三種“4K超高清顯示”傳輸方式的比較分析

陳緯寧，吉 祥

上海廣播電視臺，上海 200041

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三種“4K超高清顯示”傳輸方式的比較分析

陳緯寧，吉 祥

上海廣播電視臺，上海 200041

摘 要對“4K超高清顯示技術(shù)”的定義和標(biāo)準(zhǔn)做簡單介紹，以其編碼格式分析采用該顯示技術(shù)的優(yōu)點和其發(fā)展瓶頸之一的“傳輸技術(shù)”為著眼點，詳細(xì)分析了現(xiàn)有三種“4K超高清顯示”傳輸方式的優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞4K；傳輸技術(shù)；SDI；HDMI；HDBaseT

廣播電視技術(shù)，尤其是彩色電視顯示技術(shù)已向“2屏、3D、4K”方向縱深發(fā)展，所謂“2屏”指的是“第二屏幕”，即除電視機以外的移動客戶端，“3D”指的是立體的顯示效果，而“4K”則指的是“4K分辨率”，是一種超高清（UHDTV）清晰度顯示技術(shù)。

彩色電視顯示技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了“標(biāo)清”“普通高清”“全高清”和“2K超高清”等階段，其分辨率分別為720×576、1 280×720、1 920×1 080 和2 048×1 152，而“4K超高清（4K UHD）顯示技術(shù)”則是新一代彩色電視顯示技術(shù)，其分辨率高達(dá)4 096×2 160。表1為各視頻清晰度的等級劃分表。

表1　各視頻清晰度等級劃分表

“4K超高清顯示技術(shù)”尚未真正普及到千家萬戶，其在畫面的傳輸問題上使用的是H.265/HEVC視頻編碼技術(shù)，畫面的數(shù)據(jù)量極大，傳統(tǒng)的電視信號傳輸方式無法支持“4K超高清”畫面的傳輸，利用既有的電視網(wǎng)絡(luò)傳輸“4K超高清”顯示畫面的設(shè)想不太實際。因此，亟需找到一種安全、可靠、穩(wěn)定的“4K”信號傳輸方式。現(xiàn)就“4K超高清顯示技術(shù)”的定義、標(biāo)準(zhǔn)、編碼格式和幾種傳輸方式的優(yōu)缺點進(jìn)行具體分析。

1 “4K超高清顯示技術(shù)”定義

“4K”的名稱源于其橫向水平解析度約為4 000像素，而“4K”超高清顯示技術(shù)的像素分辨率為4 096×2 160，是現(xiàn)今高清電視分辨率的4倍，屬于超高清分辨率。目前業(yè)界普遍公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)是國際電信聯(lián)盟頒布的超高清電視國際標(biāo)準(zhǔn)：ITU-R BT.2020，標(biāo)準(zhǔn)對超高清電視的分辨率、色彩空間、幀率、色彩編碼等進(jìn)行了規(guī)范。在色彩方面，ITU自定義有BT.709和BT.2020兩個標(biāo)準(zhǔn)版本，在色彩深度方面，BT.709標(biāo)準(zhǔn)為8 bit，而BT.2020標(biāo)準(zhǔn)則提升至10 bit，此外，BT.2020采用了比BT.709更寬廣的色域空間如可顯示高密度橘色，深綠色等。

2 “4K超高清顯示技術(shù)”編碼格式

“4K超高清顯示技術(shù)”的圖像數(shù)據(jù)量巨大，不能使用目前的MPEG-2和H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)信源壓縮編碼。而業(yè)界普遍采用的“4K超高清”視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是“HEVC/H.265”標(biāo)準(zhǔn)。與現(xiàn)有的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC相比，后者能將壓縮效率提高1倍以上。

HEVC/H.265編碼技術(shù)承襲現(xiàn)有的H.264/AVC編碼技術(shù)，包含幀內(nèi)預(yù)測、幀間預(yù)測、轉(zhuǎn)換、量化、去區(qū)塊濾波器、熵編碼等模塊，全新HEVC編碼技術(shù)為提升壓縮率，將這些模塊整合成3個單元，分辨率是編碼單元、預(yù)測單位和轉(zhuǎn)換單位。

相比H.264/AVC編碼中每個宏塊為16×16像素的固定編碼單位，HEVC/H.265技術(shù)的編碼單位較為靈活，最小可以實現(xiàn)8×8像素編碼，最大可以實現(xiàn)64×64像素編碼。H.264/AVC幀內(nèi)預(yù)測模式支持8種方向調(diào)節(jié)，而HEVC/H.265幀內(nèi)預(yù)測模式支持多達(dá)33種方向調(diào)節(jié)，且提供比H.264編碼技術(shù)更好的矢量預(yù)測計算方法和動態(tài)補償處理效果。此外，HEVC/H.265還具有樹狀結(jié)構(gòu)的預(yù)測和殘差塊分割、基于模式依賴正弦/余弦變換、基于空間和時間的運動矢量預(yù)測、多幀運動補償預(yù)測和高精度運動補償插值等多種編碼技術(shù)。

表2　三種“4K超高清”傳輸技術(shù)優(yōu)缺點分析

HEVC/H.265編碼技術(shù)旨在有限帶寬下傳輸更高質(zhì)量的視頻，一部高清分辨率（1 080P）的文件若采用HEVC/H.265編碼后，其容量僅為采用H.264/AVC編碼后容量的一半，這就意味著僅需原先的一半帶寬即可播放相同質(zhì)量的視頻。

3 “4K超高清顯示”傳輸方式

3.1 HD-SDI

數(shù)字分量串行接口“SDI”是目前演播室各設(shè)備普遍采用的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，目前“HD-SDI”的傳輸速率為1.485 Gbps，但“4K超高清顯示技術(shù)”要求傳輸最高3 Gbps的無壓縮基帶信號，采用“HD-SDI”顯然無法傳輸，現(xiàn)在最普遍的解決方案是采用4根“HD-SDI”線纜，分別標(biāo)記為“A、B、C和D”來傳輸“4K”信號。

其優(yōu)點是花最小的成本、最大程度利用現(xiàn)有“HD-SDI”線材，可選用轉(zhuǎn)接件進(jìn)行演播室升級改造；其缺點是對于“4K”設(shè)備的要求具有4個“HD-SDI”接口，傳輸線材粗大笨重，且4個“HD-SDI”口順序不能接錯，示波器等檢測儀器測試檢驗較為繁瑣。

3.2 HDMI

高清晰度多媒體接口“HDMI”是一種數(shù)字化視音頻接口技術(shù)，經(jīng)歷過6個版本的變遷，目前HDMI2.0的最高數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)18 Gbps，完全可以滿足“4K超高清顯示”畫面數(shù)據(jù)的傳輸。

采用HDMI進(jìn)行傳輸?shù)膬?yōu)點是易用性，其在單線纜中集成視頻和多聲道音頻，從而消除了當(dāng)前演播室系統(tǒng)中使用的多線纜的復(fù)雜性，第二是高保真，HDMI2.0標(biāo)準(zhǔn)完整支持BT.2020的色域空間標(biāo)準(zhǔn)，符合超高清影音技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，HDMI2.0標(biāo)準(zhǔn)在視頻方面還支持2條不同的視頻信號傳輸，實現(xiàn)雙屏顯示，同時也支持21︰9寬屏顯示規(guī)格。而音頻傳輸方面，HDMI2.0最高可以支持32聲道的音頻信號傳輸。

3.3 HDBaseT

HDBaseT并沒有像HDMI和DP一樣重新設(shè)計一個新的接口，其利用超五類或者六類雙絞線、網(wǎng)絡(luò)水晶頭和網(wǎng)絡(luò)接線的接法，實現(xiàn)了速率高達(dá)20 Gbps的視頻信號傳輸性能，確切的說，HDBaseT是一種協(xié)議規(guī)范。目前HDbaseT 1.0支持最高20 Gbps的傳輸速率，能完美地支持“FULL 3D”和“4K超高清“顯示技術(shù)視頻格式，其傳輸距離達(dá)到了100 m。

采用HDBaseT的優(yōu)點是無需專用接口，只需要標(biāo)準(zhǔn)的RJ-45連接器接口，也無需專用的線纜，只需要現(xiàn)有的超五類或者六類雙絞線，成本低廉，其傳輸距離可達(dá)100 m。此外，HDBaseT還提供了以太網(wǎng)功能、供電能力（PoE）和其他控制信號通道。其缺點是目前基于HDBaseT的設(shè)備較少，市場仍處于觀望狀態(tài)。

4 總結(jié)

“4K”超高清技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)歷了約三年的技術(shù)積累和沉淀，發(fā)展過程中遇到了不少的問題和瓶頸。本文從“4K超高清顯示技術(shù)”的定義和編碼格式入手，對“HD-SDI”“HDMI”和“HDBaseT”三種傳輸方式進(jìn)行研究和探討，其傳輸特點和優(yōu)缺點如表2所示。

從表2中可以看出，三種“4K超高清”傳輸方式各有優(yōu)缺點，但權(quán)衡利弊和綜合考量后可以看出“HDBaseT”以其獨有的接口易用性、傳輸高速率和可擴展的功能具有成為“下一代超高清影音”線纜標(biāo)準(zhǔn)的潛力，相信再經(jīng)過若干年傳輸技術(shù)的發(fā)展，“4K”超高清電視定會走入尋常百姓家。

參考文獻(xiàn)

[1]萬帥，楊付正.H.265/HEVC：原理、標(biāo)準(zhǔn)與實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2]朱秀昌，劉峰，胡棟.視頻編碼與傳輸新技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

作者簡介：陳緯寧，工作單位為上海廣播電視臺。

中圖分類號TN94

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號2096-0360（2016）04-0019-02