HFR —— 一种在 UHD 电影中被忽视的技术

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如果你一直都知道UHD电视技术，你可能还记得它有六个基本要点:

UHD(超高清空间分辨率、超高清分辨率、4K或8K)、HDR(高动态范围)、WCG(宽色域)、深色分辨率(高帧率)、NGA(下一代音频)到目前为止，我们已经掌握了其中的大部分。如果你去一家电子商店购买4K电视，它有HDR、WCG、支持杜比全景或AVR的10位彩色和回声墙，它们甚至不会那么贵。大多数电视中唯一被遗忘的是高帧率。就其运作方式而言，这可能是消费者最难理解的。这可能是所有UHD技术中最有争议的，许多误解是多方面的，所以在这里我们试图澄清我们知道什么和不知道什么。

电影中的HFR

HFR是什么意思？这取决于我们在谈论什么。说到电影，任何超过每秒24帧的都叫做HFR。这方面的内容很少，只有少数。起初，我们看了彼得·杰克逊的“霍比特人”三部曲，它以48帧/秒的帧速率拍摄3D内容。紧随其后的是李安的《比利·林恩的长中场散步》，以及最近威尔·史密斯的《双子座男人》，两部电影的拍摄速度都是120英尺/秒和3 d

后来的电影以不同的方式放映:2D剧院以24帧/秒的帧速率放映电影；3D电影根据其性能以60或120帧/秒的帧速率放映。还有一个很好的理由:李安追求高帧率来克服3D图像以24帧/秒放映时的固有问题，比如像彼得·杰克逊的《霍比特人》那样的频闪和闪烁。詹姆斯·卡梅隆的方法略有不同，但他更喜欢在3D电影的某些场景中使用120帧/秒，以避免在全景平移或水平移动时抖动。但是电影中的HFR是一种非常分散的技术。有些人喜欢它，但大多数人(我这里没有确切的数字)似乎讨厌它。他们认为24fps是神圣的。

李安的双子座男人，来源:派拉蒙

这是为什么？部分原因是我们已经习惯了。这段输油管道的视频很好地解释了为什么我们必须保持24英尺/秒。然而，如果更多的像素、更多的颜色、更多的比特和每种颜色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？它是否增加了更多的真实性？是的。这就是它对电影不好的原因。相反，现实不是焦点。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，但是喜欢24帧/秒的帧频，这是我们的大脑已经适应了近100年的条件。虽然我们大多数人不会有意识地注意到它，但我们的大脑会下意识地记录它，并且知道我们正在看一部电影，这可能是一个史诗般的故事。它帮助我们停止怀疑，让我们的大脑进入“电影观看模式”，让我们沉浸其中，并把我们拉进故事中。

有人称24帧/秒为“梦幻般的节奏”，但高帧率打破了这种节奏。一位电影观众简洁地指出:“我没有看到甘道夫和其他人，但是看到一群穿着奇怪服装的演员。”正如你在社交媒体上看到的，“比利·林恩”和“双子座男人”引发了许多类似的反应。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“超级真实”或“视频游戏”其他人称之为“肥皂剧效应”(或许有点用词不当)，指的是她岳母在电视上使用的可怕的体育诽谤。

《霍比特人:五军之战》中的甘道夫，华纳兄弟出品

然而，尚不清楚我们的大脑如何处理帧速率和运动感知，在这个领域进行更多的科学研究可能更合理。

我们(至少我们大多数人)如何下意识地感知24帧/秒的帧速率而不受抖动的干扰？我们的大脑真的适应了把24fps视为“史诗”吗？但是当我们看到60i或60p时，这个机制被关闭，我们进入“肥皂剧”模式。然而，对于今天的讲故事视频游戏来说，高帧率有着明显的优势，游戏玩家显然会喜欢它。那么，以高帧率(120fps及以上)玩视频游戏的人对电影帧率有不同的看法吗？此外，如果肥皂剧的效果是真实的，那么一定会有反肥皂剧的效果，电视内容从60帧/秒转换到24帧/秒会突然变成史诗般的效果？这是体育新闻节目中常用的一种技巧。他们将帧速率降低到24、25或30帧/秒，裁剪图片以获得更大的纵横比(在顶部和底部添加黑条)，并使游戏摘要看起来史诗般。帧率对传统的cel动画电影重要吗？如果是，我该怎么办？在24帧/秒以上的帧率下，这种电影般的感觉会消失吗？25，30，48，60怎么样？有传言说三部《霍比特人》电影显示8fps已经可以保证目标，但是边界在哪里？尽管肥皂剧从不产生3D内容，但3D似乎并不能帮助你停止怀疑，也不能让事情变得更有传奇色彩。也许正好相反。这是因为3D增加了逼真的效果，就像HFR和缺乏纹理一样，它会破坏而不是保持这种“魔力”吗？这种行为可以学吗？从未去过电影院的来自另一种文化的人会以同样的方式评价帧率吗？显然，问题太多，答案太少。

随着电影制作模式的出现和对24帧/秒帧频精确再现的坚持，人们很容易忘记在超高清蓝光出现之前，原始蓝光和高清数字视盘是第一个能够处理这种帧频的家庭媒体。广播和电视、所有消费视频格式、激光唱片甚至DVD都只能使用隔行模式。是的，你会说DVD是第一种提供逐行扫描的格式，但它不是精确的24帧/秒。

好莱坞历史上的一个重要教训很容易被遗忘，因为大部分都发生在很久以前，也就是说，每一次重大的技术变革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是一项强大的新技术，可以在一个大工具箱里制作电影，因此需要探索。旧的方法不适用于HFR，因为它们基于对电影制作的不同假设。也许HFR会带来一种全新的类型，也许它会将电脑动画提升到一个我们无法想象的水平。结合电脑动画，HFR可能会产生比真人演员更有说服力的电脑动画演员，但我们还不知道。

然而，根据过去的经验，我们知道每当一个重大的创新出现时，这样的讨论就会爆发:“谁想听演员的”、“没人想看彩色电影”等等。随着时间的推移，这个想法通常是一个失败的论点。不是说24英尺/秒会永远持续下去，但是接下来会发生什么呢？当你有一个完善的结构(如好莱坞电影制片厂系统和全球电影发行系统)，但电影行业的创新没有尽头时，这些转变需要很多年，有时甚至几十年。电影制作的新辅助工具已经应用到当前的工作流程中，并已被业界接受。

无论如何，下结论还为时过早。毕竟，只有少数导演拍了不到10部HFR电影，所有这些都被认为是制作3D内容的更好方法。与此同时，3D本身花了好莱坞几十年的时间才使它变得正确、主流，并被认为不仅仅是一种新技术。

目前，最好的建议是用自己的眼睛(和开放的心态)来看待HFR，形成自己的观点，不要接受任何教条作为绝对真理。

融合技术

重要的是要记住，好莱坞电影的目标仍然是电影制作和优化。电影院指导电影制作的技术能力和好莱坞的许多“真理”都是基于这个系统。如果突然之间，家庭娱乐成为好莱坞更大的市场，情况可能会改变。好莱坞实际上已经在2018年和2019年看到了这种情况，并且可能在2020年看到更大的变化:为电视优化的电影制作可能看起来与为电影优化的电影制作不同。

毕竟，在电影院工作得好的东西不一定在电视上工作得好。杜比实验室的研究发现，亮度越高，抖动越明显，对比度也越高。在HDR的特别提款权评估中有太多看起来不错的东西，所以为了避免这种情况，配色师最终将HDR归类为深颜色，但这违背了整体目的。研究还表明，在50尼特(传统电影放映的典型亮度)时，理想的帧速率是24帧/秒，而在HDR电视上达到1000尼特时，理想的帧速率是32帧/秒，这种电视很常见，也不太贵。

尽管电视比电影晚了几十年，但这两种技术是并行的，并且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，从单声道到立体声到数字环绕声(杜比，数字电视系统，SDDS，最初是光学电影)，频道的数量正在增加。这些变化是显著的，但它们都遵循进化的规律。然而，最近，电影业有了一些创新。这些创新是重大的技术变革，但它们完全是幕后的，对观众来说非常微妙:从化学胶片到数字投影，胶片装载在硬盘上，然后装入磁带，所有这些很快就变成了在线观看。

电影的下一个重大步骤可能是一个世纪以来最激烈的:从放映到真正的“大屏幕”。当然，不是阴极射线管，不是等离子体，不是液晶显示器，不是有机发光二极管，而是真正的发光二极管。这些演变将带来更大的亮度、对比度和动态范围，并将使电影院的屏幕与家庭影院的屏幕重合。然而，就分辨率、动态范围和亮度在空之间而言，影院系列中的一些设备基本上落后于家庭影院，唯一的优势是屏幕的大小。考虑到上述因素和电影行业的整体保守性，尽管是否将使用更高的帧速率，这也将增加使用更高帧速率的灵活性。

这一转变也将为市场带来新的看客。从未涉足电影放映的三星公司推出了其Onyx Cinema发光二极管，这是一款直径34英尺(10米)的屏幕，具有真正的4K 4096 x 2160分辨率。这一全新的电影技术在2017年登陆了全球几大影院:首尔世界大厦的乐天电影院、曼谷的百丽宫电影院、洛杉矶北部的加州太平洋电影院、巴黎的巴赛·博格内尔剧院、马德里加恩斯的桑比尔剧院和北京的首都电影院。

三星ONYX影院发光二极管显示器

这种转变需要几年时间，这些东西并不便宜，它所取代的技术也不便宜。这是一项资本投资，但电影和电视技术的整合比以往任何时候都更加广泛。在未来，电影院的屏幕将基本上是一个非常大的电视机，通常会有一个优秀的杜比大气系统。

例如，预计电视技术向电影院的转移将反馈给家庭。如果你有一个富裕的家庭，三星的microLED显示屏显然更合适。这是一个模块化系统，这意味着你可以构建不同的屏幕尺寸和分辨率。模块的尺寸是16×18英寸，像素是360×360。一台高清电视将使用18个模块，一台4K电视需要76个模块，一台8K电视需要288个模块。而且没有限制。如果你有足够的钱，你可以得到16K。一个模块大约需要10，000美元，所以这取决于你是否有足够的钱。

三星“墙”微型电视的尺寸选择

索尼的画布或“CLEDis”(水晶led集成结构或显示系统)有非常相似的规格和尺寸。当然，这项技术主要是针对专业应用，但索尼已经明确表示，它也可以用于家庭。

为了使它现在成为大众市场，我们需要降价99%左右。这听起来不可思议，不是吗，但别忘了，4K电视的成本在过去七年里一直在下降。

好消息是，像电影产品一样，家用产品提供强大的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的HFR。

其他电视内容HFR

因此，如果低帧速率只对脚本表演很重要，那么在现实主义很重要的地方(如自然纪录片和现场体育节目)，高帧速率会更好吗？有证据表明情况确实如此。HFR以一种非常好的方式增强了“在那里”的感觉。但在此之前，请回到HFR的定义。

收音机和电视现在有各种各样的分辨率，但是它们在上升，但是非常慢。一个相关的趋势是，尽管速度很慢，但可以肯定的是，我们似乎已经摆脱了隔行视频，在隔行视频中，“场”(只有奇数行或偶数行的半帧)是连续显示的。当然，在1080高清分辨率下，仍然有很多50i和60i的内容，但是在超高清分辨率下，只允许全帧逐行扫描。允许各种帧速率(包括小数)，但50p和60p不被视为HFR，它们是标准帧速率。当像超高清论坛这样的组织谈论高帧率时，他们的意思至少是两倍:100或120帧/秒或更高。

是什么(尽管非常慢)导致帧速率增加？这是一场愚蠢的数字竞赛，就像有人会争辩说在空和4K 8K之间转向更高的分辨率？不完全是。即使我们不需要或者不想在电影中使用它，我们仍然有一定的优势。

首先，为什么我们要切换到更高的屏幕分辨率？仅仅因为电视制造商可以并且他们看到更高分辨率的电视有更高的利润率？不，它的背后不仅仅是技术进步。几十年来，电视变得越来越大。这是一个相当稳定的趋势，甚至在地区之间，这些平均直径以每年大约1英寸的速度增长。

与此同时，我们的观看距离没有太大变化。客厅(平均大小因地理位置不同而异)没有显著增加。这就是为什么我们需要更多的像素。现在，随着分辨率的提高，运动模糊的风险也增加了。这对于8K分辨率尤其明显。8K体育内容，如奥运会，你可能不想以低于100帧/秒的帧速率观看。尽管日本公共广播公司NHK已经宣布它将在8K拍摄和播放大部分奥运会，但是他们还没有说帧率是多少。

HFR困难

HFR的拍摄、记录和传输可能相对简单(可以说比HDR简单)，但有一个复杂因素:如何实现与标准帧速率电视和传输系统的向后兼容？目前，有两种解决方案，DVB和ATSC以不同的方式解决这个问题，它将在这里获得更多的技术。

它们的共同点是都使用一种称为时间子层的技术来使HFR和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。

HFR:DVB和ATSC时间子层

这是如何工作的？在ATSC和DVB中，程序标识= 0是SFR版本，程序标识= 1是HFR增强元素，并将与程序标识0一起用于再现HFR版本。

在数字视频广播中，看哪个数字视频信号并不重要，它们只是奇数帧和偶数帧，因此每个帧只代表半帧速率，只有很小的定时偏移。

在ATSC，框架有些不同。PID 0中的帧是HFR信号的奇数帧和偶数帧的加权和。结果是PID 0的内容具有虚假的运动模糊。HFR相机需要360度快门(即，光子基本上100%被捕获，并且相机不闪烁)。PID 1帧的内容是两个信号之间的加权差。这里的技巧发生在接收器上:像DVB一样，如果你不知道更好，请显示0，你会得到全运动模糊的SFR信号(取决于重量)。如果您知道得更清楚，您可以通过对两个PID帧求和和相减来重建HFR的原始奇数帧和偶数帧，以恢复连续的HFR帧。

在过去的几年里，超高清论坛已经在HFR演示了DVB技术，有时在早期的演示中效果不佳:相机没有360度的快门，更像是180度的快门，所以相机的拍摄速度是100帧/秒，但曝光时间是1/200秒。当奇数帧变为0级或1级时，只观看其中一帧，回放速度为50fps，但快门实际上是90度(仍为二次曝光的1/200)，因此具有间歇效果，很难观看类似闪光的演示。最后，他们获得了360度快门的HFR相机，所以SFR广播看起来可以接受，就好像它有180度快门一样。

高帧率对体育内容特别有益。图片来源:超高清论坛

可以肯定的是，这两种风格并不在同一个市场上竞争，它们可以同时存在于同一台电视机的软件或芯片中，并且可能不涉及任何许可费用，并且与未来的格式战争无关，因此您不必担心。

ATSC和DVB解决方案可用于地面电视、DTH卫星电视、有线电视和(组播)网络电视。(单播)OTT流怎么样？兼容性根本没有问题。VoD提供商只播放与观众系统功能匹配的版本。它可能是60或120帧/秒(也就是说，在未来，目前的产品，如苹果电视，六库，铬铸和亚马逊消防电视的帧速率不会超过60帧/秒)，但不同的帧速率只是同一资产的不同版本，高清和4K分辨率是同一资产的不同版本，它们的使用方式是相同的。

实践中的HFR

那么，你能去商店买HFR电视或显示器吗？最常用的领域之一是游戏。当前的游戏个人电脑以及即将推出的第九代游戏控制台PlayStation 5和Xbox系列X(很快)具有HFR输出能力。电脑/游戏显示已经可以满足要求。高帧率是显示器领先于电视的少数几个领域之一。然而，大多数功能在高动态范围、对比度、峰值亮度、宽色域、分辨率等方面不是很好。虽然目前电视的速度不超过60帧/秒(据称约为120赫兹、240赫兹等)。在市场上出售)，游戏显示器现在通常可以处理144fps、165fps、甚至240fps。他们陷入了一场数字竞赛，试图跟上显卡的输出功能。人眼能够理解144fps和240fps之间差异的程度仍然是一个问题。Blurbusters的创始人马克·雷洪认为，基于他所做的大量研究，他认为“视网膜刷新率”应该超过1000fps。

LG/EBU/4EVER IFA项目2016 HFR展示(HLG HDR)

LG早在2016年就发布了HFR电视演示，2018年发布了2019年的电视演示。HFR对2018年款的支持仍然有限:正如这个LG有机发光二极管C8评估所证明的，他们可以播放通用串行总线HFR文件。

LG表示，自2019年以来，LG的高端电视通过FRL(帧速率链路——HDMI 2.1的新信号系统，带宽为48Gb/s)拥有120fps的4K HDMI 2.1接口。在2020年，LG高端电视通过FRL拥有相同的4K120p的HDMI 2.1支持。他们在网站上做广告的方式如下:

2020年LG有机发光二极管电视4K HFR游戏

很少有评论员关注这个功能，可能是因为HFR的内容很少，但这也是LG目前高端UHD电视吸引用户的原因之一。他们通过PlayStation 5和Xbox系列X为4K HFR做好了准备(尽管他们可能需要固件更新以在认证后完全启用HDMI 2.1功能)。很少有其他电视机有这种功能。LG还指定了4K 40-120赫兹频率范围内的VRR。

事实上，4K120(限于8位软件无线电和4:2:0色度)也可以在HDMI 2.0带宽上执行，但这不符合规范。然而，三星从2019年就开始这样做了(在高端电视领域)，LG从2020年开始这样做了(至少在OLED电视领域)。

几代电视支持1080p120，有时支持1440p120。这恰好在HDMI 2.0带宽内。评估网站Rtings已经在其评估中认证了1080p120和1440p120，这已经有一段时间了，就像2017年对索尼A1E有机发光二极管电视的评估一样(请参考“支持的分辨率”一节)，甚至该功能也可能支持较旧的电视型号。

开始查看可用的HFR内容(尤其是实时内容)可能需要一些时间。HFR可能会像4K分辨率，流媒体平台将引领广播公司。因此，我们可能要看看大津，而不是ESPN。然而，这经常发生在硬件制造商或内容提供商需要首先创新的时候。你不用担心。电视制造商已经提前迈出了这一步。

一旦120fps的电视变得普遍，广播公司可以开始拍摄与HFR的体育比赛，但这不一定是4K。满足于HDR 1080磅、100磅或120磅实际上看起来不错。在准备好之前，您可以使用诸如运动帧插入之类的功能。

比利·林恩的长中场散步，照片来源:20世纪福克斯

如果你想在家亲身体验HFR，你可以从比利·林恩的《中场战争》和《双子座男人》中购买4K·HDR·UHD的蓝光光盘。两者都是以60英尺/秒的HFR速度创建的，因为UHD BD标准不能处理120英尺/秒。事实上，它也不能处理48帧/秒，所以如果你想以合适的帧速率观看《霍比特人》三部曲，那将是不幸的。传统的1080像素高清2D蓝光和3D蓝光只能以24帧/秒的帧速率工作。超高清蓝光尚未售出，但售出后肯定只有24fps。不幸的是，HFR格式不支持3D，而3D格式不支持HFR。同时，视频点播/流媒体服务目前不提供任何3D或HFR内容。

参考内容

DVB UHD-1二期(ETSI TS 101 154 v2.3.1)

ATSC 3.0(A/341)非常感谢叉指沉浸式媒体技术标准总监比尔·雷德曼对DVB和ATSC之间的HFR/SFR兼容性的解释以及他对本文的贡献。