4K,准备好了吗?

在谈到4K之前，首先需要明确一个重要法则，即：一切视听产品都是服务于人的视听，要提供人能够察觉的服务。

HD高清繁华未尽，现在似乎就已面临被取代的命运。彩色电视被高清电视取代用了50年，而第一个高清电视广播从1998年出现至今，仅仅15年时间。目前，美国高清电视的市场占有率大概为75%左右，在很多国家和地区HD尚未完成普及，但4K已经来了。

为什么要压缩？

图像和视频的基本素材各有不同。35毫米胶片记录的是整幅图像，但数字化之后则需要把图像分割为很多像素。通过下面一组公式可以计算出图像和视频的像素数及文件大小。

图像总像素数计算公式：P=H×V

照片文件大小计算公式：S=H×V×B/8

视频数据率计算公式：D = （H/k1）×（V/k2）×R×B/k3

视频文件大小计算公式：Sv= （H/k1）×（V/k2）×R×B/k3×T/8

经计算可知4K图像的总像素为8M，图像尺寸约为26M，如果未经压缩需要5分钟才能下载下来，而压缩之后，下载时间只需20秒，所以图像一定要压缩。视频更需要压缩，以YouTube为例，其视频的分辨率一般为480×360，未经压缩时，数据率是每秒171Mbit，现在最快的光纤互联网速度大概是100Mbit/s左右，连最快的光纤都无法传输这种像素很低的文件，可见视频一定要经过压缩才能得以广泛应用。视频由MPEG-2实现100：1的压缩之后，YouTube原本171Mbit/s的数据率就只剩1.7Mbit/s，普通网速即可传输。4K视频在压缩前的数据率是17.5Gbit/s，目前还没有任何技术能够传输，在压缩之后175Mbit/s的数据率，Gbps以太网就可以支持，但是光纤互联网还是不行。

人眼分辨率与观看距离

人眼分辨率是有限的，而且其极限没有固定的像素数，因为人眼只能分辨所见图像角度的大小，而无法分辨像素的尺寸。如图二所示，A物体和B物体进入人眼中的角度一样，所以呈现的像大小也是一样，人无法知道这两个物体的距离，只知道进来的角度。也就是说，人眼本身无法分辨图像是2K、4K还是8K。人眼的最小角分辨率是1分（即1/60度）。根据这一现象可以推演出最佳观看距离与屏幕尺寸及分辨率关系的公式。例如，在教室环境中，当投影机投射在屏幕上，人眼要看到全部清晰度，最佳观看距离大概是7米，在这个距离上人眼分辨率就已经到达极限了，如果在这个屏幕上放4K内容，增加的像素是看不出来的。

人眼分辨率跟距离、屏幕大小有很大关系。如果距离很近，就可以看见图像上的方格状，如果离得更远，更细微的图像细节就分辨不出来。当人眼正好看不见图像方格状的时候就是最佳的距离。再比如笔记本电脑，最佳观看距离是0.9米，也就是我们平常看的距离。iPhone5的分辨率是1，136×640，当手持距离为0.3米的时候，就是观看的最佳状态。4K在很多环境中都有用武之地，但目前未必适合于家庭电影院，因为在客厅1米左右的观看距离，对人来说并不舒适。

HDMI 2.0

HDMI 2.0是9月初业界刚刚公布的最新规格。新的变化有以下几个方面：

首先最高数据率从10.2Gbit/s增加到18Gbit/s，其原因就是为了4K。上文已经提过，4K的数据率正好是17.5Gbit/s，所以它就是为4K服务的。

刷新率提升到60Hz，HDMI 1.4版本其实已经支持4K了，但是当时是30Hz刷新率，虽然把数据流减了一半，但30Hz的刷新率对人眼来说可能会看到闪烁。

可以有32个独立的音频，带来多维度身临其境的音频体验。

音频采集量高达1，536kHz，是以前的8倍，现在可获得的最高保真的声音源已比过去有很大的改进。

双流视频，支持两个图像同时传到一个屏幕上。还可以同时传输最多4个音频流媒体，而且支持反向传输。

更新的功能还有支持影院广角21：9的长宽比，以及动态同步的视频和音频，CEC扩展则提供通过单一控制点的消费类电子设备的指挥和控制。

吕氏定律与4K的挑战

吕氏第一定律：在其他条件一样时，信号数据率加倍会使半导体发热加倍。

半导体会发热，由于4K数据率很高，因此发热也就越严重，在图四中，红色区域代表发热的区域，当把A信号变到B信号，红色区域就变成两个，发热增加1倍。得出的结论就是当数据率加快的时候，半导体发热量也会加倍。同时数据率也会影响到价格，当数据率是10Gbit/s的时候，光纤价格是165美元，数据率只有4Gbit/s的时候，价格仅65美元。

吕氏第二定律：在其他条件一样时，信号数据率加倍会使导线最大传输距离减半（才能维持时基抖动率）。

在线材方面，数字信号的问题是，在通过线材传输之后就不再是直线，它会左右变得很宽、很模糊，这就是我们常说的时基抖动。要保持时基抖动不变，数据率加倍，线材走的最长长度就减为一半，这对集成商会造成很大影响。从HD信号升级4K，相应传输距离就减少到1/4，现在2.5米用铜线，3米以上都需要用光纤，投影机一般都会连接很长的线缆，所以铜线能用的范围只有投影机和接线器之间了。

摩尔定律与制造商的秘密

摩尔第一定律：集成电路中的晶体管数量每两年翻番（消费者的福星）。

4K对显示工业有哪些影响呢，这要从摩尔定律谈起。摩尔是英特尔公司的创始人之一，他在1965年提出半导体上面晶体管的数量每两年会翻番一次。从1971年到2011年，40年的时间里，CPU芯片就是从286、386、486一路演化而来，晶体管数量确实是每两年翻番一次。这个规律对消费者来说非常有利，可以让我们买到的东西越来越便宜。在通货膨胀影响下，商品的价钱逐年增长，唯一例外的就是电子产品，其价格趋势一路下降，背后的原因就是摩尔定律。

摩尔第二定律：集成电路中的单个晶体管价格每两年减半（制造商的克星）。

摩尔第二定律是每两年半导体价格会减半，这对制造来说是非常头痛的事情。因为一台2，000元的PC在两年之后就只有1，000元，所以制造商必须绞尽脑汁推出新技术以维持产品平均售价。当新技术把产品提升至人的视听极限时，这些新技术被视为革命，而当新技术把产品推到超越人的视听极限时，这些新技术被视为浪费。

视听行业现在的热潮是4K，两年前是3D，再两年前是深度彩色，这是规律在背后作用。当没有创新的时候，售价就无法维持，所以就要不停地推新品搞创新。但不论怎样创新都不能脱离开始讲到的重要法则，视听是为人服务的，如果人察觉不到好处，技术就显得浪费，当人能察觉到好处的时候，就是很大的进步。

每次推出新技术，尤其像4K这样的技术，制造商都希望能提升到盈利的价格水平，但不幸的是价格很快会被拉低，我们可以看到现在已经开始有699美元的4K电视了。只有创新才能保持企业的竞争力，如果是集成商，就需要考虑你的产品、服务都是独一无二的，别人无法取代，否则只靠价格竞争是没有意义的。

创新产品的特征在于用户体验，iPhone刚刚出来的时候，屏幕分辨率并不一定比其他产品高，当时实验室测到在音频失真率方面也不是最好。但因为是人在用机器，因此iPhone提供了最人性化的用户界面，可以随意拉大缩小，即使没有计算机使用经验的人也能轻松掌握。iPhone同时也改变了应用生态环境，以前需要去卖场花10美元买CD，但是苹果帮助人们实现了花几分钱就能根据喜好任意下载。举这个例子是想提醒大家，当新技术来临的时候，不要一窝蜂跟着别人走，去制造和别人一样的东西，创新不只体现在数字层面。

4K， 准备好了吗？

4K最适宜的应用是超大屏幕。比如电影院，4K在影院并不是新事物，其应用已经超过十年。勘探和国防亦可用到4K，当勘探回波之后，人们需要用眼睛去发掘什么地方有石油或者矿藏，当发现一个距离很远的小矿场时，就需要更高分辨率去查看细节。在国防的导弹防御系统中，对方导弹发射过来的时候，目标很可能非常小，这时候需要4K来定位寻找。飞行模拟器的应用需要身临其境的效果，只有操作者看到和实际完全一样的画面时，大脑才会认为是在实际操作飞机，经过数百次训练，才能达到自然应对紧急情况的效果，所以4K在这个场合下是无法被取代的。在教学科研中，虽然学校并不一定有足够的预算负担4K应用，但是在做集体科研课题时，如果能达到像在真实白板上书写的清晰度一样，在近距离时让人眼看到很小的像素，也是大有裨益。

4K不可能一开始就进入家庭，因为需要离屏幕很近才能够感受到其效果，但这并不符合正常的观看习惯，甚至会影响到家人的观看。高端的发烧友会买最先进的、最好的东西，但从普及角度来讲，还颇具挑战。

在4K的生态环境中，要应用4K，首先要有4K信号源，信号源无非是本地播放器和网络播放器。本地播放器中，蓝光机记录的数据率是36Mbit/s，而4K需要的是87Mbit/s或者175Mbit/s，因此蓝光机无法记录4K。计算机是可以的，世界上第一批4K信号源都来自于此，但计算机显卡必须非常快。此外，数码记录器、硬盘记录器也可以做到。接下来还面临传输的问题，目前ATSC高清广播传输速率是19Mbit/s，那么不论是30Hz还是60Hz的4K内容它都无法支持。10月3日，在美国第二版的高清电视规范已经进入公开讨论，这一规范就是针对4K的，可以说4K电视广播已经在美国起步了。在流媒体方面，流媒体压缩之后需要175Mbit/s的传输速率，光纤互联网的100Mbit/s也不完全够用，造成流媒体无法实时下载。预下载是很早就使用的方式，例如看电影之前几个小时下载电影到硬盘上，类似如索尼公司的一款产品，可连到网络，下载4K电影到硬盘上然后播放。

4K可以有非常好的应用，但也面临诸多挑战。

基于吕氏第一定律，4K数据率较1080p增加了4倍，首先要过半导体这一关，尽管可以使用光纤，但光纤传输器也要用半导体，半导体超过10Gbit/s的速率就会发热，而突破这一瓶颈需要使用新技术，从而会使成本明显提高。

基于吕氏第二定律，线材的传输成为问题，铜线传输1080p信号可以到10米，但现在传输4K只有2.5米，因此光纤传输会越来越多。

总有一天这些瓶颈技术都会突破，但是如果在大多数应用中人眼看不出4K增加的分辨率，这就造成了浪费，还不如把增加的带宽和容量用于其他更有用的用途。所以4K应用场合的选择非常重要。

4K到来的时候，系统中的每一个部件都需要升级的4K时才可以使用4K，而不是光买4K电视就行，因此对于不需要4K的应用场合，就要向用户解释为什么他不需要4K，以维持现有系统规格。但也不必为此担心，新技术一般都会反向兼容，所以即使系统中只有部分部件兼容4K，系统还是会工作，只是会降到所有部件都能接受的信号格式。换言之，除非整个系统都升级到4K，否则系统中的4K部件就会浪费。

总而言之，4K的确很漂亮，对于需要4K的应用场合，这是一场革命，对于不需要4K的应用场合，这是一种浪费。4K对于所有电子及导线部件，都意味着在网络传输及储存时增加了4倍的挑战，好在反向兼容保证了现有系统的照常工作。因此，希望大家不要一下都跳上4K的快车，4K需要投资，但如果这种投资看不到好处，投资就变成了投毒。