HFR——一种在 UHD 电影中被忽视的技术

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HFR——一种在 UHD 电影中被忽视的技术


如果您一直有了解超高清电视技术，那么您可能会记得它本质上有六个基本点：

UHD（Ultra HD spatial resolution，超高清解析度，4K 或 8K）

HDR（High Dynamic Range，高动态范围）

WCG（Wide Color Gamut，广色域）

Deep Color Resolution（色深解析）

HFR（High-Frame Rate，高帧率）

NGA（Next-Generation Audio，次世代音频技术）

到目前为止，我们已经掌握了其中的大多数。若您去一家电子专卖商店购买带有 HDR、WCG、10bit 色彩和支持杜比全景声的回音壁或 AVR 的 4K 电视，它们甚至不会那么昂贵。唯独一样东西在绝大多数电视中被遗忘，那就是高帧率。就其运作方式而言，它可能是最难被消费者理解的。它可能是所有 UHD 技术中最具争议的，许多误解不胜枚举，因此这里尝试阐明我们所知道的和我们所不知道的东西。

电影的 HFR

HFR 是什么意思？那取决于我们在说什么。当涉及电影时，任何高于 24 帧每秒的东西都称为 HFR。这方面的内容很少见，屈指可数。最初，我们看过彼得·杰克逊（Peter Jackson）的《霍比特人》三部曲，它以 3D 拍摄 48fps 的帧速率的内容。之后便是李安（Ang Lee）所拍摄的《比利·林恩的中场战事》，再到最近，由威尔·史密斯（Will Smith）主演的《双子杀手》，两者均以 120fps 和 3D 拍摄。

后期电影的放映方式不同：2D 影院以 24fps 的帧速率放映电影；3D 影院根据其能力以 60 或 120fps 的帧速率放映。并且有充分的理由：李安（Ang Lee）追求高帧速率，以克服 3D 图像以 24fps 投射时固有的问题，比如像彼得·杰克逊（Peter Jackson）的《霍比特人》出现一样频闪和闪烁。詹姆斯·卡梅隆（James Cameron）的方法稍有不同，但更喜欢在 3D 电影的某些场景中使用 120fps，以避免在整个画面中摇摄或横向移动时画面抖动。但是电影的 HFR 是一项非常分裂的技术。有些人喜欢它，但大多数人（我在这里没有任何硬性数字）似乎很讨厌这项技术，它们认为 24fps 是神圣不可侵犯的。

李安《双子杀手》，来源：派拉蒙

这是为什么呢？好吧，部分原因是我们习惯了。这段油管的视频很好地解释了为什么我们要保持 24fps。但是，如果更多的像素和更多的颜色以及每种颜色的更多位数和更多的音频通道是好的，那么为什么每秒更多的帧会变得不好呢？是不是增加了更多的真实感？是的，确实如此，这就是为什么它对电影不利。现实主义不是重点，恰恰相反。这与围绕模拟化学胶片颗粒的讨论非常相似：有些人不喜欢它，但是像 24fps 帧速率一样，这是我们大脑近 100 年来一直在适应的条件。尽管我们大多数人不会有意识地注意到它，但我们的大脑在潜意识中对其进行了记录，并且知道我们正在观看一部电影，这可能是一部史诗般的故事。它有助于我们中止怀疑并使我们的大脑进入“电影观看模式”并使我们沉浸其中，并将我们拉入故事中。

有些人将 24fps 称为“梦幻般的节奏”，但高帧率却让这个节奏被打破。正如一个电影观众简洁地指出的那样：“我没有看到甘道夫等人，而是看到一群演员穿着奇特的服装打扮。” 如大家在社交媒体上所见，《比利林恩》以及《双子杀手》引发了许多相同类型的反应。有些人将其与在 GoPro 或智能手机上拍摄的家庭视频相比较，看起来像是“超真实”或像“电子游戏 ”。其他人则称其为“肥皂剧效果”（或许有点用词不当），指的是其婆婆在电视上启用的可怕的运动插补。



《霍比特人：五军之战》中的甘道夫，来源：华纳兄弟

然而，关于我们的大脑如何处理帧速率和运动感知还不清楚，在这一领域进行更多的科学研究可能是更合理的。

我们（至少我们中的大多数人）如何下意识地感知 24fps 的帧速率而又不被抖动打扰？

我们的大脑真的适应了将 24fps 视为“史诗般的”吗，但是当我们看到 60i 或 60p 时，这种机制就关闭了，我们便进入了“肥皂剧”模式？

然而，对于如今讲故事的视频游戏来说，高帧率具有明显的好处，游戏玩家显然会喜欢。那么，以高帧率（120fps 及以上）玩视频游戏的人对电影帧速率的看法是否有所不同？

此外，如果肥皂剧效果是真实的，那么必须有一个反肥皂剧效果，从 60fps 转换为 24fps 的电视内容突然开始变成史诗般的效果？指出这一点的是体育新闻节目中的一种常见技术，他们将帧速率降低到 24、25 或 30fps，裁剪图片以获得更大的高宽比（在顶部和底部添加黑条），并在他们想使游戏摘要看起来很史诗。

帧速率对传统的 cel 动画电影重要吗？如果是，怎么办？

在 24fps 以上的帧速率下，这种电影感会会消失吗？25、30、48、60 呢？传闻三部《霍比特人》电影表明 48fps 已经可以保证达到目标，但边界在哪里？

尽管肥皂剧从未出 3D 内容，但 3D 似乎并不能帮助您停止怀疑或使事情变得更有史诗般的效果。也许甚至相反。这是因为 3D 增加了逼真的效果，就像 HFR 和缺少纹理一样，它破坏了这层“魔法”而不是维持它吗？

这种行为是可以学习的吗？从未去过电影院体验的来自另一文化的人会不会以相同的方式评价帧速率？

显然，问题太多，答案很少。

随着电影制作人模式的出现以及对精确再现 24fps 帧速率的坚持，人们很容易忘记在 Ultra HD 蓝光之前，原始的蓝光和 HD-DVD 是第一个能够处理此帧速率的家庭媒体。广播电视、所有消费类录像带格式、LaserDisc 甚至 DVD 都只能采用隔行模式。对，你会说 DVD 是第一种提供逐行扫描的格式，但不是精确的 24fps。

好莱坞历史上的一个重要教训可能很容易被忘记，因为其中大部分发生在很久以前，那就是每次重大技术转型也都带来了新的电影类型，并极大地改变了现有电影类型之间的平衡。HFR 是功能强大的新技术，可在较大的工具箱中进行电影制作，因此需要进行探索。旧的方法不适用于 HFR，仅因为它们基于关于电影制作的不同假设。也许 HFR 会带来全新的流派，也许它将计算机动画提升到我们无法想象的高度。结合计算机动画，HFR 可能会产生比现场演员更具说服力的 CGI 演员，只是我们还不知道而已。

但是，根据过去的经验，我们知道的是，每当一项重大创新出现时，这种讨论就会爆发：“谁想听演员讲话”，“没人要彩色胶卷”等等。随着时间的流逝，这种思路通常是一个失败的争论。并不是说 24fps 会永远持续下去，但接下来会发生什么呢？当您拥有牢固建立的结构（例如具有全球电影发行系统的好莱坞制片厂系统）但在电影业中创新永无止境时，这些过渡需要很多年，有时甚至需要数十年。用于电影制作的新辅助工具已应用到当前的工作流程中，并已为业界所接受。

无论如何，现在下结论还为时过早，毕竟现在我们只有少数导演拍摄的不到十部 HFR 电影，所有这些都被认为是做 3D 内容更好的方法。同时，3D 本身已经花费了好莱坞数十年的时间才能使其正确，成为主流并被接受为不仅仅是新颖的技术。

目前，最好的建议是用自己的眼睛（和开放的心态）看 HFR，以形成自己的见解，而不接受任何教条作为绝对真理。

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融合技术

重要的是要记住，好莱坞电影仍然是针对电影制作和优化的，电影院指导电影制作的技术能力以及好莱坞的许多“真相”都是基于此系统的。如果突然间，家庭娱乐成为好莱坞的更大市场，情况可能会发生变化。好莱坞实际上已经在 2018 年和 2019 年发生过这种情况，而在 2020 年可能已经发生了更大的变化：针对电视优化的电影制作很可能看起来与针对电影优化的电影制作有所不同 。

毕竟，在电影院运作的好东西不一定在电视机上运作的好。杜比实验室（Dolby Labs）的研究发现较高的亮度会使抖动更加明显，而对比度也较高。在 SDR 评测中看起来不错的东西在 HDR 中会过多，因此调色师最终将 HDR 分级为 Deep Color 以避免这种情况，但这违背了整个目的。研究还表明，在 50 尼特（传统影院投影的典型亮度）下，理想的帧速率为 24fps，而在目前相当普遍且不太昂贵的 HDR 电视上达到的 1000 尼特时，则首选为 32fps。

尽管电视比电影晚了几十年，但这两种技术却走在平行的道路上，经历了许多相同的创新。电影从无声电影到有声电影，从黑白到彩色，从单声道到立体声再到数字环绕声（杜比、DTS、SDDS，最初都在光学胶片上），通道的数量不断增加。这些变化是引人注目的，但都遵循着进化的法则。但是最近，电影院业看到了一些创新，这些创新是重大的技术变化，但完全是幕后的，而且对于观众来说还是非常微妙的：从化学胶卷到数字放映、将胶卷装在 HDD 上然后装在暗盒中，很快这些都变成了线上观看。

电影院的下一个重大步骤可能将是一个世纪以来最激烈的一步：从投影到真正的“大屏幕”。当然，不是 CRT，不是等离子，不是 LCD，不是 OLED，而是真正的 LED。这些进化将带来了更大的亮度、对比度和动态范围，并将使电影院的屏幕与家庭影院重合，而现在院线的一些设备在空间分辨率、动态范围和亮度方面已经基本上都要落后于家庭影院，唯一的优势是荧幕的尺寸。考虑到以上因素以及电影业务的总体保守性，尽管会否使用较高的帧速率，这也将增加使用较高帧速率的灵活性。

这种转变还将把新的搅局者带入市场，从未涉足电影院放映业务的三星推出了其“玛瑙电影院 LED 技术（ONYX CINEMA LED）” – 直径为 34 英尺（10米）的屏幕，真正的 4K 4096 x 2160 分辨率。这款全新的影院技术在 2017 年登陆了全球几大院线：首尔世界大厦的乐天影院，曼谷的百丽宫影城剧院，洛杉矶以北的加州太平洋电影院，法国巴黎的 PathéBeaugrenelle 剧院，马德里莱加内斯的 Sambil 剧院，以及北京的首都电影院。

三星的 ONYX CINEMA LED 显示屏

这种过渡将需要数年时间，这些东西也并不便宜，而且它要替代的技术也不便宜。这是一项资本投资，但是电影和电视技术的融合比以往任何时候都更加广泛。将来，电影院的屏幕基本上将是一台非常大的电视机，通常还将具有出色的杜比全景声（Dolby Atmos）系统。

期望电视技术向电影院的这种转移将反馈回家庭，举例来说的话就是这个。如果你的家底丰厚，那么三星的 microLED 显示屏显然更适合。这是一个模块化系统，这意味着您可以构建各种屏幕尺寸和分辨率。一个模块的尺寸为 16×18 英寸，像素为 360×360。一台高清电视将使用 18 个模块，一个 4K 电视需要 76 个模块，而一个 8K 电视需要 288 个模块。而且没有限制，钱够多的话也可以上 16K。一个模块将花费约 10,000 美元，所以还是看你钱够不够多。

三星“ THE WALL” microLED 电视的尺寸选项

索尼的 Canvas 或叫“Cledis”（水晶 LED 集成结构或显示系统）的规格和尺寸非常相似，这项技术当然主要针对专业应用，但索尼明确表示它也可用于家庭。

现在要使其成为大众市场的东西，我们需要将价格降低约 99％。听起来很不可思议对吧，但不要忘了，过去七年的时间里，4K 电视的成本一直在降低。

好消息是：像电影产品一样，家用产品提供了强大的 HDR（完美的黑色位显示和 1000 尼特的峰值亮度）、宽视角、出色的 3D 效果和 120fps HFR。

其他电视内容的 HFR

因此，如果仅对脚本化的表演内容来说，低帧率很重要，那么在现实性很重要的地方（例如自然纪录片和现场体育节目），更高的帧率会更好吗？有证据表明是这样。HFR 以一种很好的方式增强了“在那儿”的感觉。但是在此之前，请回到 HFR 的定义。

广播电视现在具有多种分辨率，但是呈上升趋势的，不过非常缓慢。一个相关的趋势是，虽然缓慢但可以肯定我们似乎已经摆脱了隔行扫描视频，在这种视频中，连续显示“场”（只有奇数画线或偶数画线的半帧）。当然，在1080 HD 分辨率下，仍然有很多 50i 和 60i 内容，但是在 Ultra HD 分辨率下，只允许使用全帧逐行扫描。允许使用各种帧速率（包括小数），但是 50p 和 60p 不被视为 HFR，它们是标准帧速率。当像 Ultra HD 论坛这样的组织谈论高帧率时，它们的意思至少是其两倍：100 或 120fps 甚至更高。

是什么（虽然非常缓慢）促使帧速率提高？这是一个愚蠢的数字竞赛，就像有人会争辩说转向更高的空间分辨率（4K，8K）吗？不完全的。即使我们不需要或不想在电影中使用它，也有一定的优势。

首先，为什么我们要转向更高的屏幕分辨率？仅仅因为电视制造商可以并且他们看到具有更高分辨率的电视具有更高的利润率？不，它背后除了技术推动之外。几十年来，电视变得越来越大。这是一个相当恒定的趋势，即使在各个地区之间，这些平均直径也每年以大约 1 英寸的速度增长。

同时，我们的观看距离没有太大变化。起居室（平均大小在地理位置上也有所不同）没有明显变大。这就是为什么我们需要更多像素。现在，有了更高的分辨率，运动模糊的风险就会增加。对于 8K 分辨率来说，这是特别明显的。8K 体育内容，例如奥运会，您可能不想以低于 100fps 的帧速率观看。尽管日本公共广播公司 NHK 早已宣布他们将以 8K 拍摄和放送奥运会的大部分内容，但他们尚未说出帧速率是多少。

HFR 的困难

在拍摄、记录和传输 HFR 时可能相对简单（可以说比 HDR 更简单），但有一个复杂之处：如何实现与标准帧率电视机和传输系统的向后兼容性？目前，有两种解决方法，DVB 和 ATSC 以不同的方式解决此问题，在此它将获得更多技术。

两者的共同点：两者都使用一种称为时间子层的技术来使 HFR 与 SFR 向后兼容。ATSC 包括可选的时间滤波，用于在使用时间子分层时增强标准帧速率图像。

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HFR：DVB 和 ATSC – 时间子层

这是如何运作的？在 ATSC 和 DVB 中，PID（程序 ID）= 0 是 SFR 版本，PID = 1 是 HFR 增强元素，将与 PID 0 一起使用以再现 HFR 版本。

在 DVB 中，查看哪个 PID 实际上并不重要，它们只是奇数帧和偶数帧，因此每个代表一个半帧速率馈送，只带有很小的定时偏移。

在 ATSC 中，帧有些不同。PID 0 中的帧是 HFR 信号的奇数和偶数帧的加权和。结果是 PID 0 内容具有虚假的运动模糊。HFR 相机需要 360 度快门（即，基本上 100％ 的时间都捕获了光子且相机不闪烁）。PID 1 帧的内容是两个信号之间的加权差。这里的窍门发生在接收器中：与 DVB 中一样，如果您不知道更好，请显示 PID 0，您将获得具有全运动模糊的 SFR 信号（取决于权重）。如果您知道的更好，则可以通过对两个 PID 帧求和并求差来恢复连续的 HFR 帧，以重新构成 HFR 的原始奇数和偶数帧。

在过去的几年中，Ultra HD 论坛在 HFR 演示中展示了 DVB 技术，有时在较早的演示中效果不佳：摄像机没有 360 度快门，更像是 180 度快门，因此相机以 100fps 的速度拍摄，但曝光时间为 1/200 秒。奇数帧变为 PID 0，甚至变为 PID 1，并且仅查看其中之一时，播放速度为 50fps，但快门有效地为 90 度（仍为秒曝光的 1/200），从而具有断断续续的效果，像闪光灯一样的演示，很难观看。最终，他们获得了具有 360 度快门的 HFR 摄像机，因此 SFR 播出就好像具有 180 度快门一样，看起来可以接受。

高帧率对体育内容尤其有利，图片来源：Ultra HD 论坛

可以肯定的是，这两种风格不在同一市场上竞争，可以在同一电视机中同时存在于软件或芯片中，可能不涉及任何许可费用，并且与以后的格式之战无关，所以大家不必担心。

ATSC 和 DVB 解决方案可用于地面电视、DTH 卫星电视、有线电视和（多播）IPTV。那么（单播）OTT 流又如何呢？那里的兼容性根本不是问题。VoD 提供程序只是播放与查看器系统功能匹配的版本。可能是 60 或 120 fps（将来，也就是说，Apple TV、Roku、ChromeCast 和 Amazon Fire TV 等当前产品的帧速率不会超过 60fps），但是不同的帧速率只是同一资产的不同版本， HD 和 4K 分辨率是同一资产的不同版本，其使用方式相同。

实践中的 HFR

那么，您可以去商店购买 HFR 电视或显示器吗？最常用到的一个领域是游戏。当前的游戏 PC 以及即将推出的第 9 代游戏主机 PlayStation 5 和 Xbox Series X 都（即将）具备 HFR 输出能力。PC / 游戏显示器已经可以满足要求，高帧率是显示器领先于电视的少数功能的领域之一，不过在高动态范围、对比度、峰值亮度、宽色域、分辨率等方面，大多数功能并没有做得太出色。尽管电视目前的速度不超过 60fps（声称约 120Hz，240Hz 等在市场上销售），但游戏显示器现在可以正常处理 144fps、165fps 甚至 240fps。他们陷入了数字竞赛，试图跟上显卡输出功能的步伐。人眼在多大程度上可以理解 144fps 和 240fps 之间的差异仍然是一个问题。Blurbusters 的创始人马克·雷洪（Mark Rejhon）辩称，基于他一直在做的大量研究，他认为“视网膜刷新率 ”应超过 1000fps。



LG / EBU / 4EVER PROJECT 在 IFA 2016 上进行的 HFR 演示（带有 HLG HDR）

LG 早在 2016 年就公开了 HFR 电视演示，而在 2018 年公开了 2019 款电视的 HFR 演示。在 2018 年的机型上，HFR 支持仍然有限：如这个 LG OLED C8 评测所证明的，它们可以播放 USB 的 HFR 文件。

LG 表示，自 2019 年以来，LG 高端电视已通过 FRL（帧速率链接 – HDMI 2.1 的新信号系统，用于 48Gb / s 带宽）具有 120fps 的 4K HDMI 2.1 接口。2020 年 LG 高端电视通过 FRL 具有 4K120p 的相同 HDMI 2.1 支持。他们在网站上宣传的方式如下：



2020 LG OLED 电视上的 4K HFR 游戏

很少有评论者关注此功能，可能是因为那里的 HFR 内容很少，但这确实是让 LG 当前的高端 UHD 电视吸引用户的原因之一。他们已经准备好通过 PlayStation 5 和 Xbox Series X 进行 4K HFR（即使它们可能需要固件更新才能在认证后完全启用 HDMI 2.1 功能）。其他具备该功能的电视很少，LG 还指定了 4K 40-120Hz 频率范围的 VRR。

实际上，也可以在 HDMI 2.0 带宽上进行 4K120（限制为 8 位 SDR 和 4:2:0 色度），但这是不合规格的。然而，三星自 2019 年以来（在高端电视中）和 LG 自 2020 年以来（至少在 OLED 电视中）一直在这样做。

几代电视都支持 1080p120，有时甚至是 1440p120。这恰好在 HDMI 2.0 带宽之内。评测网站 Rtings 已经在其评测中对 1080p120 和 1440p120 进行了认证，这已经有一段时间了，就像这个 2017 索尼 A1E OLED TV 的评测一样（请查阅“支持的分辨率”这一章节），甚至这个功能可能还支持更旧款的电视。

开始看到可用的 HFR 内容（尤其是实时内容）可能要花一些时间，HFR 很有可能像 4K 分辨率一样，流媒体平台将领先广播公司。因此，也许要看 DAZN 而不是 ESPN。但是，当硬件制造商或内容提供商需要首先进行创新时，这种情况经常存在，您不必担心，电视制造商已经提前迈出了这一步。

一旦 120fps 电视变得很普遍，广播公司就可以开始以 HFR 拍摄体育比赛，但这不一定必须是 4K。带有 HDR 的 1080p，100 或 120fps 的内容其实看起来也不错。在他们为此做好准备之前，您可以使用运动插帧等功能来实现。



比利·林恩的中场战事，图片来源：20 世纪福斯

如果您想在家中亲自体验 HFR，可以购买《比利林恩的中场战事》以及《双子杀手》的 4K HDR UHD 蓝光影碟 。两者均以 60fps HFR 创作，因为 UHD BD 标准无法处理 120fps。实际上，它也无法处理 48fps，因此，如果您想以适当的帧速率观看《霍比特人三部曲》，那将很不幸。常规的 1080p HD SDR 2D 蓝光和 3D 蓝光都只能以 24fps 的帧速率运作，目前还没有发售超高清蓝光，但是当它发售时肯定也只有 24fps。不幸的是，HFR 格式不支持 3D，而 3D 格式不支持 HFR。同时，VoD / 流媒体服务目前不提供任何 3D 或 HFR 内容。

参考内容

DVB UHD-1 第 2 阶段（ETSI TS 101 154 v2.3.1）

ATSC 3.0（A / 341）非常感谢 InterDigital 沉浸式媒体技术标准总监 Bill Redmann 对 DVB 和 ATSC 实现 HFR / SFR 兼容性的解释，以及他对本文的贡献。