解開UHD1和UHD2的神秘面紗

就在你認為450多種視頻制作、分配和傳輸格式已經足夠時，在UHDTV旗下又出現了更多格式。如SMPTE和ITU這樣的標準組織正努力領先于電視機和專業攝像機廠商開發4K和8K技術。

本文將忽略更廣的經由發射機、有線、衛星、IP技術分配給終端用戶及圖像壓縮質量問題，而把重點放在廣播自身內的基礎設施要求。UHDTV1和UHDTV2對應于現在正在開發的4K設備和正在設計以便未來5年間交付的8K設備。這些設備在三個不同階段推出：

第一階段：最高60fps和ITU-RBT.709彩色空間的4K圖像。

第二階段：最高120fps、高動態范圍和ITU-R BT.2020彩色空間的4K圖像。

第三階段：最高120fps的8K圖像。

UHDTV1和UHDTV2視頻格式定義像素數、行、幀頻、彩色空間、彩色分量取樣率（如4：2：2、4：4：4等）、數據率、數據鏈路類型（電纜或光纖）以及導致大量可能組合的鏈路數。但實際上這一切真正的含義是什么？

基本的區別

基本上，技術區別為物理圖像尺寸和原始數據率：

UHDTV1（在SMPTE ST 20361“廣播電視”中定義）為3840像素×2160行，幅型比為16：9。典型的4K源為4096×2160（在SMPTE ST 2048-1“數字電影”中定義），幅型比為19：10。對4：2：2@50fps，數據率為8Gb/s。

UHDTV2為7680像素×4320行（8K源為8192×4320）。對4：2：2@50fps，數據率為33Gb/s。

“第二階段一個重大挑戰將是從一個色彩空間轉換到另一個色彩空間。”

物理接口

有組合采用現有的3G技術以及新6G和12G技術的大量物理接口，如4×3GSDI（SMPTE ST 425-5和ST 242）、2×3G-SDI（SMPTE ST 425-3）、1×6G-SDI（SMPTE ST2081-1，10）、2×6G-SDI、2×6G光纖、4×6G-SDI、1×12G-SDI（SMPTE ST2082-1.10）、2×12G-SDI、4×12G-SDI和1×12G光纖等。

這些技術帶來更具挑戰性的物理連接要求。例如，6G-SDI和12G-SDI連接器和線纜規格高，更專用，如回波損耗等的更高的SDI時鐘頻率問題、連接器形狀、連接緊密性、線纜彎曲半徑及其它許多RF因素正越來越重要。對高速光數據傳輸，如反射（光回波損耗）、線纜質量和光耦合等的因素正越來越重要。

注意SMPTE ST 2082-10包含2160和180行源圖像和對12G SDI的輔助映射。

四分對二取樣交織

一些先行者使用四鏈路（4×3GSDI），采用四分法而非采用所有UHDTV規范中定義的兩取樣交織法傳輸分成4個象限的3840×2160圖像。兩取樣交織法利用4個子圖像且每兩個像素和每行交替取樣，而不是把圖像分為4個象限（參見圖3。）

增加色彩動態范圍

4K第一階段和UHDTV1采用通常與HD-SDI、3G-SDI和2K-SD格式對應的ITU-R BT.709 YCreb、RGB或XYZ色彩空間。第二階段要求一種新色彩空間模式（ITU-R BT.2020），它擴展現有的色域，并且允許更逼真的色彩還原以便與下一代攝像機和屏幕技術相一致。對高于60fps幀頻的UHDTV1和UHDTV2，這將是強制要求。還將需要一種新色彩VANC包ST 2048-1（參見圖4）。

更多可能的聲道

UHDTV1所指定的新物理接口增加可用的可能的聲道數量。例如：

·4×3G-SDI支持最多128個聲道（48kHz）。

·12G-SDI支持最多128個聲道（48kHz），或96kHz時64個聲道。

實際上，這些增加的聲道被使用的方式取決于設備制造商制造其產品的靈活性以及業界要求什么。支持22.2環繞聲（包含于SMPTE 2036-2中）是正在考慮的一種形態，此外，面向對象的音頻也是另一種熱門的競爭者。

電纜對光纖

在SD-SDI最初被設計為在75Ω同軸電纜上傳輸方波信號時，電纜基礎設施和設備突然必須能處理基本頻率最高7次諧波（945MHz）。隨著12G-SDI的出現，表明必須能處理42GHz頻率。但實際上，電纜驅動器本身將無法實現，因此，信號實際上將為接近正弦曲線。

SDI接口的數據率影響信號傳輸距離。采用百通1694A電纜，當前的均衡器一般提供以下性能：

·SD-SDI為450m

·HD-SDI為220m

·3G-SDI為180m

·6G-SDI為90m

·12G-SDI為60m

如你所看到的，用電纜分配UHDTV信號可能并不總是現實。使用電纜鏈路，物理基礎設施本身（即接線架、連接器和接線電纜）將對SDI信號質量有嚴重影響，這將進一步減少傳輸距離。用百通1694A試驗12G的早期采用者對3G和12G連接器已經有了一致和有用的結果。光纖分配也許是除了設備本地互連外的任何任務唯一可行的方案，當前12G單模光纖分配將可傳輸UHDTV1信號最長2km。注意多模光纖分配被限制于約100m。選擇的互連可能歸咎于預算。

轉換和互連

與引入3G類似，UHDTV1和UHDTV2播出內絕不會使用一種格式或接口，因此早期采用者在制作過程內的每一階段必須處理格式和接口之間的轉換。

盡管提出的一些接口和標準在技術上是可行的，但實際上它們目前可能太昂貴或不實用。早期采用者正在采用4×3G接口上的四分格式，原因是這能夠用現有基礎設施實現。隨著采用12G技術的設備可用，此方式將被取代。長距離時采用光纖，而本地互連采用電纜，在每個播出階段提供最簡單的連接。

某些播出鏈內將有互連的電纜、光纖和IP島，這樣做有實施成本和技術的優勢。像中間壓縮（Mezzanine compression）這樣的技術通常有4：1壓縮，可能降低對高帶寬鏈路的要求。如同3G-SDI，人們將選擇最適合他們正努力在藝術上和技術上實現的結果的格式和接口。不過，這可能令下游的每一個人感到棘手，他們將不得不把全部可能的格式硬塞進被每個機構和整個行業采納的選出來的分配格式。第二階段一個重大挑戰將是從一個彩色空間轉換到另一個。來自設備制造商的全部推動力是“驚艷因素”，它被認為要求高分辨率、高幀頻和高動態范圍。根據2017年UHDTV1第二階段的時間表，我個人暫時不會急著買4K電視機（我還記得就在全高清到來前購買一臺準高清電視機）。