超高清電視的發展

李 宏

（作者單位：廣東廣播電視臺）

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超高清電視的發展

李 宏

（作者單位：廣東廣播電視臺）

摘 要：本文介紹了下一代電視顯示技術的發展情況，重點分析超高清電視的發展趨勢，討論了超高清的顯像增強措施，如更快的幀速率、更寬的縱橫比、更高的位深度、更高的色度分辨率以及更寬的色域。

關鍵詞：4K；超高清；UHDTV；分辨率

在視頻顯示技術與廣播領域，高清晰度的畫質和自然逼真的畫面顯示效果一直都是人們追求的目標。隨著數字化技術的創新與發展，分辨率不斷得到提高，細節特寫更逼真，畫質更細膩，讓觀眾仿若置身于真實的世界，達到了一種身臨其境的震撼效果。經過近年來的發展，各式各樣的4k產品，如攝像機、電視、投影儀和影院播放系統等，逐漸走進了人們的視野，眾多超高清影視產品讓人耳目一新。日韓美等國，正在嘗試建設4K電視直播平臺，并在一些大型活動中進行了實驗性的傳輸，這些都標志著影視行業向著超高清時代發展的趨勢。

1 超高清電視的定義

目前的高清電視（HDTV）傳輸符合DVB視頻和音頻編碼規范，并采用了兩種視頻格式。

第一，“720p”，即1280像素×720線，幀速率為50幀/秒（逐行掃描）；第二，“1080i”，即1920像素×1080線，幀速率為25幀/秒（隔行掃描）。

上述兩種格式在傳輸內容時存在一定的缺陷，因而，在制作內容時，最好采用第三種格式：“1080p”，即1920像素×1080線，幀速率為50幀/秒（逐行掃描）。

術語“超高清電視（UHDTV）”，指高于1080p的分辨率，超高清電視又被稱作超高清(SHV)、特高清晰度視頻(UHDV)和極高清晰視頻（Extreme Definition Video）等。

2 超高清電視（UHD）具備的優點

第一，超高清技術分辨率高，能很好地還原真實的畫面。用戶在觀看超高清電視時，播放畫面比高清電視更加清晰、自然，因超高清技術的色域更廣，所以畫質更加細膩，細節更加真實，能輕松表達其他標清高清電視無法展現的色感，更貼近真實，使消費者得到身臨其境的觀感，體會到不一樣的視覺盛宴。

第二，超高清技術打破了超大屏幕與超高清無法兼得的限制。在同尺寸屏幕下，高分辨率意味著畫面細節更加豐富，用戶可以在相同的距離下擁有更高級的視覺體驗。

3 分辨率的感知限制

一般認為，一個視力正常的人可以看見的最小物體大約是1弧分。BBC在2004年做的一項試驗證實了這一看法。18個受試者的平均弧分為1.054。這就意味著，1080p系統的像素結構是看不見的，除非16:9的屏幕垂直方向超過18o角，對應水平方向超過30o角。然而，也有證據表明，即使看不見的細節也可以被感知到，它可以增加視覺體驗對現實的感覺。NHK的研究表明，根據受試者的視力，感覺分辨率的最低門檻大約只相當于每弧分像素的2/3。NHK測試了45名受試者，視力均在2.0/2.0以上，讓他們判斷哪一組圖像的清晰度更高。

每弧分1像素的水平觀看角度每弧分2/3像素的水平觀看角度

720p: 1280×720 20° 13°

1080p: 1920×1080 30° 20°

4K×2K: 3840×2160 60° 40°

8K×4K: 7680×4320 100° 70°

4 超高清電視的行業趨勢

4.1 攝像機設備

超高清的分辨率比較高，因此，對視頻碼流的要求也比較高，要求其具有高光寬容度。在超高清節目制作過程中，高標準高要求的拍攝設備顯得尤為重要。近年來，隨著技術的不斷進步，一大批超高清數字攝像機不斷涌現，錄制超高清節目已經成為一種趨勢，美國RED公司早在2007年推出的RedOne數字攝像機就可以拍攝4K級別的畫面素材。各大電子設備公司也推出了各種超高清拍攝設備，專業級的電影電視攝像機和民用的數碼攝像設備呈現井噴式的發展。

4.2 后期制作

目前，雖然絕大多數后期制作系統都支持4K超高清視頻，但4K作品龐大的數據量、卡頓的操作感受給用戶帶來了不小的麻煩。從技術角度來說，清晰度的提升也就意味著數據量的增加，4k影視節目每一幀的數據量都達到了50MB，因而后期工作站在處理2K級別節目時流暢，但在處理4K節目時往往慢得令人難以接受。因此，無論解碼播放還是編輯都需要頂級配置的機器。從保證工作效率的方面出發，許多廠商都推出了專門針對4K超高清節目特點的工作站。這些工作站雖然來自不同的品牌，但有以下幾個共同特點：強大的處理器、超大容量的存儲設備、滿足調色要求的監看設備、渲染CG特效所需要的大內存。

4.3 顯示設備

目前，手機、平板電腦、桌面顯示器、平板電視、投影機等各種顯示設備的分辨率不斷提高，其中屏幕尺寸更大的平板電視與桌面顯示器已進入了4k超高清時代。超高清電視更多地是面向家庭用戶，而投影機則更多地是服務于商業領域。目前，超高清放映設備種類已經非常豐富，投影設備，如JVC的DLA-XC5800RB、SONY 的VPL-VW1000ES和巴可的DP4K-32B等。生產4K超高清電視的廠商則更多，LG、長虹、TCL、SONY、三星、創維等廠家都推出了4K電視。

5 超高清顯像增強措施

5.1 提高幀頻

最初選擇將50Hz場率（即25Hz幀

頻）用于模擬電視，主要是因為它易于與工頻結合，而非出于任何心理視覺優化方面的考慮。盡管對數字電視技術而言，工頻不再是一個重要問題，但原有幀率卻保留下來，從而使世界分成使用50Hz和使用60Hz幀率的地區。另外，可將UHDTV作為推出一系列新的幀率的契機。75Hz、150Hz和300Hz系列幀率可為傳統的50Hz和60Hz系列提供交匯點。

5.2 提高色度清晰度

現行的廣播做法是在水平和垂直方向傳輸色度信號分辨率為亮度信號分辨力二分之一的視頻。由于歷史原因，這種格式定為4:2:0（其中第一個數字代表亮度采樣頻率，后兩個數字分別代表奇數和偶數行色度采樣頻率）。

視頻內容在最初拍攝時，垂直色度分辨率和亮度信號分辨力是相同的，但水平分辨率僅為它們的一半，定為4∶2∶2。電影拍攝內容的色度和亮度分辨率大致相同，定為4∶4∶4。

原則上，未來的廣播標準可將色度信號的相對分辨率提高到4∶2∶2甚至4∶4∶4。但現行做法中，亮度和色度分辨率之間的差異似乎與人眼的特點配合得恰到好處。

5.3 增加位深

在數字節目制作中，一般使用10位或12位表示法，但目前數字廣播傳輸中的視頻信號為8位精確度。當出現漸進但持續的色變時（如日落時的晴朗地區），使用8位表示法的量化將最為顯著。隨著視頻清晰度的提高，量化影響可能會更加明顯。因此，UHDTV的引入可能與位深的改善相結合。也可使用一些自適應量化的形式。視頻編碼相對容易時，量化的輪廓往往最為顯著，因此無需大幅提高比特率。

5.4 改善色域

自1990年ITU-R BT.709建議書“用于演播室和國際電視節目交換的HDTV標準的基本參數值”通過以來，HDTV系統色域一直存在于該建議書。709建議書體現了向替代以往用于全世界各SDTV系統的不同色域邁出的重要一步，后來還被計算機行業定為“sRGB”。但它仍未擺脫基于顯像管的顯像技術熒光粉層的局限性，因此不允許真實世界的顏色被復制。

許多現代消費顯像裝置已經能顯示比709建議書的規定更廣泛的色域。2006年，國際電工委員會（IEC）通過了“xvYCC”色域標準—IEC 61966-2-4，與ITU-R 709建議書向后兼容，但允許復制更廣泛的顏色。在一些色域，差異比較明顯，如深色調的玫瑰紅。該標準得到一些消費顯示器制造商的支持，預計該標準的采用勢頭將不斷增強。

6 結語

超高清電視終端市場的發展遙遙領先于節目拍攝、制作、后期處理等環節，一旦超高清電視節目各環節準備充分，整個超高清電視產業將得到迅速發展。

參考文獻：

[1]田霖,楊玉潔.“極清”的誘惑——4K時代下的影視內容制作[J].影視制作,2013(10).