4K超高清電視關鍵技術解析

李玉忠

摘 要：本文研究了超高清電視技術發展現狀，對超高清電視系統的圖像關鍵參數進行了分析和解讀。

關鍵詞：分辨率;色域;動態范圍;轉換曲線

放眼全球，聚焦國內，現代電視的發展已快步進入4K超高清時代。超高清電視可以給觀看者帶來更好的視覺體驗，能夠展現更多的視頻信息，具有更強的真實感。相對于現行的高清電視，4K超高清電視不僅僅是分辨率的提升。4K電視比高清電視的優勢有哪些呢？我們有必要了解4K超高清電視的關鍵技術。電視呈獻給觀眾的是活動的圖像，與活動圖像質量密切相關的有以下幾個因素，如圖一所示：包括分辨率（空間分辨率）、色域（彩色分辨率）、量化（灰度分辨率）、幀速率（時間分辨率）、動態范圍（寬容度分辨率）。高清電視的分辨率是2K，到超高清有4K和8K，隨著分辨率的增加，呈現的圖像越細膩和清晰。色域影響的是圖像的色彩，色域越大，色彩就會越鮮艷。量化比特關系到圖像的灰度層次，對色彩的還原也有影響。幀率的高低對快速運動的圖像，呈現不同的效果。動態范圍影響的是圖像同時呈現暗圖像和高亮圖像的能力。4K超高清在這幾個方面都有了相當大的提高。

分辨率：按ITU-R BT.2020，定義4K超高清電視分辨率為3840x2160，畫面寬高比是16：9，相對于比4K電影少了7%的像素。標清是720x576，寬高比是4：3，高清是1920x1080，寬高比是16：9，從圖二可以看出，4K超高清比高清提供了更多的像素，是高清的4倍，在同樣大小的畫面中，像素越多，必然清晰度越高。

色域：如圖三所示，按ITU-R BT2020建議書給出了一個參考白D65由紅綠藍三個點構成的三角形，就是超高清電視的色域。高清和標清的色域非常相近，4K比高清的色域大了很多，色域的增大能顯現更多的顏色，主要是綠色這一塊，并且色彩的飽和度比高清大了許多，色域增大給觀眾帶來更逼真的色彩效果。

量化比特數：按ITU-R BT2020建議書推薦的量化信號是R、G、B 或者Y、CB、CR，10比特或者12比特量化，當前技術階段，大多采用10比特量化，對于相同的亮度范圍，量化比特殊的增加可以使亮度的層次更加清晰，可以使色彩更加豐富。

幀率：ITU-R BT2020支持多種幀率，考慮到我國電視制式和應用需求，保留了50、100、120三個幀頻，逐行掃描，幀率高，畫面流暢。若幀率不高，高速運動畫面呈現卡頓、閃爍現象。

動態范圍：回顧電視技術發展史，在傳送模擬電視、標清和高清電視時，攝像機內部都有γ校正信號處理過程。圖像采集器件，它的光電轉換特性是線性的，如圖四所示：

隨著入射光線的增強，圖像采集設備的輸出電平也是線性增加，入射光線隨著景物亮度成正比關系。我們希望圖像采集器件的線性關系，它輸出的信號經過一系列的處理和傳輸，到達終端時，也能同樣成線性關系，呈現原來的亮度。但是在過去的年代，顯示終端是顯像管，然而顯像管它的電光轉換特性是非線性的，顯像管隨著輸入電平的增加，呈現的亮度是一個非線性的增長，因此需要在攝像機內部預先做一個反方向的校正，叫做伽馬校正。顯像管的電光轉換特性是一個冪函數，γ等于2.2，攝像機預校正OETF（轉換特性）約等于0.45，這樣下來系統特性OOTF就是2.2乘以0.45約等于1，信號經過總的鏈路傳輸到達終端后，呈現的是一個線性關系。傳統的伽馬要匹配顯像管的特性，顯像管的峰值亮度只有100尼特左右。所以攝像機的伽馬也要迎合顯像管的這種特性。對于超過100尼特的亮度，攝像機的處理是滿切割。對于景物超過100尼特的亮度部分，失去了亮度的細節，在圖像中呈現的是一片白，這是過去的情況。

在超高清電視中也有這個轉換曲線，

在ITU-R BT.2020-2中

α=1.099， β=0.018（10位系統）;α=1.0993， β=0.0181（12位系統）

在ITU-R BT.709-6中

上邊這個式子在ITU-R BT.2020-2中，是超高清非線性轉換的公式，下邊這個在ITU-R BT.709-6中的轉換公式，對比著兩組公式，當低電平時，對應圖像暗部的時候，有一個4.5的線性關系，對于其它高亮部分，是一個指數關系，它的冪是0.45，其實ITU-R BT.2020-2建議書中的非線性轉換曲線和ITU-R BT.709-6中的高清是一樣的。按照ITU-R BT.2020-2建議書得到的這個動態范圍叫作標準動態范圍簡稱SDR（Standdard Dynamic Range）。

斗轉星移，科技日益進步，顯示終端多樣化，亮度有了較大幅度的提高，能顯示到1000尼特，我們有必要把動態范圍擴大，以達到更佳的顯示效果。在2016年7月，國際電信聯盟發布了BT.2100建議書，定義了高動態范圍制作圖像，簡稱HDR（High Dynamic Range）。在該建議書中，規定了兩種實現高動態范圍的技術方案。一種叫做PQ，利用人類視覺特性來感知量化編碼，另一種叫作混合對數伽馬HLG，柔和了傳統伽馬和對數轉換曲線，HLG實現了傳統顯示技術和現代顯示技術的一種兼容，該建議書介紹了HLG和PQ兩種曲線之間的轉換方法。

圖五畫出了幾種轉換曲線的對比，1是傳統的伽馬，是ITU-R BT.709-6所規范的一種伽馬曲線，2是HLG，定義的是動態范圍擴展到1200尼特，4是PQ轉換曲線，支持的動態范圍高達10000尼特顯示，由圖可見這三者之間動態范圍存在天壤之別。還有一些廠家推出了自己的轉換曲線，3這條曲線就是索尼公司的，介于PQ和HLG中間，作為一種中間形式。

高動態范圍會帶來什么視覺效果呢？在自然光中，亮度的范圍很寬，從10-6～109尼特，對比度高達1015比1，拍攝這么大動態范圍的圖像會遇到什么問題呢？首先是光圈調整，以圖像的高亮區域為基準，圖像的暗部因為曝光不足，圖像的細節看不清了。如果把光圈放大使暗部合適的時候，圖像的高亮部分作了切割，失去了圖像的細節，在圖像呈現的是一片白，沒有了層次感。

如果采用HDR高動態技術，采用了新的轉換曲線，把較大亮度范圍的圖像都得以呈現，高亮部分和暗部圖像都能較好的呈現出來，這就是HDR制作的優異之處。

下表為標清、高清與超高清的參數比較：

通過參數比較，4K超高清比高清圖像質量有較大幅度的飛躍，在此基礎上再加上HDR技術，采用4K技術能呈獻給觀眾更加逼真的圖像質量。我國也在積極開展超高清電視的研究和試驗工作。隨著未來超高清電視相關技術和標準的進一步完善，超高清電視將為人們帶來嶄新的視覺體驗。