2.1 超高清視頻技術概述
就單幀圖像來說，傳統高清圖像的像素密度約為200萬ppi，而4K超高清視頻的單幀像素密度在 800 萬 ppi 以上，相信使用過數碼相機的讀者可以很直觀地感受這種圖像質量差異。4K 超高清視頻的分辨率使人基本看不到像素點，能夠給用戶提供更加細膩的畫面效果。
由于 4K 超高清視頻有超高的分辨率，如果采用傳統的編碼方式（如H.264），會給系統帶來很大負擔，因此需要采用更高效的編碼方式，如H.265、VP9、AVS 2.0等。H.265和VP9分別在H.264和VP8的基礎上進行了改進，較適合4K超高清視頻（其中，VP9更多地應用于網絡視頻）。我國自主研發AVS 2.0標準是AVS+標準的升級版，也是一種面向4K超高清視頻的編碼標準。
4K 超高清電視（簡稱“4K 電視”）的文件存儲需要更高的帶寬與更大的容量，在同樣的編碼方式下，相對于高清電視，對存儲性能的要求提高了 4倍。因此，在設備選型上要更加重視帶寬與容量等技術指標。
廣播電視從標清發展到高清用了 10 年的時間，從設備使用壽命及更新換代的角度來說，這是比較合適的周期。而目前國內數字電視高清化的發展才剛剛開始，只有中央電視臺及十幾家省級電視臺的部分頻道完成了高清化改造，部分衛視及大量地面頻道仍然使用標清信號。因此，橫空出世的超高清視頻技術面臨著機遇與挑戰并存的局面，而在現階段，挑戰大于機遇。
毋庸置疑，4K 電視擁有 4 倍于 1080P 的分辨率，在圖像的精細度表現上確實有了很大程度的提升。4K 電視目前已經在中國市場中出現且日益成熟，雖然目前定位高端且價格昂貴，但隨著眾多國內電視廠商的加入及全產業鏈技術的更新迭代，4K 電視進入百姓生活的步伐也在加快。新產品的劣勢是高昂的價格，對剛開始進行高清化改造的各電視臺來說，要實現 4K 電視節目的播出，在技術和資金方面均需要承擔較大的壓力。
下面我們基于電視臺的實際情況，分析4K電視面臨的技術挑戰。
（1）傳輸方式。
目前，電視臺主要將電纜作為常用傳輸方式。以百通-1694電纜為例，標清SDI信號的傳輸碼率為270Mbps，傳輸距離一般不超過300m；高清SDI信號的傳輸碼率為 1.485Gbps，傳輸距離為 70～80m。而超高清 SDI 信號的傳輸碼率至少為 6Gbps，可見其對電纜質量的要求更高，在使用同樣線材的條件下，其傳輸距離更短。
在當前的設備和技術條件下，解決 4K 信號的傳輸問題有兩種可行方法，具體如下。
一是將一路4K信號拆分為4路高清SDI信號，然后在系統內并行傳輸，在編碼輸出之前，再將其合并成 4K 信號。這種方式比較成熟，但系統布線復雜，對現有系統資源的占用很大，相應的系統擴容工作量及資金投入量也是相當可觀的。
二是使用IP化技術傳輸，目前市面上的萬兆交換機越來越多，其傳輸速率完全可以滿足 4K 信號的傳輸需求。如果使用主流的千兆交換機，可以通過端口匯聚的方式提高傳輸速率，達到 4K 信號的傳輸要求，從而節省萬兆交換機的更新費用。隨著技術的進步，IP 流傳輸的穩定性越來越高，分辨率也從480P、720P逐漸邁向1080P，IPTV直播平臺就采用了IP化技術傳輸，目前運行狀況良好。IP化技術能夠使總控傳輸系統更加簡潔高效，IP化技術傳輸是未來的發展方向，但對傳統電視臺來說，需要新建一整套系統，系統建設工作量及資金投入量巨大。
（2）播出方式。
目前，電視臺所有頻道均采用服務器的文件化播出方式。一般來說，標清文件的碼率為 12Mbps，24 小時單頻道節目容量約為 126GB；高清文件的碼率為 50Mbps，24 小時單頻道節目容量約為 527GB；超高清文件占用的硬盤容量更大，約為高清文件的 4 倍，所以超高清節目的播出對服務器的讀寫速率及容量的要求更高。
2.1.1 超高清視頻技術標準
隨著高清電視在世界范圍內得到了相當程度的普及，觀眾對收視體驗提出了更高的要求，根據人的視覺特性，為了獲得更佳的臨場感和真實感，觀看電視的視角應更大，觀看距離應更短，這對視頻質量和顯示終端性能都提出了更高的要求。如果繼續采用高清電視1920×1080的像素結構，隨著觀看距離的縮短，圖像的顆粒感會越來越嚴重，這樣的畫質無法滿足觀眾對臨場感和真實感的要求。
為使觀眾獲得更加“浸潤式”的收視體驗，超高清電視（UHDTV）的研發被提上日程。ITU為廣播級超高清電視定義了UHDTV1和UHDTV2兩個層級。UHDTV1和UHDTV2都采用逐行掃描（Progressive Scanning，PS）方式，其幀率可以是 24fps、50fps、60fps 乃至 120fps。UHDTV1 的單幀像素數為 3840×2160（通常標識為 4K），UHDTV2 的單幀像素數為 7680×4320（通常標識為8K）。與目前1920×1080逐行掃描的高清電視相比，UHDTV1和UHDTV2的單幀信息傳輸量分別提高到4倍和16倍。如果采用120fps幀頻的UHDTV2，其單幀信息傳輸量接近每秒40億像素。
超高清電視信號的碼率遠高于高清電視信號，以4∶4∶4采樣為例，4K超高清電視信號的原始碼率約為 6Gbps，8K 超高清電視信號的原始碼率則約為24Gbps；以 4∶2∶2 采樣為例，4K 和 8K 超高清電視信號的原始碼率分別達到4Gbps和16Gbps。要傳輸碼率如此大的數據是相當困難的，因此需要采用高效率的視頻編碼技術對原始信號進行壓縮編碼。
H.265/HEVC （High Efficiency Video Coding）標準是 ITU-T VCEG 在H.264/AVC標準之后制定的最新視頻編碼標準。JCT-VC聯合工作組于2012年2月17日發布了第一版內部草稿——High Efficiency Video Coding （HEVC） Text Specification Draft 6。2013年年初，ITU正式批準通過了H.265/HEVC標準。截至2013年6月，JCT-VC聯合工作組已經召開了13次會議。博通等芯片廠商也在第一時間發布了支持 H.265/HEVC 標準的解碼芯片，這標志著新的編碼標準的產業化工作正在逐步推進。
H.265標準在H.264標準2～4倍的復雜度基礎上，將壓縮效率提升1倍以上。H.264標準可在低于1.5Mbps的傳輸帶寬下，實現1080P全高清視頻傳輸；H.265標準的進步更為明顯，可以利用1Mbps以下的傳輸帶寬傳輸1080P全高清視頻，并完美支持4K超高清視頻、8K超高清視頻的傳輸編碼需求。
2.1.2 超高清視頻技術應用現狀
目前，日本、美國及歐洲的相關企業和研究機構已經針對超高清視頻技術展開了一系列研究，并取得了一定的研究成果，超高清視頻技術的應用也在逐步推進中。
超高清內容制作相關技術的發展主要體現在超高清攝錄設備的研發上。在攝像機方面，目前主流的超高清攝像機采用 1.25 英寸的 CMOS 圖像傳感器，具有靈敏度高、功耗低的優點，能夠提供3300萬像素（8K）級別的拍攝畫質，并且支持60fps和120fps的高幀率，輸出格式包括ProRes格式、無壓縮視頻格式、RAW數據格式及HD-SDI格式、3G-SDI格式。
日立和 NHK 聯合研制的超高清攝像機采用 120Hz 全光譜超高清圖像傳感器，它將傳統攝像機60Hz的捕捉率提升到了120Hz，使得動態圖像更加連貫。雖然在靜態影像或緩慢場景下，這個差異并不明顯，但在拍攝快速運動的物體時，特別是在進行體育賽事直播及平移攝像機拍攝時，其優勢相當明顯。
目前很多電視臺采用網絡化送播方式，相關節目都會在主干平臺上進行傳輸。一般來說，一個高清文件在各節點中的直接傳輸速率為 15～40MB/s，而超高清文件要比高清文件大得多，如果提高傳輸速率會加大系統負擔，容易造成過載而導致系統崩潰；而如果不提速的話又會大大延長傳輸時間，甚至會導致視頻卡頓、丟幀，影響節目的正常播出。所以，勢必要對現有的主干系統進行擴容升級，以滿足超高清節目的播出需求。不過隨著技術的發展，現在十萬兆的光纖交換機已經面世了，相信其可以減輕超高清文件給系統帶來的負擔。
我國信源編碼技術相關標準的研究工作也在不斷推進。2012年，我國制定的首個面向高清應用的行業標準《廣播電視先進音視頻編解碼 第 1 部分：視頻》（AVS+標準）正式發布。隨后，AVS標準工作組在AVS+標準的基礎上，制定了性能翻倍的 AVS 2.0 標準，該標準更加注重編碼效率的提高和編碼復雜度的降低。AVS 2.0 標準在廣播電視與電影高清視頻編碼方面的性能已優于最新國際標準。2019年，我國完成了AVS 3.0標準基準檔次的制定工作，并已向國家標準化管理委員會申請立項，據現有的實驗數據，AVS 3.0 標準性能可超過AVS 2.0標準性能30%左右。
不過，與在傳統廣電領域中的情況不同，4K 超高清視頻技術在 IPTV、移動電視、網絡電視等新媒體行業中有著不錯的發展，技術應用也相對完善。日本已成功進行了基于IPTV網絡的4K超高清視頻節目傳輸，其基于ITU的IPTV IPv6 試驗床，將電視臺制作的 4K 超高清電視節目從新加坡傳輸至東京與菲律賓，接收點處的視頻碼率為 120Mbps。而在國內，天津網絡廣播電視臺也已經試驗過4K IPTV節目傳輸，其需要的網絡速率為50～135Mbps。而隨著H.265編碼技術的成熟，網絡帶寬需求將大大降低，也為 4K 超高清電視節目走入尋常百姓家提供了基礎條件。
在移動視頻領域，現在已有部分手機和平板電腦的分辨率達到 4K 級別，再加上 5G 傳輸技術及 H.265 編碼技術日趨成熟，在技術實現上并沒有太大的障礙。當然，高分辨率屏幕帶來的高耗電量及高速傳輸帶來的高流量資費會給移動領域4K超高清視頻的普及造成阻礙。
在網絡視頻領域，4K超高清視頻的發展前景也較好。例如，Amazon 2014年的所有原創劇都采用4K格式，Netflix和Sony也已推出了各自的4K服務。而國內的一些網絡視頻公司的某些視頻也已經支持 4K 格式，只要以后家用千兆寬帶能夠普及，在計算機上觀看4K超高清視頻也并不困難。
可以說，4K 超高清視頻技術在新媒體方面的應用已經超過了傳統媒體，在全媒體播出的背景下，對迫切想升級到全媒體播出方式的傳統媒體來說，這其實是一個很好的切入點，甚至可以說，4K 超高清視頻技術在新媒體上的運用能夠推動傳統媒體進行4K超高清化改造。
綜上所述，電視臺如果想要達到超高清電視節目播出的條件，就需要對現有播出系統的各環節進行升級改造，某些環節甚至需要重新建設，這樣的改造耗資巨大。而從目前電視臺的發展情況來看，國內許多電視臺才剛剛進入高清設備的換裝周期，有些電視臺動作快一些，已經完成了大部分工作，有些電視臺可能動作慢一點，完成了一部分或一小部分的設備換裝工作。考慮到成本問題，這些設備在短期內是不太可能會更換的，這會制約 4K 超高清視頻技術在短期內的快速應用。
2.1.3 超高清視頻技術前景分析
事實上，目前的高清信號已能夠基本滿足人們的收視需求，畫面的清晰度較標清信號有了顯著的提升。但是，就像從模擬信號走向數字信號、從標清信號走向高清信號的發展歷程一樣，人們的需求總會隨著科技的進步而不斷提高。隨著4K終端的普及，H.265/AVS 3.0編碼技術及HDMI傳輸技術已經能夠將4K信號甚至8K信號接入普通民眾的家庭，超高清信號源的需求量會越來越大。因此，在市場需求的驅動下，超高清電視節目的播出最終將會成為技術發展的一個方向。
以高水平畫質、高臨場感著稱的超高清視頻將為人們帶來視覺革命，隨之而來的產業鏈變革不僅可以讓整個電視行業（涉及電視機、機頂盒、編解碼芯片等）獲益，還可以為相關的軟件廠商、存儲廠商、互聯網服務提供商帶來商機。然而，超高清視頻技術的發展還面臨許多亟待解決的問題，如內容制作設備的更新換代、無損片源的存儲、視頻內容的無損壓縮、限定帶寬下的大數據內容分發、對觀眾感官系統的生理影響等。雖然超高清視頻業務進入千家萬戶還有很漫長的路要走，但隨著相關技術的逐步成熟及標準化工作的不斷完善，超高清視頻最終將為人們帶來全新的收視體驗。
中國超高清視頻的行業應用主要集中在安防監控、醫療健康、教育科研等領域。在安防監控領域，中國目前處于全球領先地位，一二線城市的地鐵、機場、高速公路、道路卡扣的超高清視頻改造已全面啟動，以超高清視頻為主的智慧天網正在形成。在醫療健康領域，海信在診斷顯示和會診顯示方面已有超高清產品問世，內窺超高清顯示技術儲備基本完成，其已在2018年推出商用產品。在教育科研領域，海爾推出基于 4K 超高清視頻的互動增強現實（AR）幼教專區，可提供更加生動的互動教學體驗。