60p的4K有多難？聊聊相機的視頻技術設計

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再聊今天的主題，Photokina可以說勁爆的消息一條接一條，全畫幅甚至中畫幅市場未來都會相當熱鬧，連一貫高冷的蔡司都跟進來插了一腳。不過很多東西都還在始發階段，不太好瞎聊，但松下的S1系列有一個不知道大家有沒有注意的特點：全球首發全畫幅60p 4K視頻功能。這就有點兒意思了，可以延伸來簡單說說。

松下擅長視頻應該是共識了，但S1系列畢竟是全畫幅，如果支持60p 4K意味著什麼呢？如果單看技術層面，簡單來說就是感測器輸出速度非常快。但這個說法太簡單，太缺乏前提了，就視頻帶寬佔比來說：編碼方式、採樣深度、採樣幅度都是大頭。

先從幅度說起，假設4700萬像素（3:2比例8394×5596）的S1R是全寬16:9超采，也就是利用3960萬像素左右（8394×4721）的幅度實現60p 4K輸出，也就意味著它的全像素輸出可以做到50.5fps，這顯然是不現實的事情，因此它一定是大幅縮小超采幅度，如果縮小到6000×3375的2025萬像素呢（索尼堆棧式旗艦A9的4K採樣幅度規格），這時候需要感測器全速輸出可以25.8fps，似乎也有點過分了（但松下沒有公布規格，如果是最新製程暴力層積DRAM的話，做到這個程度是有希望的，考慮到兩家複雜的關係，這塊感測器也很有可能來自索尼，A9之所以沒有這種規格是因為不能越界敲打自家電影器材，換句話說是商業策略原因，而非技術問題）。

2400萬像素的S1也是如此，如果按照6000×3375超采做60p 4K，全像素的輸出也需要50.6fps左右，情況與S1R老大哥類似，換言之就是在這種考量下，它們都需要比較明顯地縮小採樣幅度，也就是減少感測器利用面積來實現60p 4K。不過顯然，這種演算法同樣比較單純，技術上可以通過採用抽行（我覺得不太可能），或合併像素（比如GH5S的IMX294CJK所採用的Quad Bayer技術，四個像素共用一個色彩濾鏡）等方式來實現降低採樣像素總數而不減少感測器採樣面積，但這個技術是為HDR而生的，目前來看主要應用於低有效像素感測器上，像2400甚至4700萬這種我覺得目前可能還有難度，這應該也是Photokina上只有模型機的可能原因之一。

採樣深度方面的變數就更大了，即便是松下自家的GH5S，內錄60p 4K時也只能4:2:0 8bit，想要4:2:2 10bit就只能降低到30p，外錄的情況下才能實現4:2:2 10bit 60p。這些規格大家都應該多多少少看過，但表達的技術含義可能並不一定清楚，4:2:2這種數字比名稱為Y』CbCr，是色彩空間表達式，Y』表示亮度信息，Cb與Cr則表示綠色分量和紅色分量。因為人眼對亮度信息變化非常敏感，但對色彩信息，尤其是色彩解析度敏感度較低，所以通過降低色彩解析度的形式來降低數據流。完整的全採樣是4:4:4，第一個值代表水平採樣參考值，通常為4，它代表了後兩個數值的最大值。第二個值代表CbCr色度採樣像素值，可以只有1、2、4個像素參與採樣。而第三個數值代表了子採樣次數，同樣可以取值1、2、4，但這一層級的採樣是可以忽略的，可以記為0。在模擬信號領域類似的記法是YUV：

各種採樣的實拍對比如下圖：

第一行是彩色截圖，第二行則是色彩解析度的灰度表現形式，可以看到在明度信息不變的情況下，即便第二行的差距一眼便知，但結合到圖像中我們就很難區別它們之間的差別，所以這是利用人眼特性的一種合理處理方法。畢竟4:2:2隻需要4:4:4三分之二的帶寬，視覺效果卻非常接近，幾乎是各類高性能電影器材的標配了。

不同取值的Y』CbCr定義了不同的色彩採樣空間，把它想像成一條香腸的話（請不要想歪了去），色彩空間越大香腸越長，而10bit、8bit等位深信息代表的是能把這條香腸切成多少份，8bit就是256份（單個原色，下同），10bit就是1024份，12bit則是5120份……很明顯，香腸越長、切得越細，能反饋的顏色範圍更廣、準度更高，但相應的數據量就越大。

而在編碼方式上，專業電影機會支持14/12bit CinemaDNG或12bit ProRes RAW、10bit ProRes 4444XQ等原始格式，當然後端還有壓縮方式和音頻格式上的影響，比如10bit 4:2:2的IPB壓縮就可以只有150Mbps，AII-I壓縮就是400Mbps，8bit 4:2:0結合IPB壓縮就可以再進一步降低到100Mbps。GH5S能做到內錄10bit 4:2:2的確很犀利，但也有超采幅度小的減法做在前面，所以並不足為奇，但S1系列應該很難做到這個水平。

隨著電影機8K時代的臨近，對更大畫幅的需求也是呼之欲出，如果要主打視頻功能，從現在就開始起步當然是一件好事，畢竟有了機身才會有各種配件附件開始出現，不負責任地猜想松下就是這麼琢磨的，未來可期。

國慶期間有時間的話就不定期更新，有問題歡迎移步評論區~

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