单片式8K广播级摄像机发展现状

易诗晴 江苏省广播电视总台

1.单片式8K摄像机的发展历史

迄今为止，NHK开发了多款8K摄像机。第一代8K摄像机于2002年开发，使用了4枚2.5英寸CCD感光器，重量约为80kg。2004年开发了第二代8K摄像机，相比于第一代使用了4枚更小的1.25英寸800万像素CMOS感光器，机身约重32kg。2010年开发的第三代8K摄像机使用了与第二代相同的成像系统和感光器件，重量减少至20kg，逐步朝着轻量化的方向发展。

与此同时，NHK与日立公司共同开发了全幅三片式高帧率8K摄像机（120FPS），使用了NHK与静冈大学电子工学研究所共同开发的3300万像素CMOS感光器。2013年NHK在“2013NHK技术研究公开会上”展示了与Astro Design共同开发的超小Cube型8K摄像机AH-4800，此摄像机使用了单片1.5英寸3300万像素拜耳阵列CMOS，动态分辨率达到7680×4320，机身加镜头仅重约2kg，是世界上第一台PL卡口8k摄像机（配备了镜头卡口转接环可与电影镜头搭配使用）。历代8K摄像机见组图1。2013年开始，为了让摄像机更小更轻，NHK进行了两款单片式8K系统摄像机的开发，它们采用的都是Super35mm感光器件。

图1 历代8K摄像机

近年来各家厂商也都相继推出了数款8K摄像机。RED公司在2015 NAB上发布了WEAPON 8K摄像机（电影机），采用Dragon 8K传感器可以录制8192×4320 60fps视频，在2.4:1超宽银幕格式下帧率可达到75fps。首部8K电影《银河护卫队2》使用的就是此款摄像机。索尼公司在IBC 2017上发布了三片式8K/120p摄像机UHC-8300，此款摄像机由索尼公司与NHK共同开发，采用3片Super35mm 1.25英寸CMOS感光器件。2017年11月7日，夏普在全球官网发布8C-B60A 8K摄像机，并在今年4月美国广播电视设备展（NAB 2018)对这款摄像机进行了展示。

2.单片式8K系统摄像机

2.1 Ikegami SHK-810

此款摄像机是NHK与池上公司自2013年起，耗时2年共同开发完成，使用了NHK放送技术研究所开发的3300万像素CMOS感光器件。使用SMPTE复合光缆，可以现行高清摄像机同样的方式制作8K内容。该机搭载PL镜头卡口，能够使用8K镜头、4K镜头、电影镜头以及定制的变焦镜头。

机头重量减轻至8.5kg，同时为了确保静音性，优化了机头风扇的散热系统，使噪音保持在30dB以下。

考虑到安装8K变焦镜头时的平衡问题，肩扛部位采用了滑动式构造便于重心调节。寻像器(下称VF）可上下调节不同角度，以适应各种拍摄场景。经CCU处理过的视频信号可输出8K信号，以及下变换后的4K和高清信号。8K输出信号使用了NHK自主研发的Dual Green格式，可选择1.5G-SDI×16和3G-SDI×8两种方式中的任意一种进行输出。寻像器显示的由CCU输出给机头的RET返送信号可选4K和高清两种格式，画面延迟最多为2帧（33msec）不影响实际使用。

OCP控制面板是开发人员与视频工程师详细讨论后，在现有面板的基础上对按钮和旋钮进行改造而成的，更加便于使用。具有4K监视器的范围选择功能和辅助聚焦控制功能等8K摄像机所独有的功能。此外考虑到演播室使用，还开发了系统扩展组件，并配置了VF放大显示范围选择按钮和辅助聚焦的ON/OFF开关，可以帮助摄像师更好地进行对焦操作。VF范围选择控制和聚焦辅助开关的小型控制器还可安装在机头，方便摄像师随手操作。在奥运会等大型体育赛事拍摄时，需要安装箱式长焦镜头，为此NHK还研发了L型镜头支架。

Ikegami SHK-810摄像机参数见表1。

Ikegami SHK-810摄像机机头、CCU、OCP、系统扩展组件和两种小型控制器见图2。

表1 Ikegami SHK-810摄像机参数

图2 Ikegami SHK-810摄像机

2.2 小型多用途单片式8K摄像机－Hitachi SKUHD8060

此款摄像机由NHK与日立公司共同研发，与前文所述的Ikegami SHK-810一样使用了3300万像素的8K感光器件，设计重点是体积小、重量轻。

机头采用了独家的模块化设计，可通过组合安装不同模块单元变成不同形态，运用于各种拍摄场景。与录制单元组合时，机身可作为小型8K摄录机使用，用于新闻采访和外景节目拍摄。录制单元使用了2TB的SSD固态硬盘，可储存压缩比为1/4的8K视频和立体声音频约40分钟。在正常录制的基础上还增加了延时摄影录制功能（Time Lapse)。

录制单元可独立于摄像机使用，用复合光缆将录制单元与CCU连接，即可将实时回放录制好的视频信号回传，还可以对图像进行实时的色彩校正。此外配合专用的备份系统，可将收录在SSD固态硬盘中的视音频文件备份在HDD机械硬盘中。同时期还开发了水下摄影用保护壳，配合此外壳在水中拍摄8K超高清视频也成为可能。此款摄像机还可搭配2轴防抖云台，作为车载摄像机使用。丰富的可选组件扩充了摄像机的使用场景。

Hitachi SK-UHD8060摄像机参数见表2。由于日立公司官网并无此款摄像机的详细参数，表2由笔者搜集资料总结制得。

作为演播室摄像机使用时，安装复合光缆单元，通过SMPTE复合光缆与CCU连接，可同时输出8K信号以及下变换后的4K和高清信号。与前述的摄像机一样，8K信号输出可在1.5G-SDI和3G-SDI两种方式中切换。CCU背面8K输出有16个BNC接口，可作为1路1.5G-SDI×16或2路3G-SDI×8输出。

Hitachi SK-UHD8060摄像机机身、CCU、SSD录制单元连接示意图见图3，装置2轴防抖云台、水下摄影见图4。

2.3 Ikegami SHK-810摄像机和Hitachi SK-UHD8060共同功能

这两款摄像机具有以下共同功能：

（1）HDR功能

Ikegami SHK-810摄像机和Hitachi SK-UHD8060都具备拍摄高动态范围视频的HDR功能，它们可通过CCU把14bit的高动态范围视频的RAW数据转换为10bit格式，同时还可选择使用由BBC和NHK共同开发的HLG（Hybrid Log Gamma)编码。

表2 Hitachi SK-UHD8060摄像机参数

图3 Hitachi SK-UHD8060摄像机

图4 SK-UHD8060摄像机装置2轴防抖云台及水下摄影

（2）自动像差补偿功能

以往的8K摄像机需要对着专用测试卡拍摄，在不同焦段下采集像差数据，过程非常繁复。使用此功能可以自动获取镜头的像差，通过信号处理对像差进行补偿校正。

（3）白伤补偿功能和FPN补偿功能

白伤补偿即自动补偿CMOS感光器坏点像素的功能。只要进行自动黑平衡ABB调黑操作，便能自动进行补偿校正。CMOS图像传感器容易受到噪声的影响，主要有固定模式噪声FPN（Fixed Pattern Noise）和随机噪声。固定模式噪声对图像质量的影响远大于随机噪声。这两款摄像机都具备FPN固定模式噪声补偿功能，以像素为单位对画面整体的固定噪声进行补偿。通常消除固定模式噪声采用双采样降噪法， NHK和两家公司的公开资料中并未提及这两款摄像机的FPN功能具体采用了哪种方式。

（4）12轴独立彩色矩阵功能

此功能可对12种颜色进行独立调整，实现对画面色彩的精细调整。这12种颜色分别为三原色R、G、B和它们的补色Y、Cy、Mg，以及6个三原色和补色的中间色。可分别对这12种颜色的色度和饱和度进行独立调整。

（5）聚焦辅助功能

8K摄像机拍摄时，聚焦是操作中最大的难题。特别是使用较低画质的高清寻像器进行对焦时难度很高。此功能提取8K画面中的高频部分与VF画面进行合成，可帮助摄像师更好地进行对焦。此功能由NHK放送技术研究所开发。

（6）配备4K-VF

两款摄像机的机头都设置了4K-VF专用接口，可安装4K分辨率的寻像器。接口直径为19mm，仅用一根线缆连接4K-VF和机头传输4K信号和寻像器控制信号，同时为寻像器供电。

（8）法兰焦距（后焦）调整功能

法兰焦距又称后焦，指镜头卡口到感光器件之间的距离。由于这两款摄像机都采用了PL卡口，可以安装拍摄电影时使用的高画质定焦镜头。而定焦镜头与普通广播级变焦镜头不同，它没有可调节的后焦环，所以在摄像机端配置了可调节后焦的构造。两款摄像机的性能比较见表3。

表3 Ikegami SHK-810和Hitachi SK-UHD8060性能比较

2.4 设备评价

上文中的两款单片式8K摄像机采用了同样的感光器件，并且都具有静音的特性。日立SK-UHD8060的体积和重量约为池上SHK-810的一半，更加具有便携性，且机身可安装录制单元，适合外景节目拍摄，搭配防水外壳套件更可以进行水下拍摄，如自然题材的纪录片等节目。池上SHK-810则更适合演播室节目的录制或直播，丰富的系统扩展面板可满足摄影师的操作需求。这两款摄像机与之前的8K摄像机相比，大幅提高了性能，分辨率达到了4000电视线的8K画质。在灵敏度和动态范围的指标上也做到了接近现行的高清摄像机。8K和现行的高清摄像机性能比较见表4。

2.5 设备展示与运用实例

表4 8K和现行的高清摄像机性能比较

2015年4月，在拉斯维加斯举办的NAB 2015的NHK展台上，NHK首次公开展示了这两款8K摄像机。此次不仅展示了机器本身，还放映了事先在日本拍摄的樱花和夜景视频，此视频是使用搭载了稳定器的SK-UHD8060拍摄完成的。并且在拉斯维加斯当地，也用同样的方式进行了外景拍摄，作为最新的8K内容展映。

同年末，NHK红白歌会使用了这两款摄像机进行了8K拍摄，并且在东京港区、横滨、千叶、京都四地进行了公开展映。2016年3月举行的第50届NFL超级碗比赛也同样进行了公开展映。

外景拍摄方面，NHK使用SK-UHD8060作为摄录一体机，在卢浮宫以及日本本土的北海道拍摄了8K HDR视频素材。这些视频素材在2016年的NAB上作为8K内容进行了展映。

2016年8月举行的里约奥运会上，NHK进行了开闭幕式和柔道项目的8K转播。在2018年平昌奥运会上与OBS合作，对开幕式和包括花样滑冰在内的四个项目（花样滑冰、跳台滑雪、短道速滑、单板大跳台）进行了8K节目制作和试验播出（开幕式和花样滑冰是直播，其余项目为直播或录播），在日本五个会场进行了8K播出公开展示。公开展示的会场屏幕尺寸均在300英寸以上，容纳人数在200人以上。8K放映对屏幕面积和观看空间都有比较高的要求，笔者认为，8K以其大屏幕超高清晰度等特点，更多应该是一种“众乐乐”的方式，应用在大型体育赛事转播、影院投影、室外广告展示等领域中。

3. 单片式8K摄录一体机 Sharp 8C-B60A

（1）设备参数

2017年11月7日，夏普在全球官网发布8C-B60A 8K摄像机，并参加了同年11月15日开始的日本国际广播电视设备展(Inter BEE 2017)，次月正式发售。2018年4月在美国广播电视设备展（NAB 2018)对这款摄像机进行了8K展示。这款机器由夏普与Astrodesign公司合作研发，号称是世界上第一台实现8K/60P拍摄、记录、回放与实时输出的摄录一体摄像机。此款摄像机采用3300万像素Super 35mm CMOS感光器件，可拍摄帧率最高达60FPS的8K视频。搭配专用的SSD可记录40分钟Grass Valley HQX 编码格式的8K视频。

夏普单片式8K摄录一体机8C-B60A性能参数见表5。

（2）设备评价

夏普8C-B60A可在拍摄的同时使用SSD存储录制8K视频，机身重量仅为5KG，所以它适合新闻采访、外景节目或真人秀节目的拍摄。它还可以在录制的同时输出8K未压缩视频影像，所以8C-B60A也能应用于实况转播。8C-B60A还采用了PL镜头座，可搭载行业通用的高质量电影镜头。电池、麦克风可以使用第三方产品。编码方面，采用了GrassValleyHQX编解码器，适用于Windows和Macintosh平台的中级编解码器。它能够处理多种不同的视频分辨率，包括8K（DCI），并且拥有8-bit和10-bit版本。

表5 夏普8C-B60A性能参数

图5 Sharp 8C-B60A

值得一提的是8C-B60A只支持8K视频拍摄和录制（支持4K输出并不支持4K录制）。夏普也从未创建任何4K产品线。夏普提出了8K生态概念，从上游8K片源拍摄到8K内容编辑、存储、传输，到最终的8K内容播放，形成完整的产业链。8C-B60A作为第一款上游拍摄产品，为夏普的8K生态圈打开了入口。夏普和富士康将大力投入到8K+5G的实际应用研发，从无线传输的角度为8K普及铺平道路。这些动作都昭示了夏普母公司鸿海集团全面部署8K生态圈的野心。

4. 总结和展望

本文介绍的前两款单片式8K系统摄像机，目前的8K输出格式是NHK自主的特殊格式，DG（双绿Dual Green）格式，并未达到全幅解析度。若今后厂商改进设备，实现输出8K 59.94P全幅解析度信号（亮度,色差信号YCbCr4:2:2)，用3G-SDI方式输出则需要16路，为现阶段产品的两倍。为保证设备的实用性，对12G-SDI和IP化的研究和推进势在必行。

除了7680x4320的高分辨率，8K SHV格式标准还包含最高可达到22.2多声道的音频。如此高质量的视频和音频，信号传输和数据储存对8K来说仍是最大的难题。IP化和5G技术都是今后重要的课题。日本总务省于2017年12月宣布，日本计划于2018年12月1日正式开始4K·8K SHV超高清放送，在2020年东京奥运会时实现8K转播。

8K电视虽然代表着发展方向与潮流，但并不代表着8K适合目前的具体情况。理论上，视频点播的接入宽带要求在100M以上，即使是北上广等一线城市平均带宽也相差甚远。8K除了以卫星实现传播的世界杯、奥运会这样的大型体育赛事，想达到日常点播的需求难度还非常大。8K电视一般匹配超大尺寸的屏幕，98英寸、100英寸等，售价高昂，对观看空间面积也有较高的要求。无论是8K节目内容拍摄制作、信号传输，还是观众收视习惯的培养，在8K的道路上我国都还有很长的一段路要走。