超高清電視技術(shù)的圖像格式解析

摘 要 本文詳細(xì)介紹了超高清電視技術(shù)和高清電視技術(shù)的優(yōu)勢(shì)等，通過(guò)觀眾的視覺(jué)系統(tǒng)，從空間、時(shí)間、色彩等方面對(duì)電視技術(shù)的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，加深對(duì)超高清電視技術(shù)的圖像技術(shù)參數(shù)的了解。

關(guān)鍵詞 超高清電視技術(shù)；圖像格式；解析

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）187-0031-02

電視技術(shù)的發(fā)展不斷革新，從1953年，黑白電視接收機(jī)在日本的電視廣播界蔓延，而1984年開(kāi)始的廣播衛(wèi)星（BS）模擬廣播向?qū)捚粒?6：9寬高比）的大屏幕設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換，2000年開(kāi)始的BS數(shù)字廣播、2003年開(kāi)設(shè)的數(shù)字地面廣播和作為高質(zhì)量圖像攜帶媒體的DVD的普及，實(shí)際上在平面、薄型電視呈現(xiàn)的大屏幕圖像畫(huà)面的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到觀眾們的高度認(rèn)可，從電視技術(shù)角度看，電視系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)歷史階段，而第五代電視技術(shù)——超高清電視技術(shù)也在全球范圍內(nèi)廣泛發(fā)展，也深受觀眾的喜愛(ài)和認(rèn)可。

1 產(chǎn)品概況

根據(jù)“超高清 UHD”（即為國(guó)際電信聯(lián)盟所發(fā)布的）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，國(guó)內(nèi)的超高清電視已經(jīng)邁過(guò)了兩個(gè)發(fā)展階段，第一個(gè)階段稱為4K，約800萬(wàn)像素，分辨率為3840×2160（4K×2K），后經(jīng)發(fā)展提高到8K，達(dá)到3300萬(wàn)像素，即7680×4320（8K×4K）。除此之外，UHDTV 系統(tǒng)之中所對(duì)應(yīng)的諸如色差分量方程/亮度、基色坐標(biāo)、光電轉(zhuǎn)換方程等所對(duì)應(yīng)的色度學(xué)指標(biāo)需要與 ITU-RBT.709及SMPTERP177等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)能夠兼容。我國(guó)于2002年第一次公布了超高清電視技術(shù)，而公開(kāi)的成果演示則是在三年之后的愛(ài)知博會(huì)，這次的公開(kāi)公開(kāi)演示時(shí)間長(zhǎng)達(dá)半年，2008年我國(guó)選擇借助IP網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)，并在4年之后的倫敦奧運(yùn)會(huì)上，開(kāi)始進(jìn)行7680×4320分辨率及多達(dá)22.2聲道的超高清電視技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)體育賽事的直播，對(duì)于當(dāng)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)直播調(diào)動(dòng)了世界上僅有的三臺(tái)超高清攝像機(jī)進(jìn)行了開(kāi)/閉幕式及田徑運(yùn)動(dòng)等項(xiàng)目比賽的直播[1]。

2 超高清電視技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

為了更好的兼容高清電視格式，8k的超高清圖像需要其分辨率達(dá)到7680×4320以及以120幀/秒的幀頻進(jìn)行掃描，同時(shí)超高清圖像中的垂直分解力標(biāo)準(zhǔn)、水平分解力標(biāo)準(zhǔn)、時(shí)間矢量標(biāo)準(zhǔn)等均為現(xiàn)行高清電視整數(shù)倍，因?yàn)樾枰獙?duì)超高清電視技術(shù)視進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)以及技術(shù)要求的滿足，根據(jù)相關(guān)研究得出的結(jié)論人類視覺(jué)系統(tǒng)（HVS，HumanVisualSystem）在自由條件下其所能夠看見(jiàn)的水平視角超過(guò)了180°[1]。但目前廣泛應(yīng)用的標(biāo)清電視僅實(shí)現(xiàn)了13°的視覺(jué)范圍，高清電視則為30°，參考ITU-RBT.1845屏幕尺寸以及測(cè)算的最佳觀看距離，人類目前可以實(shí)現(xiàn)的視覺(jué)垂直及水平方向上的最小角分辨率為1角分（arc-min），1角分角對(duì)應(yīng)的視距即為目前的數(shù)字圖像效果所能夠?qū)崿F(xiàn)的最佳視覺(jué)距離[1]。

最佳視距和水平視角的關(guān)系如圖1。

其中，d代表著最佳視距，θ代表著最佳水平視角。根據(jù)上述公式即可實(shí)現(xiàn)高清電視以及超高清電視所對(duì)應(yīng)的最佳視距以及最佳的水平視角，詳細(xì)結(jié)果如表1所示。

故而，可以得知，在500英寸屏幕的劇場(chǎng)進(jìn)行觀看時(shí)，選擇3m的距離觀看效果最好；如果在家里安裝的是145英寸的電視進(jìn)行超高清電視節(jié)目的收看時(shí)，需要至少保持離屏幕1.5m的距離才可實(shí)現(xiàn)100°水平視角的觀影視覺(jué)體驗(yàn)。

3 超高清的圖像格式解析

超高清電視技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，發(fā)展到現(xiàn)階段其需要解決的主要問(wèn)題為超高清電視的音頻技術(shù)參數(shù)以及超高清拍攝指導(dǎo)顯示過(guò)程，針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題目前所使用的解決方法主要為編輯、存儲(chǔ)、播出以及傳輸?shù)取１Ｕ铣咔寮夹g(shù)的完美呈現(xiàn)需要做到兼容性以及互通性的協(xié)調(diào)，基本要求為：第一，所拍攝的圖像品質(zhì)需要高于高清電視的圖像品質(zhì)；第二，所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段需要與現(xiàn)有的高清電視具有一定的兼容性、同時(shí)還具有一定的通用性；第三，對(duì)于未來(lái)技術(shù)留有可供提升的空間。

1）空間特點(diǎn)分析，從人類視覺(jué)系統(tǒng)和心理感知兩方面入手，對(duì)超高清的空間特點(diǎn)進(jìn)行分析。而超高清圖像格式首要解決的問(wèn)題是對(duì)像素?cái)?shù)量的大小，由于像素?cái)?shù)量的多少與圖像質(zhì)量有直接的關(guān)系。而超高清分辨率還要綜合的分析兩點(diǎn)問(wèn)題，在保障圖像質(zhì)量不降低的前提條件下，同時(shí)提供穩(wěn)定的系統(tǒng)真實(shí)感受保障，如何實(shí)現(xiàn)這一問(wèn)題成為目前超高清設(shè)計(jì)所需要解決的難題之一，而增加視角和顯示設(shè)備的尺寸是目前最有效可行的方法。

2）色彩特點(diǎn)分析，基于對(duì)空間特點(diǎn)與時(shí)間特點(diǎn)分析，同時(shí)也針對(duì)超高清電視的色彩呈現(xiàn)展開(kāi)了深入的研究以及分析。參考ITU-R RecBT.709，高清電視的圖像品質(zhì)與實(shí)際物體相比其色彩飽和度大大降低。與此同時(shí)，目前市面上流行的消費(fèi)類平板顯示器在色彩容度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)有的高清電視。如何處理好高清電視的視覺(jué)效果，需要做到以下幾點(diǎn)：

（1）可以用寬闊的色域來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于現(xiàn)有電視相關(guān)系統(tǒng)色域的取代，同時(shí)需該色域系統(tǒng)務(wù)必保障以實(shí)物顏色為參考標(biāo)準(zhǔn)；

（2）寬色域的色彩編碼效率需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的電視色彩系統(tǒng)；

（3）寬色域的基色單元物理其需要具備良好的接受性，同時(shí)需要電視技術(shù)也能夠適用于整個(gè)的色域顯示，且可以應(yīng)用到圖像質(zhì)量處理之中。

3）臨場(chǎng)感分析，臨場(chǎng)感需要評(píng)估，同時(shí)對(duì)于臨場(chǎng)感的評(píng)估需要一定的測(cè)試。本文探討的臨場(chǎng)感分析所進(jìn)行的測(cè)試實(shí)驗(yàn)是挑選了300個(gè)測(cè)試對(duì)象并分為5組，確保每一組均可以從不同的視角進(jìn)行視頻的收看，在此過(guò)程之中進(jìn)行4張不同視覺(jué)以及不同內(nèi)容圖片的拍攝，以此作為對(duì)臨場(chǎng)感進(jìn)行評(píng)估的客觀依據(jù)，也會(huì)使得評(píng)估的結(jié)果更加的精確，而經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在水平視角增加的同時(shí)臨場(chǎng)感也會(huì)增加，最后在80°到100°之間達(dá)到了飽和狀態(tài)。而臨場(chǎng)感最強(qiáng)的時(shí)候是在視角為77°的時(shí)候，但在不同的統(tǒng)計(jì)方法下這個(gè)數(shù)值意義并不大，而實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在對(duì)拍攝角度為100°的圖片進(jìn)行比對(duì)時(shí)發(fā)現(xiàn)超高清視角的范圍為80°～100°時(shí)，其最佳狀態(tài)的觀看距離為屏幕高度的0.75倍～1倍。

4）真實(shí)感分析，目前對(duì)于真實(shí)感的評(píng)估以及分析需要根據(jù)所獲得的6個(gè)不同角度的分辨率圖片進(jìn)行綜合性的判斷，在此基礎(chǔ)上再結(jié)合實(shí)際物體進(jìn)行比對(duì)，可以在所有的測(cè)試對(duì)象中挑選出一張與實(shí)物最為接近的一張圖片。總結(jié)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)得出，空間所對(duì)應(yīng)的分辨率對(duì)實(shí)際物體是否能夠得到明顯的區(qū)分，需要角坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的分辨率不斷提高，在此情況下所能夠獲得的視覺(jué)臨場(chǎng)感就越強(qiáng)。

5）視角分析，通過(guò)大量的視角測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)人類的視覺(jué)系統(tǒng)視角極限技術(shù)進(jìn)行不斷的突破可以提高高清電視節(jié)目視角的臨場(chǎng)感受。大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，獲得了不同視角的觀察圖片，同時(shí)也掌握了大量的測(cè)試對(duì)象所出現(xiàn)的比如身體擺動(dòng)等因素所產(chǎn)生的影響數(shù)據(jù)，在綜合各種數(shù)據(jù)之后進(jìn)行了超高清圖像最佳觀看視角結(jié)果的計(jì)算。通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)及計(jì)算得出，視角與人體身體擺動(dòng)幅度的關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的反比例關(guān)系，也就是說(shuō)若是想獲得較大的視角效果，那么觀看者應(yīng)該控制自身的身體擺動(dòng)幅度，計(jì)算得出最大的視角可達(dá)到80°左右。

4 運(yùn)動(dòng)視覺(jué)的分析

4.1 運(yùn)動(dòng)模糊

運(yùn)動(dòng)模糊一般指的是實(shí)物在圖像的移動(dòng)過(guò)程之中所呈現(xiàn)出的視覺(jué)效果，除此之外，由于長(zhǎng)時(shí)間的曝光以及置于場(chǎng)景中的物體若是處于快速移動(dòng)的狀態(tài)也會(huì)出現(xiàn)明顯的視覺(jué)效果。對(duì)于該結(jié)論，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行充分的展現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模糊及曝光時(shí)間兩者間的關(guān)系，在測(cè)試之中我們所使用的物體其運(yùn)動(dòng)速率維持為30°/s，同時(shí)將拍攝的曝光時(shí)間控制到1/200s～1/300s的范圍，通過(guò)上述數(shù)據(jù)可知，移動(dòng)速度越快，曝光時(shí)間越短，對(duì)幀頻及快門(mén)曝光時(shí)間降低起到輔助作用，均以圖像質(zhì)量作為基礎(chǔ)[1]。

4.2 頻閃效應(yīng)

我們通常用曝光時(shí)間為1/240s，幀頻為60f/s、80f/s、120f/s，為圖像質(zhì)量的主觀的評(píng)價(jià)，而當(dāng)確定了幀頻的大小之后，其所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模糊圖像也一并被人們所接受了，特別是當(dāng)其所對(duì)應(yīng)的幀頻超過(guò)100Hz時(shí)所得到的圖像質(zhì)量均能被接受。

4.3 閃爍

使用寬屏幕進(jìn)行超清電視的觀看時(shí)其閃爍頻率會(huì)增大，并且基于對(duì)人類視覺(jué)的特點(diǎn)，人類對(duì)視覺(jué)閃爍也更加關(guān)注，從理論上講，我們根據(jù)人類的感知特點(diǎn)，利用臨界融合的頻率（Fusion Frequencies）來(lái)代表閃爍。

5 結(jié)論

本文對(duì)超高清電視技術(shù)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了描述，而圖像格式，系統(tǒng)參數(shù)等要求進(jìn)行了特別描述，根據(jù)人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)超高清電視技術(shù)的革新，也帶給觀眾更強(qiáng)烈的真實(shí)感和臨場(chǎng)感的超高清質(zhì)量觀看體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]李靜.超高清電視技術(shù)的圖像格式[J].廣播與電視技術(shù)，2013，40（11）：30，32-36.

作者簡(jiǎn)介：邢國(guó)華，河北廣播電視臺(tái)。