI超分的算法,可将低分辨率内容直接超分到8K,直接驱动8K屏显。在8K推广的初级阶段,综合推广多种8K超分技术能让消费者尽快体验到8K技术的震撼效果,推动产业链正循环。

高质量传输是8K内容从局端到用户侧的桥梁,是8K端到端部署的重要环节。根据央视总台对8K超高清电视节目的制播要求,对直播和录播场景,使用120Mbps 的AVS3 TS码流,对互动点播业务,则需要转码为80Mbps的MP4。得益于我国领先的新型基础设施建设,无论是基于IP网络还是广电网络的8K传输,我们都已经具备的丰富的实践和成功经验。

基于IP网络的方案是目前最主流的8K传输方案。根据中国电信的研究,满足8K码流传输的典型QoS是:180Mbps带宽、20ms时延,0.01%的误码率。在2021年春晚直播中,120Mbps的8K AVS3码流从央视大厅通过IP网络传输距离数千公里抵达10个城市,地域上覆盖了一半的中国,首次成功验证了8K 码流通过IP网络长距离传输的可行性。

2021春晚直播-8K码流通过IP网络传输

图1 基于IP传输网络的8K直播组网

广电有线电视网络是广电系统的重要资产,但每频点的容量不足以承载一路8K码流。江苏有线与海思联合首创了基于广电网络的多频点8K传输方案,并在2020年11月中超决赛8K直播中成功得到验证。该方案基于海思提出的频道聚合传输协议,将8K码流分拆成多条子码流并经256QAM调制后通过HFC网络的多个频点进行传输,然后在接收侧进行多频点解调并重组码流,不做大的网改就能通过广电网络进行8K直播。

2020中超决赛直播-基于广电网络的多频点8K传输

图2 基于广电网络的多频点8K直播组网

全场景全介质高性能的宽带接入,是8K内容传送的最后一跳。我国拥有全球领先的FTTH接入网,以及全球规模最大、性能领先的5G网络,为8K入户部署提供了坚实的保障。

经过十三五以来大规模的建设,2020年底我国三大运营商固定互联网宽带接入用户总数达4.84亿户,其中光纤接入户数已达4.54亿,占比提升到94%,远高于全球67%的平均水平。并且其中90%的光纤接入带宽速率已在百兆以上,这意味着这些用户已经可以,或者经过简单的配置升级就可以支持8K百兆码流入户。与此同时运营商积极响应国家的号召提速降费,5年来单位带宽的资费下降了95%,为8K入户打好了基础。

由于户外大屏的安装场景和条件各异,5G是有线接入有效的补充。2020年底我国已经建设了71.8万5G基站,建成了全球最大5G网络。根据2020年信通院对10大城市重点路段的测试,5G下载速度均超过600Mbps,上传速度也大部分超过100Mbps,足以满足户外大屏8K直播的要求。后续我们应该继续努力通过超级上行等技术来增加5G的上行带宽,更好的满足8K直播视频回传场景的大带宽需求。

8K的价值最终要体现在革命性的体验上,而8K产业链也不可能一蹴而就,需要在终端侧推进新技术、落实新标准、催生新应用,为消费者带来极致的8K体验。

首先是极致的画质体验。要让消费者体验到8K与FHD与4K的差异,终端不能仅仅满足分辨率的提升,避免陷入同质化和价格比拼,要进一步从技术和体验入手做出差异化竞争力,例如支持更高帧率和MEMC技术以适配各种高速和运动场景;支持最新的HDR Vivid标准,为消费者带来更丰富的色彩和明暗宽容度;适配ChinaDRM,引入更多有版权的优质内容;通过端侧AI激活传统内容超分升级等等。

其次是极致的3D音频体验。在部分高端智慧大屏上已经支持自适应多用户分区、分场声场技术,即针对用户坐在屏幕前方不同位置,自适应优化声音传播,获取更好的临场体验。而在AR/VR等场景,三维声技术还能够自动跟踪用户头部的摆动,将声音和视频同步进行3D渲染,提供更好的临场体验的同时,降低用户的眩晕感。

四 8K+AI驱动沉浸式体验创新

8K终端强大的音视频解码能力为媒体人带来了更多的创新机遇。例如视频直播或点播过程中的多视角随心切换,非常适合类似体育比赛、音乐会、重要事件、大会典礼等场景。多视角技术给消费者带来了新的体验,能够选择跟踪自己喜欢的球员、音乐家,同时也给运营方带来商业模式的创新,允许消费者通过适度的付费感受与别人完全不同的个性化定制化的服务。

8K多视角赛事直播带来创新性体验

图3 多视角业务示意

XR是VR虚拟现实/AR增强现实/MR混合现实的统称,它利用创新的显示和交互方式将虚拟与显示融合,可广泛应用于游戏、在线教育、SOHO办公等多种场景。8K是2D显示维度最为极致的体验,同时它也是使能高品质3D XR的起步能力,因为根据分析,只有高达8K120Hz的强大处理能力,才能为3D XR提供无纱窗效应的高品质体验。

在2021年CCBN期间,海思Hi3796CV300芯片获得了“产品创新杰出奖”,这是业界唯一支持8K 120Hz解码能力的旗舰芯片,并且完整支持AVS3、HDR、Vivid、ChinaDRM标准,在MEMC、超分等技术上也完全适配到了8K规格,是业界最能充分体现8K高画质体验的芯片平台。同时这颗芯片还具备算力高达4TOPS的NPU,可以帮助开发者使能诸如AI超分、AI交互、个性化服务等创新功能。8K+AI的强大能力让这颗芯片成为使能高品质AR/VR的理想平台。

五 Together Amazing,合作共赢

5月28日习近平总书记在两院院士大会上强调:把科技自立自强作为国家发展的战略支撑,并特别指出:加强原创性、引领性科技攻关,坚决打赢关键核心技术攻坚战。加快构建龙头企业牵头、高校院所支撑、各创新主体相互协同的创新联合体,发展高效强大的共性技术供给体系,提高科技成果转移转化成效。海思的愿景是使能万物互联的智能终端,筑就智能时代的半导体基石。在国家部委的领导下,海思将与行管机构、高校和研究院所、标准组织等充分合作,服务于广泛的开发者、创新者,共同在视音频技术、AI技术、显示交互技术、终端和应用等多个领域探索突破,以硬科技打造全球领先的8K高端产业集群,让8K超高清成为5G和高铁一样的中国名片。