高帧率视频标准与规范简介

帧率（High Frame Rate, HFR）是指利用比正常帧率（如24帧/秒）更高的技术拍摄而成的影片。欧洲已经对高于每秒50帧的视频有了广泛的研究。

运动模糊与频闪

运动图像最显著的缺陷就是运动模糊和频闪（或图像抖动）。这类缺陷受物体的运动速度，帧率和每帧的曝光时间影响。

帧速率一定时，运动模糊和频闪可以通过改变每帧期间的曝光时间——即“快门角度”来控制。角度越大，相机用于记录通过镜头的光线的时间越长。

例如，360度快门角度+100 Hz帧速率=每帧曝光10 ms

图1 运动模糊和频闪

快门角度越大，每一帧的曝光时间越长，就会造成严重的运动模糊，但若快门角度越小，运动模糊降低了，但是频闪却又增加了，画面中两帧之间的跳动会造成卡顿感。而增加帧率则可以同时减轻运动模糊与频闪两者，不仅使图像更加锐利，还提高了图像显示质量。

高帧率协议

为了最大化高帧率技术所带来的收益，必须从摄影到显示采用一整套连锁方案。这一方案的技术标准由许多组织创立，例如ITU, SMPTE, DVB和ATSC。接下来将介绍各个支持高帧率的协议。

ITU-R BT.2100-1

ITU定义了贯穿视频技术每个环节上的基础参数。2017年6月，日内瓦的组织发布了BT.2100-1建议书，定义了使用BT.2020宽色域（wide colour gamut）时的High Dynamic Range (HDR)在HD和UHD中图像参数。不仅如此，BT.2100-1还添加了对HFR中100Hz和120Hz帧率的支持。

基于BT.2100 (06/2017)的 ITU-R BT.2199-1 规格

ITU-R BT.2077-2

第二份与HFR的相关的ITU文档是BT.2077-2。这份文档定义了UHD演播室信号（UHD studio signals）的串行数字接口，这类信号的像素数支持3,840 × 2,160（4k）与7,680 × 4,320（8k），帧率可最高达120fps，并可选择4:4:4，4:2:2或4:2:0的10位与12位采样结构。单链路和多链路光电接口的额定速率为6至24 Gbit / s。

DVB-UHD

DVB分阶段推行UHD服务，各个阶段的服务也预计相继上线。

第一阶段只考虑提高像素（到4k），而第二阶段则包括了HDR和HFR（高达120Hz）。在DVB规格的制定者预期中，HDR部分将于2017年推行，而HFR将在2019年推行。UHD的第二阶段的压缩将基于HEVC Main 10 Profile层，但仅支持10位精度。比特流的电平与帧速率有关，HFR（帧速率在60Hz以上）时为5.2，否则为5.1。

协议允许使用用于向后兼容的时间分层。使用时，它允许发送单个流（最高120 Hz），也可以由UHD第一阶段的接收器以一半帧率进行解码。此时，接收机将丢弃构建HFR流所需的信息（例如100Hz），仅保留向后兼容（例如50Hz）的流所需的信息。

ATSC 3.0

与DVB方法类似，美国制定的ATSC 3.0广播电视标准也支持高达120Hz的帧速率和用于向后兼容的时间分层。 此外协议也支持可选的时间域滤波，以减轻在不支持HFR的设备上渲染时间分层时可能出现的频闪问题。

HDMI 2.1

HDMI 2.1协议是2017年提出的最新的HDMI协议。新的协议中支持具有高达10k的视频分辨率和120 Hz的帧速率的UHD。通过HDMI 2.1，未来几代的电视接收器能够解码最高120 Hz的影像。

总结

随着HFR的标准制定完成，设备制造商应该开始考虑在产品（摄像机，混音器mixers，消费级显示器等）中构建HFR支持，而广播公司则该思考如何应用HFR技术到蓝图中了。

参考文献

[1] Paola sunna, Making sense of HFR specifications, tech-i, tech.ebu.ch, Mar. 2018