超高清晰度電視系統(tǒng)概貌

潘 榕，李桂苓

（1.國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015；2.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

專 題 超高清電視

超高清晰度電視系統(tǒng)概貌

潘 榕1，李桂苓2

（1.國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015；2.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072）

較全面地給出了超高清晰度電視（UHDTV）系統(tǒng)概貌。提供了UHDTV的系統(tǒng)模型，給出了UHDTV的基本參數(shù)如寬高比等的設(shè)計(jì)原則。導(dǎo)出了UHDTV的最佳觀看距離等參數(shù)。介紹了UHDTV高效視頻編碼的必要性和適用的編碼標(biāo)準(zhǔn)、UHDTV節(jié)目傳送的解決方法、節(jié)目顯示傳送接口和顯示技術(shù)以及22.2多聲道系統(tǒng)的基本情況。

超高清晰度電視；參數(shù)；高效視頻編碼；節(jié)目傳送；顯示技術(shù)；22.2多聲道系統(tǒng)

超高清晰度電視（Ultra High Definition Television，UHDTV）致力于“在與家庭和公共場(chǎng)所使用環(huán)境相對(duì)應(yīng)的合適顯示器尺寸上，呈現(xiàn)幾乎涵蓋人類視野全部范圍的寬視場(chǎng)，從而為觀眾提供增強(qiáng)的視覺體驗(yàn)[1]”。第一部完善的UHDTV標(biāo)準(zhǔn)由SMPTE于2009年制定并頒布，隨后ITU于2012年頒布了Rec.ITU-R BT.2020《超高清晰度電視系統(tǒng)節(jié)目制作和國(guó)際交換用參數(shù)值》。SMPTE和ITU的這兩部標(biāo)準(zhǔn)核心內(nèi)容區(qū)別不大，且兩者分別在2013年和2014年進(jìn)行了版本更新[2-3]。UHDTV標(biāo)準(zhǔn)的頒布，帶動(dòng)了各國(guó)試驗(yàn)UHDTV系統(tǒng)和試播UH?DTV節(jié)目的熱潮，我國(guó)遼寧省大連市也通過有線廣播方式，于2014年8月第一次在國(guó)內(nèi)試播了UHDTV節(jié)目。

1 UHDTV系統(tǒng)模型

UHDTV系統(tǒng)包含幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：節(jié)目制作、壓縮編碼、傳送、接收解碼和顯示。UHDTV的系統(tǒng)模型如圖1所示。

2 UHDTV節(jié)目參數(shù)

2.1 基本參數(shù)

用于UHDTV節(jié)目制作和交換用的參數(shù)見SMPTE ST 2036-1和Rec.ITU-R BT.2020-1。以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所給的參數(shù)基本一致，主要區(qū)別在于前者沒有規(guī)定恒定亮度，且允許HDTV中的色度參數(shù)作為UHDTV中可選的參數(shù)。部分基本參數(shù)如表1所示。

圖1 UHDTV系統(tǒng)模型

表1 UHDTV基本參數(shù)

2.1.1 寬高比

寬高比是圖像的基本性質(zhì)之一，不同寬高比之間的轉(zhuǎn)換必然會(huì)帶來可以觀察到的失真現(xiàn)象。但人們選擇何種寬高比并沒有美學(xué)或生理上的依據(jù)[4]。對(duì)于UHDTV的寬高比而言，選擇16∶9的原因只是在ITU-R BT.1201建議書中，將極高分辨率成像（Extreme?ly High Resolution Imagery，EHRI）的分辨率簡(jiǎn)單設(shè)定為1 920×1 080的整數(shù)倍，從而UHDTV也沿襲了16∶9的寬高比。

2.1.2 像素?cái)?shù)

所需視場(chǎng)和清晰度的大小決定了像素?cái)?shù)（或像素每單位視角）：3 840×2 160（以下簡(jiǎn)稱4K以及對(duì)應(yīng)UH?DTV4K）和7 680×4 320（以下簡(jiǎn)稱8K，對(duì)應(yīng)UHDTV8K）。

2.1.3 幀頻

BT.2020規(guī)定了超高清視頻的最高幀頻可以達(dá)到120 Hz。這是因?yàn)殡S著超高清畫面視角的加大，人類視覺系統(tǒng)的臨界閃爍頻率（Critical Flicker Frequencies，CFF）也隨之提高，因此需要提高幀頻，減少人們?cè)谟^看UHDTV節(jié)目時(shí)對(duì)閃爍的感知。另外，當(dāng)系統(tǒng)的視場(chǎng)變大時(shí)，物體速度（角度/秒）通常會(huì)趨向于變快。例如，保持拍攝角度不變，HDTV屏幕上的物體會(huì)比SDTV屏幕上的運(yùn)動(dòng)更快，而保持類型顯示器（如LCD）會(huì)有運(yùn)動(dòng)感知模糊的問題，需要在某一幀頻上，在閃爍和運(yùn)動(dòng)感知模糊之間做出折中，目前好的方式就是提高系統(tǒng)幀率。

2.1.4 掃描方式

UHDTV采用逐行掃描方式。HDTV等電視系統(tǒng)都采用了隔行掃描，第一是為了與之前模擬電視系統(tǒng)的掃描方式相兼容，第二是為了降低傳送碼率。在UH?DTV中采用逐行掃描的原因是：第一是隔行掃描中的反交錯(cuò)技術(shù)不能真正實(shí)現(xiàn)完整畫面；第二是現(xiàn)有的視頻編碼技術(shù)如HEVC等的效率很高，不需再使用隔行技術(shù)以降低帶寬。目前，很多電視顯示器在顯示畫面時(shí)，都會(huì)將接收到的場(chǎng)圖像先合并成幀圖像，再采用MEMC（運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償）等技術(shù)將幀圖像內(nèi)插，形成高達(dá)120 f/s（幀/秒）甚至更高幀頻的圖像序列在顯示端播放，因此再在電視前端輸出場(chǎng)信號(hào)意義不大。

2.1.5 色域

分別根據(jù)HDTV和UHDTV的三基色坐標(biāo)，可得兩者之間及與可見光譜色軌跡（舌形曲線）的對(duì)比，如圖2所示。將一幅花卉的圖像色度坐標(biāo)描繪在色域中，可見該坐標(biāo)已經(jīng)超出了HDTV的色域范圍，但絕大部分還處于UHDTV的色度范圍內(nèi)，這表明UHDTV對(duì)三基色的規(guī)定更符合客觀需求。

圖2 HDTV，UHDTV與譜色色域

2.1.6 信號(hào)格式

在三種信號(hào)格式中，R'G'B'用于保證節(jié)目的最佳品質(zhì)；恒定亮度中亮度信息只由Y'C攜帶（由RGB以線性方式生成），與C'BC和C'RC無關(guān)，這樣可以準(zhǔn)確保留亮度信息，改進(jìn)傳輸編碼效率；非恒定亮度中RGB經(jīng)過非線性處理，再生成Y'，因此Y'含有色度信息，這樣可以兼容SDTV和HDTV廣播環(huán)境。

2.1.7 編碼格式

UHDTV的寬色域要求決定了圖像信號(hào)的編碼格式。與HDTV相比，UHDTV的色域范圍更大，若賦予相同的編碼位數(shù)，則UHDTV相鄰色度之間的色差ΔEab*也會(huì)更大。表2給出了同時(shí)設(shè)置為8 bit編碼時(shí)，HDTV和UHDTV的色差ΔEab*的比較[1]。這表明需要賦予UHDTV更多的編碼位數(shù)，使得色度數(shù)值更為精確，連續(xù)色度值之間的色差更小，最終達(dá)到人眼不可察的程度。UHDTV給出了10 bit和12 bit兩種編碼格式，10 bit編碼時(shí)最大色差降到1以下；12 bit時(shí)將低于最小可察對(duì)比度。

表2 8 bit編碼時(shí)的平均和最大色差

對(duì)上述參數(shù)的進(jìn)一步說明，可見文獻(xiàn)[5]。文獻(xiàn)[5]較系統(tǒng)地說明了我國(guó)UHDTV可選用參數(shù)值的依據(jù)。

2.2 導(dǎo)出參數(shù)

對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，還可以得到一些直接反映UHDTV特征的參數(shù)（簡(jiǎn)稱導(dǎo)出參數(shù)）。

在ITU-R BT.1845-1中指出“在最佳觀看距離處，一單位像素對(duì)應(yīng)于一角分的視角”。觀看UHDTV節(jié)目的最佳距離為

式中：v為掃描行數(shù)（2 160或4 320）；H是有效發(fā)光屏幕高度；d是最佳觀看距離。

觀看UHDTV節(jié)目時(shí)的水平和垂直視角為

式中：r是寬高比；d是最佳觀看距離；θH和θV分別是水平和垂直視角。

從SDTV到HDTV時(shí)代，人們?cè)诩彝ブ杏^看電視的平均距離（2.1 m）基本沒有改變。因此可根據(jù)式（1）得到屏幕高度H（此時(shí)d=2.1 m），再經(jīng)過換算得到屏幕尺寸。UHDTV導(dǎo)出參數(shù)見表3。

人類視野差異很大，一般掃視一眼景物的水平視角約120°，極限接近180°，垂直一般為30°～38°，極限近80°。測(cè)試表明：視網(wǎng)膜中心分辨力最高，約15°，稱分辨視域；向外到的30°稱有效視域，分辨力下降，但不轉(zhuǎn)動(dòng)頭部仍能看清物體的存在及其運(yùn)動(dòng)；約30°～100°周邊稱誘導(dǎo)視野（余光），會(huì)因感到物體的存在或運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)眼球或頭頸去看清楚。在最佳觀看距離處，4K的UHDTV還無法滿足上述要求，8K則接近該要求。在通常的觀看距離下，人們需要購(gòu)置100 in以上的電視才能充分體驗(yàn)4K電視帶來的視覺享受，但可能在很長(zhǎng)一個(gè)階段都很難在家庭中普及該尺寸的電視。

表3 UHDTV導(dǎo)出參數(shù)

3 UHDTV節(jié)目壓縮編碼

UHDTV的原始數(shù)據(jù)量大小（如表4所示）為

式中：p是像素?cái)?shù)；f是幀頻；s是取樣結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的倍數(shù)（4∶4∶4對(duì)應(yīng)3倍、4∶2∶2對(duì)應(yīng)2倍、4∶2∶0對(duì)應(yīng)1.5倍）；b是編碼位數(shù)（10 bit或12 bit）；D是數(shù)據(jù)量。

表4 UHDTV原始數(shù)據(jù)量Gbit/s

由表4可見，在最低要求下（像素3 840×2 160/幀頻24 Hz/取樣結(jié)構(gòu)4∶2∶0/編碼位數(shù)10 bit），最小數(shù)據(jù)量都有3 Gbit/s。必須采用高效的視頻壓縮編碼技術(shù)，將數(shù)據(jù)壓縮在可接受范圍內(nèi)。目前廣泛認(rèn)可的可用于UHDTV的編碼技術(shù)是HEVC，我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)AVS的下一代演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)AVS2也有望在我國(guó)的UHDTV發(fā)展中發(fā)揮重要作用。AVS2的最新標(biāo)準(zhǔn)草案[6]于2014年8月發(fā)布。AVS2的首要應(yīng)用目標(biāo)就是對(duì)超高清晰度視頻的高效編碼，具有針對(duì)UHDTV內(nèi)容的超大塊數(shù)據(jù)組織方式。其他適用的編碼標(biāo)準(zhǔn)還有Google開發(fā)的VP9等。

圖3給出了HEVC混合編碼框圖[7]。它提供了編碼樹單元和編碼樹塊結(jié)構(gòu)，可提供比傳統(tǒng)宏塊更大的塊（最大為64×64），這類塊結(jié)構(gòu)非常適用于超高分辨率圖像編碼。圖中灰色方塊為解碼器模型中的元素。

圖3 典型HEVC視頻編碼器

4 UHDTV節(jié)目傳送

目前可能用于UHDTV節(jié)目長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)傳送的方式包括地面、衛(wèi)星和有線廣播，以及寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸。我國(guó)目前推薦采用AVS+對(duì)HDTV節(jié)目進(jìn)行壓縮[8]，建議高清視音頻總碼率不低于12 Mbit/s[9]，由于UHDTV4K的數(shù)據(jù)量是HDTV的4倍及以上，因此若也采用AVS+編碼，如果要保證UHDTV節(jié)目的質(zhì)量，視頻碼率應(yīng)高于48 Mbit/s。我國(guó)地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)DTMB的傳輸速率在5.414～32.486 Mbit/s之間，還不足以傳送1路UHDTV節(jié)目。

解決上述問題的方法有兩種，一是利用多個(gè)廣播信道傳送UHDTV節(jié)目；二是開發(fā)更高效率的信道編碼技術(shù)。在文獻(xiàn)[10-11]中分別給出了針對(duì)有線信道和地面信道的UHDTV節(jié)目多信道傳送方法，文獻(xiàn)[10]采用的信源編碼方法是MPEG-2，因此采用了高達(dá)5個(gè)信道來傳送UHDTV節(jié)目。但這種方法無法解決信道資源有限的問題，因此需要基于各種信道開發(fā)新的技術(shù)，提高頻譜利用效率。

以衛(wèi)星傳送為例，2014年3月，第三代DVB衛(wèi)星電視廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-S2X發(fā)布[12]。DVB-S2X與DVB-S2相比，采用了多種新技術(shù)，頻譜效率提高了51%，充分滿足了傳輸U(kuò)HDTV節(jié)目的需求。2014年4月，在美國(guó)拉斯維加斯的NAB2014上首次采用DVB-S2X進(jìn)行了UHDTV節(jié)目的實(shí)時(shí)衛(wèi)星傳送（從倫敦到拉斯維加斯），視頻采用HEVC壓縮，碼率為100 Mbit/s，采用DVB-S2X上星傳輸，其中轉(zhuǎn)發(fā)器具有36 MHz帶寬，調(diào)制方式為16APSK，信道編碼率為3/4，滾降系數(shù)為5%。

5 UHDTV節(jié)目顯示

5.1 顯示傳送接口

UHDTV經(jīng)解碼器（機(jī)頂盒）解碼后，送入U(xiǎn)HDTV顯示器播放；或直接將UHDTV壓縮碼流送入顯示器自身解碼后再播放。前一種方式需要支持高速率的接口。表4給出了目前常用的接口類型及其最大支持傳輸速率，以及各個(gè)接口的演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)（已有標(biāo)準(zhǔn)但還未大規(guī)模應(yīng)用）。其中HDMI常用于消費(fèi)電子產(chǎn)品互聯(lián)；DP接口與HDMI類似，其最大優(yōu)勢(shì)是專利免費(fèi)；SDI常用于專業(yè)設(shè)備互聯(lián)中，但在廠家的UHDTV展示機(jī)型中，也常使用多路SDI接口的組合來實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞。從表5中可知現(xiàn)有和未來應(yīng)用的主流接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)量的UHDTV的支持。

表5 UHDTV常用基帶傳輸接口及速率Gbit/s

5.2 顯示技術(shù)

顯示技術(shù)的提升也是UHDTV標(biāo)準(zhǔn)制定和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要影響因素之一，UHDTV顯示設(shè)備先于標(biāo)準(zhǔn)而存在，為標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了重要參考。表6給出了超高清顯示器的開發(fā)歷程[13]。

表6 超高清顯示器開發(fā)歷程

標(biāo)準(zhǔn)的制定反過來也進(jìn)一步明確了UHDTV顯示需求。BT.2020對(duì)UHDTV顯示器的像素?cái)?shù)、幀頻、色域和編碼位數(shù)提出了比HDTV更高的要求。其中最難實(shí)現(xiàn)的是UHDTV的寬色域。由圖2可見該色域的三基色坐標(biāo)正好落在譜色軌跡上，現(xiàn)階段只有激光顯示是一種可行方案，譬如將激光作為投影儀的光源或LCD的背光。OLED等自發(fā)光顯示器目前還無法達(dá)到這么寬的色域，但已能超出HDTV色域要求。文獻(xiàn)[14]給出的WRGB OLED顯示器具備BT.709規(guī)定的118%色域面積，并且100%包含BT.709色域范圍。因此OLED也是未來超高顯示的一個(gè)發(fā)展方向。

在UHDTV顯示技術(shù)中，氧化物薄膜晶體管（Thin-Film Transistor，TFT）技術(shù)是目前的主要發(fā)展方向之一[15]。氧化物TFT除了能夠更好地驅(qū)動(dòng)大尺寸平板顯示器（包括LCD和OLED）之外，還能為大尺寸顯示器提供更大的開口率，從而提高能效水平。

6 UHDTV音頻系統(tǒng)

22.2多聲道系統(tǒng)是NHK專門為UHDTV開發(fā)的系統(tǒng)[16-17]，為配合UHDTV畫面垂直和水平視角大的特點(diǎn)所設(shè)計(jì)，具備3層共24個(gè)聲道（使用24個(gè)揚(yáng)聲器），如圖4所示。

圖4 22.2聲道空間分布示意圖

頂層、中層、底層的應(yīng)用范圍如下：

頂層（9個(gè)聲道）：殘響和堂音；位于上方的聲音，譬如懸掛于體育館頂上的擴(kuò)音器、飛機(jī)和焰火；不一般的聲音，譬如無意義的聲音。

中層（10個(gè)聲道）：基本聲場(chǎng)形成；環(huán)繞感重建。

底層（5個(gè)聲道，其中包括2個(gè)低頻效果聲道）：水的聲音，譬如大海、河流、水滴；鳥瞰時(shí)地面上的聲音。

22.2多聲道系統(tǒng)是一種典型的3D音頻系統(tǒng)。3D音頻系統(tǒng)的主要特征就是具備大量的聲道，一般是數(shù)十個(gè)甚至能到上百個(gè)聲道。人們對(duì)更多聲道的追求沒有止境，貝爾實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)30年代的研究表明如果采用無窮多個(gè)麥克風(fēng)對(duì)聲音進(jìn)行采集，那么使用無窮多個(gè)揚(yáng)聲器可以完美復(fù)現(xiàn)聲音場(chǎng)景[19]。在一些典型應(yīng)用如影院中，3D音頻系統(tǒng)取代立體聲（2.1聲道）和環(huán)繞聲（5.1聲道）的趨勢(shì)非常明顯。

這種放聲系統(tǒng)可較好地模擬三維聲場(chǎng)，提供足夠大的優(yōu)良視聽區(qū)，適應(yīng)聲像與寬視野畫面同步需要，滿足超高清系統(tǒng)對(duì)聲音的要求。這種系統(tǒng)也便于兼容目前已有的幾種多聲道音頻格式，使用較少揚(yáng)聲器的放音系統(tǒng)也可在某種程度上重現(xiàn)圖4中從各聲道方向來的聲音。

7 小結(jié)

本文從給出UHDTV的系統(tǒng)模型開始，依次介紹了UHDTV的基本參數(shù)和導(dǎo)出參數(shù)、高效視頻編碼技術(shù)、節(jié)目傳送技術(shù)、輸入輸出接口和顯示技術(shù)以及22.2多聲道系統(tǒng)的基本情況，可依據(jù)文中給出的總體框架，對(duì)UHDTV的各個(gè)技術(shù)部分再進(jìn)行深入研究，推動(dòng)UH?DTV在我國(guó)的發(fā)展。

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Features of Ultra High Definition Television System

PAN Rong1，LI Guiling2
（1.National Testing and Inspection Center for Radio and TV Products，Beijing 100015，China；2.School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A thorough introduction of the features of ultra high definition television（UHDTV）is given.The system model of UHDTV is introduced，the design principle of the basic parameters such as aspect ratio of UHDTV is proposed. Parameters such as the optimum view distance are deduced.The fundamental states of the necessity of high efficient video coding of UHDTV and the applied coding standards，the solution of UHDTV program transmission，the display delivery interface and display technology，and the 22.2 multichannel system are all introduced.

UHDTV；parameters；high efficient video coding；program transmission；display technology；22.2multichannel system

TN949

B

潘 榕，博士，主要研究方向?yàn)閿?shù)字電視及其測(cè)試技術(shù)。

?? 雯

2014-08-25

【本文獻(xiàn)信息】潘榕，李桂苓.超高清晰度電視系統(tǒng)概貌[J].電視技術(shù)，2014，38（18）.