超高清數字電視關鍵技術研究

孫樂民，薛永林

（1.長虹電器集團技術中心，四川 綿陽 621000；2.清華大學 信息技術研究院，北京 100084）

1 超高清電視概述

人們對高質量圖像和聲音的追求是永無止境的。目前的高清晰度數字電視像素結構是1 920×1 080，垂直視角大約為20°，水平視角大約為30°。根據人的視覺特性，為了享受臨場感和真實感，觀看電視的視角應大于100°，觀看距離拉近到圖像高度的0.75倍左右，如圖1所示。

這么近的距離觀看，對圖像和顯示屏都提出了更高的要求。以100 in（這里采用英制，1 in=2.54 cm）的平面顯示屏為例，如果繼續采用高清電視1 920×1 080的像素結構，每個像素的尺寸約為1.2 mm×1.2 mm。如果顯示屏到了150 in，像素尺寸則達到1.8 mm×1.8 mm，如此大尺寸的像素已超出人們視覺的“敏感度”，圖像的“顆粒現象”將會變得十分嚴重。同時，高清分辨力的圖像再通過視頻壓縮，也不能完全滿足人對現場感、真實感的視覺要求。因此，需要研究和定義更高清晰度的電視來滿足人們的需求。

同樣，自有電視以來，電視聲音從單聲道發展到立體聲、環繞立體聲、杜比5.1聲道，其聲場都是平面聲場，人們只能聽出前后左右，而不能體驗到包括上下兩個方向的完整的立體空間聲場。

20世紀末，日本、美國和歐洲的大型科研機構開始了超高清數字電視（Ultra High Definition Television，UHDTV）[1]的研究，如今已經取得了一系列的研究成果[2]。按像素結構定義出3種超高清電視模式：4k模式，W（寬）×H（高）=3 840×2 160像素；8k模式，W×H=7 680×4 320像素；16k模式，W×H=15 360×8 640像素。UHDTV圖像的像素寬高比為1∶1，圖像幅型比為16∶9。為UHDTV設計的聲音達到了22.2聲道，形成上、中、下3個環繞聲場，構成了完整的空間立體聲場。

2 超高清數字電視關鍵技術

超高清數字電視圖像的數據遠遠高于當前標清數字電視和高清數字電視，因此不能繼續使用目前的MPEG-2或MPEG-4（AVC）[3]標準來實現信源壓縮編碼，也不能繼續使用目前的傳輸信道編碼。從系統角度來看，超高清數字電視系統研究的內容包括信源壓縮編碼、傳輸信道編碼，在接收機端，涉及到超高清數字電視的接收和解碼、顯示。如果還要考慮兼容性，超高清數字電視的研究領域還包括圖像的插補和處理。

2.1 超高清視頻處理

以4∶4∶4采樣為例，4k模式超高清數字電視信號圖像的原始數據率為（3 840×2 160 bit/幀）×（24 bit/pixel）×（30幀/s），即大約6 Gbit/s，8k模式的原始數據率則大約為24 Gbit/s。以4∶2∶2采樣，4k和8k模式的數據率也要分別達到4 Gbit/s和16 Gbit/s。要將如此之大的數據量進行傳輸，必須研究新的壓縮編碼方法。2010年，ISO/IEC活動圖像專家組（MPEG）和ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）聯合成立了視頻編碼聯合小組（JCT-VC），來開發一個稱之為“高效視頻編碼（HEVC）”的下一代標準[4]。該標準的要求是，與H.264高檔次（High Profile）對比，在保持計算復雜度基本一致，主觀圖像質量相當的前提下，將碼率（bitrate）下降50%。ITU-T視頻編碼專家組表示，在稍微增加復雜度的前提下，還可以將碼率下降到25%。

HEVC采用的編碼技術與H.264混合編碼結構大致相似，表1列出了它們的對比。

表1 H.264和HEVC編碼技術對比

HEVC的目標是成為下一代數字電視圖像壓縮編碼國際標準，它覆蓋了從QVGA（320×240）到1 080p和超高清UHDTV（7 680×4 320），還根據噪聲電平、色域和動態范圍，改進了圖像質量。HEVC被認為是H.264的下一代標準，因此又被稱為“H.265”。按照聯合視頻編碼小組（JCT-VC）的計劃，2012年2月將完成整個HEVC標準草案；2012年7月，完成國際標準草案；2013年1月，完成國際標準最終版。

如果把1995年頒布的MPEG-2標準看作是數字電視的第一代信源壓縮編碼標準，經歷8年后，2003年頒布的H.264可以看作第二代視頻編碼標準，H.264的碼率比MPEG-2下降了50%。HEVC標準可以看作是第三代編碼壓縮標準，HEVC的碼率將比H.264再下降50%或更多。這樣，對于4k模式30幀/s的超高清視頻，采用H.264標準可壓縮至40 Mbit/s以內，而采用HEVC可望壓縮到20 Mbit/s以內。

2.2 超高清電視音頻處理

超高清22聲道的布置如圖2所示，頂層安排了9個聲道，中間層安排了10個聲道，底層在電視屏幕下方布置了3個聲道。上、中、下3個環繞聲場，構成了完整的空間立體聲。

這樣組成的3層環聲場的下層兩側再增加2個低音聲道，構成完整的22.2環繞聲系統，與目前流行的7.1聲道環繞聲系統相比，最為突出的是將聲場完全三維化，聲音更真實、更具現場感，能帶給人更強烈的感官享受。

當然22.2聲道的音頻數據率也不可小視，以每聲道48 kbit/s、24 bit采樣為例音頻數據率達到約28 Mbit/s，經過音頻壓縮后數據率也將超過2.8 Mbit/s。目前Dolby和DTS都在開發類似的多聲道立體環繞聲技術和系統，MPEG也在制定相關的多聲道標準。對于家用來說，22.2聲道播出系統的聲場布置要求未必普遍適用。因此，MPEG正在制定的環繞聲標準SAC（Spatial Audio Coding）[5]考慮了后向兼容，即可以兼容或更新已有的立體聲或單聲道系統。SAC在編碼時利用音源的強度和聲道之間的空間相關性進行下混處理（Downmix），這樣既可以減少多聲道音頻本身的傳輸數據率，只需要增加較少的音源空間信息數據，又可以增強已有音頻系統的播放效果。

2.3 超高清數字電視傳輸

第三代信源編碼標準呼之欲出時，信道傳輸標準在2009—2010年間完成了第二代更新。第二代標準DVB-C2（ETSI EN 302 769：2010）[6]和 DVB-T2（ETSI EN 302 755：2009）[7]的系統模型相似，如圖3所示。

與第一代DVB標準的單傳輸流TS輸入不同，第二代DVB標準的系統輸入可以是1路或多路MPEG-2傳輸流（TS），和/或是1路或多路通用封包流（GES）。輸入預處理器（它不屬于系統模型），可以是業務分割器或解復用器，用來將業務分割成1個或多個邏輯數據流，通過物理層管道進入系統輸入。這樣使第二代DVB標準能夠靈活地支持多種業務。

第二代DVB標準中糾錯編碼采用BCH+LDPC，取代了原來的RS（204，188）。BCH與RS編碼一樣屬于線性循環編碼，它具有糾正多個錯誤的能力。LDPC是低密度奇偶校驗編碼，采用BCH+LDPC的級聯糾錯編碼，在接收信號載噪比高于門限時，幾乎可以達到“準無誤碼”的理想接收。

第二代DVB標準普遍采用高階調制，DVB-C2最高達到4 096QAM，DVB-T2達到256QAM，使一個調制符號攜帶更多的數據比特。

DVB-C采用單載波QAM調制，而DVB-C2采用OFDM（正交頻分復用）調制。

表2給出了DVB-C和DVB-C2的對比，表3給出了DVB-T和DVB-T2的對比。

表2DVB-C和DVB-C2的對比

表3DVB-T和DVB-T2的對比

采用上述最新技術后，除了傳輸性能的提高，在頻譜效率方面DVB-T2的數據傳輸達到40 Mbit/s以上，DVB-C2的數據傳輸達到56 Mbit/s，可以實現在一個8 MHz帶寬的傳輸通道內傳輸4k模式超高清壓縮編碼的信號；采用頻道綁定技術，在32 MHz帶寬的通道內可以傳輸8k模式的超高清電視信號。

2.4 超高清電視顯示

目前已有部分日本、韓國和臺灣的平板顯示屏制造企業能夠提供4k超高清顯示屏。奇美的56 in V562D1–L01 LCD超高清屏，采用雙DVI接口輸入，分別對應圖像的左右部分，如圖4所示。

國內大尺寸的超高清顯示屏，還采用拼接方式來制造。100 in以上4k屏采用4塊1 920×1 080屏拼接，100 in以上8k屏采用4塊3 840×2 160屏拼接。四川虹歐顯示器件有限公司采用在整體玻璃面板后面拼接顯示單元，可以制造100 in以上的4k超高清顯示屏，拼接縫≤0.3 mm，即使是專業人士也很難看出接縫。

在當前平板顯示技術不斷進步的情況下，超高清電視顯示屏已經出現。索尼、三星、夏普等公司均已推出了4k分辨力的LCD樣機或產品，Panasonic推出了152 in的4k分辨力PDP。以目前主流平板電視主流產品來看，24 in LCD可以達到1 080p顯示，則原理上50 in LCD可達到2 160p（4k）顯示，100 in LCD可達到4 320p（8k）顯示；同樣，42 in PDP可以達到1 080p顯示，則原理上84 in PDP可達到2 160p（4k）顯示。實際上，接近人眼分辨力極限的300 pixel/in的所謂視網膜顯示屏在平板小屏便攜產品中正日趨主流，對于超高清顯示大屏幕來說也只是生產和成本等方面的問題，將在未來幾年逐漸進入市場。

在視頻顯示接口方面，筆者認為未來超高清電視的視頻接口主流將是數字接口。現有的一些超高清顯示器采用DVI dual-link方式，隨著Displayport 1.2和HDMI 1.4標準對4k顯示模式的支持，未來超高清電視產品將以這兩種接口或其中之一作為超高清的主要接口方式。

3 結論

目前已研究出超高清電視產品樣機的公司有索尼、松下、夏普、三星、LG等。2003年開始，每逢重大國際電子展會都會展出超高清數字電視的最新成果。2005年NHK還通過21 GHz衛星，進行了超高清數字電視的遠程傳輸，2007年通過互聯網實現了東京到大阪的超高清傳輸。2012倫敦奧運會期間，日本NHK和英國BBC將聯合進行超高清電視傳輸試驗，通過大西洋—美國東海岸—美國西海岸—太平洋—日本超遠距離，進行實況轉播和非實況節目傳輸試驗。可以預見，隨著未來幾年超高清相關技術和標準的逐步完善和制定，超高清數字電視也將逐步進入市場，為人們的視聽感受帶來全新的體驗。

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[1]ITU-R BT.1769，Parameter values for an expanded hierarchy of LSDI image formats for production and international programme exchange[S].2006.

[2]李超.超高清晰度電視與三維電視進展[J].電視技術，2011，35（22）：19-24.

[3]ITU-T Rec.H.264|ISO/IEC 14496-10，Advanced Video Coding[S].2005.

[4]BROSS B.WD4：Working draft 4 of high-efficiency video coding:JCT-VC F803v8[C]//JCT-VC 6th Meeting，Torino，IT，14-22 July，2011.[S.l.]：JCT-VC，2011.

[5]VILLEMOES L，HERRE J，BREEBAART J，et al.MPEG surround:the forthcoming ISO standard for spatial audio coding[C]//28th International Conference：The Future of Audio Technology--Surround and Beyond.[S.l.]：AES，2006.

[6]ETSI EN302 769，Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital transmission system for cable systems（DVB-C2）[S].2010.

[7]ETSI EN302 755，Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system（DVB-T2）[S].2009.