超高清數字電視關鍵技術及其發展探析

馮聰杰 李祖章

（作者單位：四川九州電子科技股份有限公司）

從4K概念正式提出，到2012年超高清電視國際標準ITU-R BT.2020的發布，超高清正式進入人們的生活。隨著不同尺寸超高清電視的出現，超高清電視就成為關注的焦點。相比高清電視，超高清電視更加逼真、細膩，擁有更為準確的視覺信息和強烈的臨場感，從而為電視技術發展開啟了全新的篇章。

1 超高清數字電視的關鍵技術

1.1 視頻處理技術

在4K模式下，按照4∶4∶4的模式，超高清數字電視信號的初始數據比為16 Gb/s左右。當處于8K模式下，能夠達到24 Gb/s；按照4∶2∶2的樣本，其4K數據為16 Gb/s，在8K模式下，初始數據為16 Gb/s。如在上述的數據量下進行傳輸，那么就無法有效地開展現有的壓縮編碼，還需要結合新的方式。所以，在2010年，有關視頻編碼的專家以及活動圖像專家研發與超高清數字電視壓縮編碼目標實現，其作為“高校視頻編碼”的第三代標準。為了滿足標準的要求，還需要在保證圖像質量的同時，將碼率降低50%。這就表示，處于4K模式下，30幀每秒的超高清視頻可以滿足H.264標準的使用要求，并且可以在40 Mb/s內實現壓縮操作，如果按照HEVC標準，就可以處于20 Mb/s之內[1]。

1.2 傳輸技術

1.2.1 地面傳輸

利用電視臺制高點天線，通過對外發射無線電視信號，就可以覆蓋所有的電石用戶，通過接收天線和電視機，用戶可以隨時觀看電視節目，以滿足高清數字電視信號的傳輸要求。

針對超高清電視的地面傳輸標準，主要包含了ISDB-T、ATSC3.0和DVB-T。而在超高清電視技術方面，日本是遙遙領先，其廣播網絡標準制式主要是利用OFDM的正交頻分復用技術以及超高階的調制4096QAM方式，并且使用了MIMO信號增強技術以及雙極化天線。

1.2.2 網絡傳輸

互聯網技術的應用，通過電信寬帶來支持互聯網模式，利用光纖到戶，就可以滿足多種交互式傳播IPTV，也就是通過交互式的網絡電視為家庭用戶提供數字電視在內的交互式多媒體服務。在IPTV應用中，主要包含了多媒體技術、通訊技術以及互聯網技術等內容，用戶利用個人電腦或者是網絡機頂盒就可以直接接收對應的節目，在滿足傳統意義上的視頻服務和網絡瀏覽的同時，也能夠滿足互動點撥、在線交易、網絡游戲等數字化的電視平臺要求，進而滿足不同層次的用戶需求。例如，美國的YouTube公司就是通過VP9編碼技術，滿足互聯網4K串流技術，從而進行超高清電視視頻傳輸。4G技術持續發展，大幅度提高了網絡傳輸寬帶以及傳輸質量，這樣也可以滿足媒體融合的需求，也有利于資源整合，促進超高清電視的發展[2]。

1.2.3 有線與光纖傳輸

有線電視網絡能夠滿足“一城一網”的企業化運營模式的實際要求，利用有限制式的機頂盒安裝，用戶就能夠獲取信號。有線信號傳輸主要是利用光纖網絡，而光纖也是目前性能最好的一類傳輸介質。光纖傳輸本身擁有容量大、頻帶寬、傳輸效率高等一系列優點，一般作為原始視頻圖像的傳輸介質。另外，通過光纖傳輸的視頻信號，其本身的數據是連續的，畫面基本上不會出現延時，并且數據不會丟失，可以滿足數據高保真需求。

現階段，一路光纖只能夠滿足幾路到幾十路的無壓縮高清視頻圖像的傳輸。光纖線傳輸帶寬的進一步提高，可以滿足一路單模光纖線中上百路甚至是上千路的高清視頻信號傳輸。考慮到超高清圖像占據的帶寬是高清圖像的4倍之多，所以光纖傳輸線路的敷設成本較大，在實際利用中，還需要將視頻的壓縮效率提高，可以利用H.265的高效視頻編碼標準。

1.2 音頻處理技術

通過完整的空間立體聲構建，具體見圖1所示，就會直接形成3層的換聲場下層兩側再增加2個低音聲道，形成22.2的環繞聲系統。與當前7.1省道的環繞聲系統相比，最明顯的特點在于生產能夠完全三維化，其聲音更具有現場感，更加真實，可以給人帶來強烈的感官體驗。

當然，其音頻數據率也不能小看，基于每聲道48 kb/s，以24 bit采樣作為內容，可以達到28 Mb/s的音頻數據率，在音頻壓縮處理之后，其數據率會超過2.8 Mb/s。當前，Dolby和DTS在進行多聲道立體環繞聲技術與系統的開發，并且MPEG也制定了多聲道標準。如果是家用，22.2聲道未必就可以滿足所有的適用性要求。所以，在制定MPEG環繞聲標準的時候，還應該考慮向后的兼容性，也就是兼容或者是更新已有的單聲道系統和立體聲系統。在編碼中，SAC通過利用音源強度和聲道之間空間相關聯性，從而進行下混處理，就可以降低多聲道音頻的傳輸數據率，只需要增加少量的音源空間信息數據，就可以增強播放效果。

圖1 空間布置示意圖

2 超高清數字電視的發展趨勢

在當前的硬件技術條件下，全社會已經逐漸普及4K超高清分辨率，并且更加細節的畫面和精細的分辨率，也能提升消費者視覺感官體驗。目前，國內外的電視品牌都注重4K超高清電視產品的陣營，也就是從原本的高清電視逐步朝著全高清電視過渡，而精致的畫面就成為不斷追求的目標，隨著超高清片源的出現，超高清智能電視就會成為發展的必然。

在當前的軟件技術條件下，集成化、功能豐富化、操作便捷化成為發展的主要目標之一。未來的智能電視不僅需要滿足節目產品的觀看需求，也要成為智能家居控制終端的顯示系統，這就使得智能電視補給需要像現在一樣，能夠與外地的家人保持相互的視頻通話，同時能夠監視家里面空調、冰箱等產品的實際運行狀態，甚至還可以觀察孩子、寵物在家里面的情況。在未來的發展中，觀看電視只是其中一個很小的功能，更多是要成為各種移動端信息的輸出與控制終端，這才是未來發展的主流[3]。

3 結語

因為國內外超高清試驗頻道的存在，超高清電視已具雛形，受到標準推廣進度、技術成熟度以及地理位置等因素的影響，要想大面積推廣，還需要較長的時間去準備和試驗。但是，可以清楚地了解到，隨著有關超高清技術標準的制定與完善，超高清數字電視必定能走入人們的視野中，從而給人們帶來全新的視聽享受。