4K超高清電視的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

朱海濤

【摘 要】 討論4K電視的優(yōu)勢(shì)及其對(duì)市場(chǎng)的意義，闡述盡快推出實(shí)時(shí)4K電視廣播的必要性，探討4K電視發(fā)展中面臨的技術(shù)問(wèn) 題及解決方法。

【關(guān)鍵詞】`4K超高清電視；視頻編碼；分辨率；幀頻

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.09.013

【Abstract】The advantages and significance of 4K high-definition for the market were discussed； the necessity of launching the real-time 4K TV broadcast as soon as possible was elaborated； several technology problems and solutions in the development of 4K television were also approached.

【Key Words】4K high-definition TV； video coding； resolution； frame frequency

1 引言

4K超高清電視（以下簡(jiǎn)稱4K電視）是近年消費(fèi)電子領(lǐng)域的一個(gè)高頻詞。隨著主流家電廠商相繼向市場(chǎng)推出4K電視機(jī)，這一技術(shù)所蘊(yùn)含的市場(chǎng)潛力和巨大商機(jī)已經(jīng)吸引了各界人士的熱切關(guān)注。但迄今為止，即便在美、日等技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家，4K電視服務(wù)，尤其是最具價(jià)值的實(shí)時(shí)4K電視廣播都只是處于試播及市場(chǎng)培育階段。限制4K電視迅速普及的因素包括：制造成本高、節(jié)目庫(kù)有限及廣播傳輸技術(shù)不支持等。而隨著相關(guān)技術(shù)的日臻成熟，可以預(yù)料4K電視市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將迅速升溫。

2 4K超高清概念

超高清是一個(gè)與電視分辨率有關(guān)的概念。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，一幅電視圖像畫(huà)面的最小顯示單元是像素。畫(huà)質(zhì)的細(xì)膩度就是由像素點(diǎn)距來(lái)決定的。單位面積內(nèi)像素?cái)?shù)目越多，即分辨率越高，畫(huà)面也就越清晰。在數(shù)字技術(shù)普及之前，不管電視屏幕的尺寸有多大，其圖像包含的像素?cái)?shù)目都是約30萬(wàn)個(gè)，這就是所謂的“標(biāo)清”電視。對(duì)于一個(gè)小屏幕電視機(jī)來(lái)說(shuō)，這樣的畫(huà)面質(zhì)量已經(jīng)相當(dāng)清晰了。不過(guò)，如果電視屏幕尺寸增大，觀看者就需要離屏幕更遠(yuǎn)些才能看清圖像。于是，電視技術(shù)工程師開(kāi)始致力于研究如何獲得更為清晰的圖像，尤其是在較大屏幕的電視機(jī)上。目前最常用的高清分辨率為1080p（即垂直方向1 920線×水平方向1 080線，標(biāo)準(zhǔn)分辨率通常用水平和垂直方向的像素?cái)?shù)表示，參見(jiàn)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 11324—2006《數(shù)字電視接收設(shè)備術(shù)語(yǔ)》），或俗稱的1080p標(biāo)準(zhǔn)垂直像素點(diǎn)（等同水平掃描線）。200萬(wàn)左右像素的高清分辨率電視機(jī)，相當(dāng)于“標(biāo)清”D1為480i格式的6.5倍，這也是目前市面上技術(shù)最為完善的高清電視標(biāo)準(zhǔn)。

近兩年來(lái)，不少電視制造企業(yè)已相繼開(kāi)發(fā)并推出4K電視。作為取代1 920 ×1 080的新一代分辨率標(biāo)準(zhǔn)，4K電視的分辨率為高清的4倍（即3 840×2 160），相當(dāng)于4幅高清畫(huà)面拼成一幅4K超高清畫(huà)面。對(duì)于1080p高清顯示屏，坐在離屏幕很近處的觀眾仍會(huì)看到像素與像素之間的一個(gè)個(gè)小正方形空白；而在4K超高清顯示屏上，像素將會(huì)變得更加細(xì)小，以至于在正常觀看距離上，人們必須利用放大鏡才能看到上面所說(shuō)的那些正方形空白。這意味著觀眾即便在距離屏幕很近的地方也能看到清晰的圖像。當(dāng)然，僅僅有4K超高清顯示器未必保證有更好的畫(huà)質(zhì)，因?yàn)殡娨暤漠?huà)質(zhì)還取決于信號(hào)源的質(zhì)量和畫(huà)面實(shí)際內(nèi)容等其他因素。

3 4K電視的優(yōu)勢(shì)

3.1 更高分辨率、更大尺寸屏幕

盡管影響電視觀看體驗(yàn)的因素眾多，但是在視頻設(shè)置正確的情況下，分辨率提高所帶來(lái)的優(yōu)越性還是顯而易見(jiàn)的。4K電視最主要的好處是消費(fèi)者可以在現(xiàn)有房間內(nèi)擺放尺寸比原先大很多的電視機(jī)，例如目前剛好能擺放42英寸1080p高清電視機(jī)的某房間，如果主人要更換4K電視機(jī)，那么，電視機(jī)屏幕可以增加至65英寸、70英寸甚至84英寸，也不致影響收看的效果。要實(shí)現(xiàn)這一好處，最重要的一點(diǎn)是依據(jù)觀看位置與電視機(jī)之間的距離選擇合適的屏幕尺寸。如果安排得當(dāng)，那么，4K電視可以提供電影般的視覺(jué)感受，其意義不亞于IMAX（Image MAXimum，一種能夠放映比傳統(tǒng)膠片更大和更高解像度的電影放映系統(tǒng)）為電影觀眾所帶來(lái)的視覺(jué)沖擊。一般來(lái)說(shuō)，高清電視的適宜觀看距離為屏幕高度的3倍，在這個(gè)距離上，觀眾看不到像素與像素之間的空白。而對(duì)于4K電視來(lái)說(shuō)，適宜觀看距離可縮短至屏幕高度的1.5倍，在這么短的觀看距離上，觀眾可以有極其巨大的視野，從而獲得身臨其境的視覺(jué)感受，同時(shí)又不會(huì)令圖像質(zhì)量受到任何損失。

3.2 完美呈現(xiàn)35 mm電影膠片畫(huà)質(zhì)

4K電視的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，它將成為消費(fèi)市場(chǎng)上第一種能夠呈現(xiàn)35 mm電影膠片影像之顆粒和品質(zhì)的數(shù)字格式。一些經(jīng)典老電影如《阿拉伯的勞倫斯》、《亂世佳人》等以及不少新發(fā)行的影片正在被轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，以便能夠以4K超高清格式放映。

除了能夠在更大尺寸的屏幕上播放相比1080p電視更為清晰的影像之外，4K超高清電視還具有更高幀率和更寬闊色域。幀率的提高可使快速移動(dòng)的物體看起來(lái)更加流暢；更寬闊的色域則有助于4K超高清顯示器呈現(xiàn)比傳統(tǒng)高清電視更為鮮明和真實(shí)的色彩。對(duì)于體育賽事、現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)甚至數(shù)碼照片等各種形式的視頻內(nèi)容，都可以帶來(lái)一種更為逼真的圖像。

3.3 實(shí)時(shí)4K電視廣播市場(chǎng)潛力巨大

4K電視機(jī)最早出現(xiàn)于2013年1月的美國(guó)拉斯維加斯CES消費(fèi)電子展上，一經(jīng)發(fā)布，便震驚業(yè)界，但隨即而來(lái)的問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)把4K超高清視頻內(nèi)容傳輸?shù)较M(fèi)者家中，這要求更高的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。內(nèi)容提供商（如電視臺(tái)、有線電視公司、網(wǎng)絡(luò)視頻提供商），藍(lán)光及DVD等光盤(pán)制造商，以及業(yè)界其他參與者都在努力開(kāi)發(fā)把視頻內(nèi)容傳送至4K超高清電視機(jī)播出的最佳和最高效的方式，并予以標(biāo)準(zhǔn)化。幾個(gè)月之后，名為HEVC（高效視頻編碼）的壓縮標(biāo)準(zhǔn)便正式發(fā)布，從而極大地推動(dòng)4K超高清電視內(nèi)容的處理與傳輸。endprint

4K超高清電視真正的價(jià)值在于重大體育比賽及事件性活動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)直播報(bào)道。雖然4K超高清電視內(nèi)容并不要求特殊的壓縮算法，但目前只有HEVC技術(shù)可以提供在現(xiàn)有廣播網(wǎng)絡(luò)上傳輸4K超高清電視廣播內(nèi)容所需的壓縮效率。

隨著4K電視機(jī)價(jià)格的不斷下降，越來(lái)越多的消費(fèi)者將愿意付費(fèi)收看優(yōu)質(zhì)的4K超高清節(jié)目，如現(xiàn)場(chǎng)直播的體育節(jié)目。盡管隨著時(shí)間推移，已在4K電視領(lǐng)域搶占先機(jī)的網(wǎng)絡(luò)視頻提供商不排除有提供實(shí)時(shí)4K電視內(nèi)容的能力，但傳統(tǒng)電視廣播機(jī)構(gòu)在體育比賽、重大事件報(bào)道等方面仍然具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。從行業(yè)現(xiàn)狀來(lái)看，注重創(chuàng)新的互聯(lián)網(wǎng)流媒體視頻提供商很可能成為最早的商業(yè)性4K電視服務(wù)提供者，如美國(guó)Netflix公司、我國(guó)的樂(lè)視網(wǎng)等。

4 發(fā)展4K電視廣播的技術(shù)難點(diǎn)分析

在市場(chǎng)對(duì)4K電視認(rèn)可度日益提高、4K電視機(jī)及機(jī)頂盒相關(guān)制造成本逐漸下降、節(jié)目庫(kù)不斷豐富的前提下，實(shí)時(shí)4K電視廣播服務(wù)將成為市場(chǎng)的必然趨勢(shì)。4K視頻信號(hào)的傳輸要求巨大的帶寬（10 Gbit/s），這對(duì)電視廣播及網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施提出了較高要求。一個(gè)成功的4K電視傳輸系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中需要注意和克服以下5個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

4.1 不同畫(huà)面寬高比的匹配問(wèn)題

在4K電視出現(xiàn)之前的各種高清電視格式702p、1080i或1080p所采用的畫(huà)面寬高比都是16：9。然而4K電視格式（分辨率為3 840×2 160）在用來(lái)播放4K電影的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)寬高比不匹配的問(wèn)題，這是因?yàn)樵缬?K電視格式出現(xiàn)的4K DCI數(shù)字電影格式（分辨率為4 096×2 160）的寬高比約為17：9。許多4K攝像機(jī)和視頻源裝置分別具有與兩種分辨率匹配的功能設(shè)置，因此，在實(shí)際操作中，工作人員需要預(yù)先對(duì)顯示器和視頻源進(jìn)行仔細(xì)匹配設(shè)置，以避免畫(huà)面出現(xiàn)不必要的壓縮或拉伸。

4.2 對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率（帶寬）的要求更高

幀頻為60 f/s（幀/秒）的1080p視頻信號(hào)所要求的數(shù)據(jù)傳輸速率為4.46 Gbit/s，依此類推，同樣幀頻的4K電視信號(hào)要求4倍于前者的數(shù)據(jù)傳輸速率，即17.78 Gbit/s。但由于目前最普及的高清多媒體接口電纜HDMI 1.4版本最高只支持10.2 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率（含損耗），因此，目前的4K視頻裝置所采用的幀頻最高僅為30 f/s。這一幀頻用于播放24 f/s的電影畫(huà)面不成問(wèn)題，但是對(duì)于電視視頻和電腦游戲而言，需要注意的幀頻被降低了一半。因此，4K電視傳送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足幀頻分別為24 f/s、25 f/s、30 f/s、50 f/s、60 f/s的視頻內(nèi)容。

采用HEVC壓縮技術(shù)的幀頻為30 f/s的4K電視所需的傳輸帶寬將是現(xiàn)有1080p高清電視廣播的兩倍，如果幀頻提高到對(duì)體育比賽和超高清視頻更為理想的60 f/s，則需要三倍于現(xiàn)有高清電視的傳輸帶寬。

4.3 信號(hào)的保真與增益

4K電視對(duì)信號(hào)保真的要求大大高于現(xiàn)有高清電視，這是4K電視傳輸系統(tǒng)遇到的問(wèn)題。國(guó)外研究人員曾利用目前最先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備（安捷倫12 GHz高性能示波器）進(jìn)行過(guò)對(duì)比測(cè)試。他們發(fā)現(xiàn)，用一條3英尺（約91 cm）的HDMI高清電纜傳輸幀頻為60 f/s的1080p高清電視信號(hào)，其傳輸過(guò)程產(chǎn)生的抖動(dòng)和衰減并不明顯，表示該電纜的帶寬足以支持1080p，但在把電視信號(hào)改為幀頻為30 f/s的4K視頻信號(hào)之后，則終端波形出現(xiàn)了明顯的抖動(dòng)和衰減；如果再把HDMI傳輸電纜的長(zhǎng)度延長(zhǎng)至30英尺（約9.1 m），此時(shí)4K電視信號(hào)在終端的抖動(dòng)和損耗更為明顯，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常的傳輸。由此可見(jiàn)，4K電視信號(hào)在傳輸過(guò)程中必須解決信號(hào)增益的問(wèn)題。

4.4 對(duì)電纜長(zhǎng)度的限制

雙絞銅質(zhì)電纜是支持4K電視信號(hào)傳輸?shù)淖罨镜膹V電級(jí)電纜。即便在4K電視信號(hào)的幀頻降低以及經(jīng)過(guò)色度抽樣操作后可能實(shí)現(xiàn)的增益，4K電視信號(hào)的傳輸仍然需要巨大的帶寬。因此，相對(duì)于1080p高清電視傳送系統(tǒng)，被用作4K電視基本傳輸電纜的雙絞銅質(zhì)電纜所能使用的最大長(zhǎng)度將會(huì)大大縮短，這給4K電視傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。美國(guó)多媒體技術(shù)公司快思聰（Crestron）的工程師在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)后給出的建議是：在1080p多媒體傳輸系統(tǒng)中常見(jiàn)的DM 8G或CAT5e電纜可有效使用的長(zhǎng)度極限都是100 m，而在4K系統(tǒng)中，這兩種線纜的長(zhǎng)度極限需要分別降低至70 m和50 m。

在模擬系統(tǒng)中，電纜過(guò)長(zhǎng)會(huì)使電視畫(huà)面質(zhì)量下降，有時(shí)這種質(zhì)量下降是觀眾察覺(jué)不到的。但在數(shù)字系統(tǒng)中，電纜過(guò)長(zhǎng)甚至可能導(dǎo)致畫(huà)面完全消失；更有甚者，它可能會(huì)使視頻源設(shè)備與顯示終端之間的不兼容問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。某些裝置在較長(zhǎng)電纜上測(cè)試正常，并不能保證系統(tǒng)中隨后加入的所有裝置都能正常工作。在實(shí)踐中，4K電視的高帶寬對(duì)HDMI電纜的要求可能更高。

4.5 視頻源設(shè)備與顯示終端的兼容問(wèn)題

作為一項(xiàng)剛剛問(wèn)世的新技術(shù)，4K電視尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。如何解決不同廠家開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的視頻源設(shè)備和顯示終端、甚至是同一廠家生產(chǎn)的不同設(shè)備之間的不兼容，成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要克服的又一個(gè)難題（或面臨的有一個(gè)挑戰(zhàn)）。

2013年10月27日，日本在大阪馬拉松賽期間進(jìn)行了世界上第一例4K超高清電視現(xiàn)場(chǎng)直播的演示。技術(shù)人員用兩臺(tái)攝像機(jī)通過(guò)4組3G-SDI接口向HEVC格式實(shí)時(shí)視頻處理系統(tǒng)提供現(xiàn)場(chǎng)的4K超高清視頻素材（30 f/s），經(jīng)過(guò)處理后的實(shí)時(shí)視頻信號(hào)通過(guò)日本K-Opticom電信公司的光纖網(wǎng)絡(luò)傳至安裝在大阪國(guó)際展覽中心內(nèi)的一臺(tái)84英寸4K電視上。2014年6月，日本開(kāi)始在全國(guó)范圍內(nèi)免費(fèi)試播4K電視節(jié)目，成為世界上第一個(gè)提供定時(shí)4K電視廣播的國(guó)家。

5 我國(guó)4K電視的現(xiàn)狀

目前我國(guó)盡管尚未開(kāi)始4K電視實(shí)時(shí)節(jié)目的試播，但在電視臺(tái)及專業(yè)領(lǐng)域日常使用的視頻采、編、播設(shè)備已經(jīng)全面支持4K超高清格式，配套的4K電視編輯、制作的編碼解碼格式（如索尼XAVC、松下AVC ultra等）已經(jīng)成熟，用于傳輸4K信號(hào)的新一代編碼解碼格式HEVC（美國(guó)Elemental公司開(kāi)發(fā)）也得到芯片廠商、編碼及傳輸設(shè)備廠商的廣泛支持，可以說(shuō)啟動(dòng)最具商業(yè)價(jià)值的實(shí)時(shí)4K電視服務(wù)的條件已經(jīng)基本成熟。而這一服務(wù)的盡早推出，對(duì)于我國(guó)4K電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將具有重要的拉動(dòng)作用。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)視頻服務(wù)商則早已敏銳地嗅到了4K電視的巨大商機(jī)，樂(lè)視網(wǎng)已發(fā)布其4K內(nèi)容平臺(tái)并推出了4K電視終端，預(yù)計(jì)2014年內(nèi)還有多個(gè)省級(jí)網(wǎng)絡(luò)電視運(yùn)營(yíng)商也將跟進(jìn)4K電視業(yè)務(wù)。

4K電視機(jī)從2013年初上市以來(lái)，隨著產(chǎn)量的增加，目前價(jià)格已經(jīng)逼近高清電視水平。預(yù)計(jì)2014年全球的4K電視機(jī)出貨量將達(dá)到1 200萬(wàn)臺(tái)。在其他技術(shù)條件相對(duì)成熟的情況下，4K機(jī)頂盒及4K電視機(jī)的制造成本成為制約4K電視服務(wù)的一個(gè)主要因素。

在電視分辨率方面，一種順理成章的預(yù)測(cè)是：具有3 300萬(wàn)像素的8K電視（其分辨率是4K電視的4倍）不久后將替代4K電視。但8K分辨率是現(xiàn)有顯示技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而且目前世界上只有日本NHK一家廣播機(jī)構(gòu)公開(kāi)表示有意于8K電視的商用化。事實(shí)上，8K分辨率已接近人類肉眼分辨率的極限，而8K電視的分辨率優(yōu)勢(shì)只有在84英寸及更大尺寸的顯示屏上才能被人眼明顯察覺(jué)，因此，目前大多數(shù)廣播機(jī)構(gòu)和電視制造商對(duì)8K電視的商用前景表示懷疑。

對(duì)分辨率的無(wú)止境追求最后很可能面臨無(wú)人喝彩的結(jié)局，因?yàn)闅w根到底，消費(fèi)者的多媒體需求和體驗(yàn)才是推動(dòng)電視市場(chǎng)的最大動(dòng)力。筆者預(yù)料，未來(lái)4K分辨率將成為家用平板電視機(jī)的必備功能之一，而決不是人們購(gòu)買(mǎi)電視機(jī)的主要原因。未來(lái)的4K（甚至8K）電視機(jī)將具有更高分辨率，能支持更高的幀頻和更廣闊的色域和精度，并利用一系列成熟的銳化濾波器來(lái)使大量現(xiàn)有的1080p高清節(jié)目呈現(xiàn)接近于超高清的視覺(jué)效果。這對(duì)于電視運(yùn)營(yíng)商將是一個(gè)福音。

（編輯 張冠華）endprint