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4K 分辨率科普
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- 酱梓
前言
我们在科技资讯以及电脑显示器、数字电视等电子产品的宣传语中，经常能够看见4K的字样。最近，B站（哔哩哔哩）升级了HTML5播放器和视频云等相关服务，为广大用户提供了超高清（UHD: Ultra High Definition）的视频体验。借此机会，我们向大家科普下4K分辨率的相关知识，同时解答下大家可能会遇到的相关疑问。
- 什么是4K？
- 为什么需要4K视频？
- 视频分辨率和像素数量
- 其他方面
- 常见问题
- 视频的码率/比特率是什么？
- 视频中的帧率是什么？
- 显示设备的物理分辨率和逻辑分辨率指的是什么？
- PPI、DPI是什么意思？
- 显示设备的物理分辨率和逻辑分辨率之比不是整数会怎么样？
- 显示设备的刷新率和视频FPS之比不是整数会怎么样？
- 视频参数中常见YUV是什么？
- 视频的分辨率、帧率、码率之间有什么关联？
- 使用1080p的显示设备观看4K视频会获得更好的观感体验吗？
- 全景视频是什么？
- 全景视频和Web XR（AR and VR）有什么关系？
- 4K视频为什么更加容易卡顿？
什么是4K？
4K分辨率，或简称4K（Kilo），是指显示设备或显示内容的水平分辨率在4000像素左右。达到4K分辨率的视频，我们称之为4K视频。常见的4K分辨率有3840×2160和4096×2160，在不同的多媒体领域，使用的标准也各不相同。某些4K分辨率，比如：3840×2160，也常被称为2160p（progressive scan），它是指显示设备或显示内容的垂直方向有2160条水平扫描线。
分辨率是一个术语，它表示的是这些小点（像素）在显示屏上的密集程度。一个个像素聚集在一起构成了您在屏幕上看到的图像，因此像素数越高，分辨率就越高。 在电视行业中，不同的品牌使用不同的表达方式或词汇来表达同一件事，比如Ultra HD、4K TV、Ultra High Definition TV 和4K UHD TV。随着时间的推移，电视行业发现“4K”一词对消费者来说简单、直观，因此开始越来越多地品牌选择使用这个词汇。如今，大多数制造商和分销商都在使用4K TV或4K超高清电视的术语。
为什么需要4K视频？
因为电视屏幕和电脑显示器变得越来越大，分辨率也在逐步提高，我们相信4K显示设备终将会成为大众的选择，所以4K视频的重要性不言而喻。4K的总像素数量是1080p（全高清FHD: Full High Definition）的4倍，更多的像素数量意味着更多的细节。虽然1080p的视频在65英寸的电视或者34英寸的电脑显示器上的表现还不错，但是4K视频在这些设备上可以表现的更好，在更大的屏幕会更加的优于1080p视频。即使在相同尺寸的显示设备上，4K显示设备的画面质量也会因为像素密度的提高而变得更加生动和细腻。
随着4K可用性的不断提高，大大改善了大屏幕应用程序的视频、图像的显示效果，并且会极大的减少用户看见像素噪点的情况，这意味着文本、图像有着更平滑的边缘，从而获得沉浸式的观看体验，除非您非常靠近显示设备。
视频分辨率和像素数量
| 视频分辨率 | 像素数量（单位：百万像素） |
|---|---|
| 1080p (1920×1080) | ~2.1 megapixels |
| 4K (3840×2160 or 4096×2160) | ~8.5 megapixels |
| 8K (7680×4320) | ~33.2 megapixels |
其他方面
4K视频源和4K显示设备对于提升观看视频体验确实有很大的帮助，除此之外，网络速度、视频的解码性能、色彩一致性、对比度、亮度、屏幕尺寸、环境光等等都是影响观看视频体验的重要因素。如果您想要打造或者寻找一个满意的环境去观看视频，这些因素都需要考虑进去。
常见问题
视频的码率/比特率是什么？
比特率指单位时间内传输送或处理的比特（bit）的数量。比特率经常在电信领域用作连接速度、信息传输速率和数字带宽容量的同义词。常见单位为bit/s(非正式缩写为bps: bit per second)、kbps(kilo, 1kbps=1000bps)、Mbps(Mega, 1Mbps=1000kbps)、Gbps(Giga, 1Gbps=1000Mbps)。通常视频比特率越高，每秒传送数据就越多，画质就越清晰，但是这不是绝对的。
视频中的帧率是什么？
帧率（frames per second or FPS）是用于测量显示帧数的量度。一般用于描述影片、视频拍摄、计算机绘图、游戏和动画系统，通常使用FPS或Hz作为单位。例如：常见的视频帧率有24FPS、25FPS、30FPS、60FPS，常见的显示器刷新率有60Hz、120Hz、144Hz。通常帧率越高，画面运动越流畅。
显示设备的物理分辨率和逻辑分辨率指的是什么？
物理分辨率指显示设备固有的分辨率，不可改变。物理分辨率又称为硬件分辨率、原生分辨率等等。显示设备厂商宣传的4K分辨率指的就是设备的物理分辨率，物理分辨率下的像素点亦称为物理像素点。常说的显示器坏点、暗点、亮点都是指某些物理像素点有缺陷，不能正常工作。
逻辑像素点是软件（通常是操作系统）把多个物理像素点按照某种比例重新划分形成一个虚拟的像素点，逻辑分辨率则是由这些逻辑像素点形成。由于物理像素点的划分比例是可变的，因此逻辑分辨率也是可变的。因为物理像素点是显示设备的最小显示单元（物理像素点并不是最小的发光单元），所以逻辑分辨率通常小于或等于物理分辨率。当UI设计师指着屏幕说这里多了1像素时，这里的像素指的是逻辑像素。
PPI、DPI是什么意思？
PPI（pixels per inch） 表示每英寸包含的物理像素数量，用于衡量显示设备的像素密度，通常用于电子显示设备。PPI越高显示效果越好，越不容易出现像素噪点，用户对不同类型的显示设备要求也各不相同。常用的PPI计算公式 ppi=√(length^2+width^2)/size（当发光单元的排列方式不同时，PPI计算公式也会有所差异），其中length和width是显示设备的横向物理像素和纵向物理像素，size是显示设备的尺寸。
DPI（dots per inch）表示每英寸可显示或输出的点数量，通常用于打印机领域。
显示设备的物理分辨率和逻辑分辨率之比不是整数会怎么样？
假设有一个物理分辨率为6×6，逻辑分辨率为3×3的显示设备。此时的物理分辨率和逻辑分辨率之比是整数2（这里只计算横向比率），在显示设备上绘制黑色的字母“Y”（没有抗锯齿），结果如上图所示。
那如果此时的物理分辨率和逻辑分辨率之比是1.5，绘制结果会是上图这样吗？答案是否定的，我们之前有提过“物理像素点是显示设备的最小显示单元”，因此一个物理像素点不可能同时显示白色和黑色。
最终的绘制结果如上图，介于黑色和白色之间的灰色会填充既要显示白色也要显示黑色的像素点。显示一个文字需要许多物理像素点同时工作，因此在实际使用中，用户不会感受到明显的颜色差异，但字体会有模糊、发虚等明显的不舒适感，在低PPI的显示设备上尤为明显。
显示设备的刷新率和视频FPS之比不是整数会怎么样？
假设显示设备的刷新率为60Hz，视频的FPS为24。显示设备的第1、2帧显示视频的第1帧，显示设备的第3、4、5帧显示视频的第2帧，显示设备的第6、7帧显示视频的第3帧，如此循环，这种方式在电视、电影领域被称为2:3 pull down，结果如下图所示，还有另一种较少使用的3:2 pull down方式，原理和2:3 pull down一样，不再累述。
视频参数中常见YUV是什么？
YUV（明亮度Y、色度U、浓度V），是一种颜色编码方法。常使用在各个影像处理组件中。 YUV在对照片或影片编码时，考虑到人类的感知能力，允许降低色度的带宽。通俗的讲，使用YUV编码视频可以减少视频的体积。
| 颜色编码方式（8bits format） | 单个像素的比特率（bpp: bits per pixel） |
|---|---|
| YUV444 | 32 bits |
| YUV422 | 16 bits |
| YUV420 | 16 bits |
| YUV420 | 12 bits |
| RGB | 24 bits |
| RGBA | 32 bits |
视频的分辨率、帧率、码率之间有什么关联？
码率=视频分辨率的横向数值×视频分辨率的纵向数值×单个像素的比特率×帧率
对于一个30FPS采用YUV422格式的1080p（1920×1080）视频而言，码率是1920×1080×16×30=995328000bps=995.328Mbps，可见其数据量之大，不压缩根本无法在网上观看。经过压缩处理后的视频，码率会大大降低，便于网络观看和传播。
使用1080p的显示设备观看4K视频会获得更好的观感体验吗？
难以断定，取决于每个人的观感、视频源、外部设备等诸多因素。我们上面提到了影响观看体验的一些因素，而这些因素均能影响观看体验，并且每个人的画面敏感度也不是完全相同的。根据自己的网络情况，亲自尝试，然后选择适合自己当前设备的清晰度即可。
全景视频是什么？
全景视频，又被称为360°视频，是一种同时记录全方位视角画面的视频。素材通常是通过全景摄像机捕捉，摄像机同时对同一空间下的物体进行多角度拍摄，将全景画面组合成视频。在播放全景视频时，用户的视角处于相机的位置，可以通过切换用户视角来观看其他方位的画面。
全景视频和Web XR（AR and VR）有什么关系？
AR(Augmented Reality) 译为增强现实，是指透过摄影机影像的位置及角度精算并加上图像分析技术，让屏幕上的虚拟世界能够与现实世界场景进行结合与交互的技术。
VR(Virtual Reality) 译为虚拟现实，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉等感官的模拟，让用户感觉仿佛身历其境，可以即时、没有限制地观察三维空间内的事物。
Web XR是Web端AR和VR的混合物。通过定义来看，Web XR的发展可能更接近混合现实（Mixed Reality, 代表产品是Microsoft HoloLens）。
目前看来，全景视频和Web XR没有太大关系。
4K视频为什么更加容易卡顿？
通常4K视频的码率要比1080p的更高，这味着每秒传送数据更多，对网络带宽的要求也更高。当您的网络带宽无法满足4K视频要求时，就会产生网络卡顿，此时我们建议您切换到1080p或者自动清晰度。对于4K@30Hz的视频需要满足至少 15Mbps的稳定带宽。
除此之外，随着视频码率的提升，对用户机器的视频解码性能也有着更高的要求。当您的机器视频解码性能不足时，也会产生卡顿。