超高清數(shù)字電視關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢探討

李東山（山東省招遠(yuǎn)市廣播電視臺，招遠(yuǎn) 265400）

超高清數(shù)字電視關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢探討

李東山
（山東省招遠(yuǎn)市廣播電視臺，招遠(yuǎn) 265400）

本文首先對超高清電視進(jìn)行了簡要介紹，然后對超高清數(shù)字電視涉及到的視頻處理、音頻處理、傳輸形式和顯示等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后對國內(nèi)外4K超高清頻道發(fā)展情況及國內(nèi)超高清科研和推廣計(jì)劃進(jìn)行了闡述。

超高清電視；視音頻處理；信號傳輸；4K頻道

1　引言

自2004年4K概念首次被電影行業(yè)提出，到2012年國際電信聯(lián)盟對超高清電視國際標(biāo)準(zhǔn)ITU-R BT.2020的發(fā)布，超高清逐步進(jìn)入人們的視野。近年來，國內(nèi)外各大廠商紛紛推出不同尺寸的超高清電視，超高清電視成為行業(yè)熱點(diǎn)。超高清顯示比高清顯示可以帶來更細(xì)膩、逼真的圖像，更強(qiáng)臨場感和更精確的視覺信息，為平板電視技術(shù)發(fā)展開啟了新篇章。超高清電視有望在不久的將來得到廣泛應(yīng)用，尤其在大屏幕、高空間/時(shí)間分辨力、寬色域等顯示器中應(yīng)用。

2　超高清電視簡介

超高清電視最先由NHK公司提出，是一種旨在為用戶提供更高質(zhì)量的電視圖像的數(shù)字電視技術(shù)，日、韓、英、美、俄等國均對其展開了積極的研究。如果以技術(shù)參數(shù)來定義的話，超高清電視是指分辨率為3840×2160（4K）或7680×4320（8K），幀頻高達(dá)120Hz，量化深度12比特的數(shù)字電視技術(shù)。如果以主觀視聽感受來定義的話，超高清電視是指可為觀眾提供超高像素、超大屏幕、超寬觀看角視頻圖像并令觀眾獲得逼真圖像、豐富色彩、豐滿聲音等視聽感受數(shù)字電視技術(shù)。

與標(biāo)清電視和高清電視相比，超高清電視的分辨率有了很大提高。例如在同等像素密度下，4K超高清電視的可視面積是1920×1080高清電視的4倍，是720×576標(biāo)清電視的20倍。此外，超高清電視相比于標(biāo)清電視和高清電視，還采用了一系列關(guān)鍵技術(shù)。

3　超高清電視關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)超高清顯示需要超高清系統(tǒng)，超高清數(shù)字電視系主要包括信源壓縮編碼、傳輸信道編碼、超高清數(shù)字電視的接收和解碼、顯示等。

3.1超高清視頻處理

以4︰4︰4采樣為例，4K模式超高清數(shù)字電視信號圖像的原始數(shù)據(jù)率為(3840×2160bit/幀)×(24bit/ pixel)×(30幀/s)，即大約6Gb/s，8K模式的原始數(shù)據(jù)率則大約為24Gb/s。以4︰2︰2采樣，4K和8K模式的數(shù)據(jù)率也要分別達(dá)到4Gb/s和16Gb/s。要將如此之大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行傳輸，必須研究新的壓縮編碼方法。2010年，ISO/IEC活動圖像專家組（MPEG）和ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）聯(lián)合成立了視頻編碼聯(lián)合小組（JCT-VC），來開發(fā)一個(gè)稱之為“高效視頻編碼（HEVC）”的下一代標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的要求是，與H.264高檔次（High Profile）對比，在保持計(jì)算復(fù)雜度基本一致，主觀圖像質(zhì)量相當(dāng)?shù)那疤嵯?，將碼率（bitrate）下降50%。ITU-T視頻編碼專家組表示，在稍微增加復(fù)雜度的前提下，還可以將碼率下降到25%。

如果把1995年頒布的MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)看作是數(shù)字電視的第一代信源壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)歷8年后，2003年頒布的H.264可以看作第二代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.264的碼率比MPEG-2下降了50%。HEVC標(biāo)準(zhǔn)可以看作是第三代編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)，HEVC的碼率將比H.264再下降50%或更多。這樣，對于4K模式30幀/s的超高清視頻，采用H.264標(biāo)準(zhǔn)可壓縮至40Mb/s以內(nèi)，而采用HEVC可望壓縮到20Mb/s以內(nèi)。

3.2超高清電視音頻處理

超高清22聲道的布置如圖1所示，頂層安排了9個(gè)聲道，中間層安排了10個(gè)聲道，底層在電視屏幕下方布置了3個(gè)聲道。上、中、下3個(gè)環(huán)繞聲場，構(gòu)成了完整的空間立體聲。

圖1　22聲道的空間布置

這樣組成的3層環(huán)聲場的下層兩側(cè)再增加2個(gè)低音聲道，構(gòu)成完整的22.2環(huán)繞聲系統(tǒng)，與目前流行的7.1聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)相比，最為突出的是將聲場完全三維化，聲音更真實(shí)、更具現(xiàn)場感，能帶給人更強(qiáng)烈的感官享受。

當(dāng)然22.2聲道的音頻數(shù)據(jù)率也不可小視，以每聲道48kb/s，24bit采樣為例音頻數(shù)據(jù)率達(dá)到約28Mb/s，經(jīng)過音頻壓縮后數(shù)據(jù)率也將超過2.8Mb/s。目前，Dolby和DTS都在開發(fā)類似的多聲道立體環(huán)繞聲技術(shù)和系統(tǒng)，MPEG也在制定相關(guān)的多聲道標(biāo)準(zhǔn)。對于家用來說，22.2聲道播出系統(tǒng)的聲場布置要求未必普遍適用。因此，MPEG正在制定的環(huán)繞聲標(biāo)準(zhǔn)SAC（Spatial Audio Coding）考慮了后向兼容，即可以兼容或更新已有的立體聲或單聲道系統(tǒng)。SAC在編碼時(shí)利用音源的強(qiáng)度和聲道之間的空間相關(guān)性進(jìn)行下混處理（Downmix），這樣既可以減少多聲道音頻本身的傳輸數(shù)據(jù)率，只需要增加較少的音源空間信息數(shù)據(jù)，又可以增強(qiáng)已有音頻系統(tǒng)的播放效果。

3.3 超高清電視傳輸技術(shù)

超高清的高分辨率意味著數(shù)據(jù)容量的倍增，超高清電視系統(tǒng)帶來的最大挑戰(zhàn)在于傳輸。當(dāng)前的超高清電視傳輸實(shí)驗(yàn)主要有衛(wèi)星廣播、地面?zhèn)鬏?、光纖及其他新興傳輸方式等。

（1）衛(wèi)星傳輸

衛(wèi)星傳輸具備大帶寬、高速率、廣覆蓋等多種獨(dú)特優(yōu)勢，多數(shù)運(yùn)營商比較傾向于采用該方式來傳輸超高清信號，部分領(lǐng)先的衛(wèi)星運(yùn)營商完成了相關(guān)測試。

日本SKY Perfect JSAT公司先后于2012年10月和2013年3月分別直播和轉(zhuǎn)播了4K格式的足球聯(lián)賽。2014年3月，中國航天數(shù)字傳媒發(fā)布了基于衛(wèi)星傳輸?shù)?K整體解決方案，該方案確?？梢苑€(wěn)定地以實(shí)時(shí)64Mb/s的傳輸速率向用戶推送4K視頻內(nèi)容。2014年6月，馬來西亞衛(wèi)星運(yùn)營商Measat與比利時(shí)衛(wèi)星運(yùn)營商N(yùn)ewtec，在亞洲移動通信展上演示了DVB-S2X衛(wèi)星信道傳輸4K超高清視頻，為廣播商實(shí)現(xiàn)高效率低成本4K分發(fā)提供了可能。

盧森堡衛(wèi)星運(yùn)營商SES已在2013年4月進(jìn)行了首次超高清衛(wèi)星傳輸測試，并從2014年11月開始，利用C波段和Ku波段在巴西境內(nèi)傳輸4K超高清節(jié)目。德國天空廣播公司也在2014年4月通過衛(wèi)星信號采用HEVC編碼以超高清格式轉(zhuǎn)播了德甲聯(lián)賽，傳輸速率可達(dá)50f/s（幀/秒）。2014年12月，捷克公共廣播Ceske Televize（CT）聯(lián)合斯洛伐克廣播電視公司RTVS以及捷克國家傳輸公司CRa，通過位于東經(jīng)23.5°的Astra2B衛(wèi)星進(jìn)入超高清測試階段。

（2）地面?zhèn)鬏?/p>

超高清地面?zhèn)鬏敎y試采用標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域性差異明顯，主要集中于日本ISDB-T、歐洲D(zhuǎn)VB-T和美國ATSC3.0三種標(biāo)準(zhǔn)。

日本地面電視廣播網(wǎng)絡(luò)主要采用ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)制式。2014年2月，日本NHK已完成了8K超高清電視的長距離（約27km）的無線傳輸試驗(yàn)。試驗(yàn)采用了OFDM傳輸體制及超高階調(diào)制方式——4096QAM，并使用雙極化天線和MIMO信號加強(qiáng)技術(shù)。同年5月，日本商業(yè)廣播機(jī)構(gòu)Kansai TV采用HEVC格式通過ISDB-T地面信道傳輸4K超高清內(nèi)容的測試。

在歐洲，地面電視傳輸主要采用DVB-T標(biāo)準(zhǔn)。2014年3月，捷克國家通信傳輸公司CRa進(jìn)行了DVB-T2地面信號4K傳輸測試，測試中采用的DVB-T2，HEVC允許移動電視接收，并實(shí)現(xiàn)電視與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的互聯(lián)。同年5月，法國HD Forum通過DVB-T2地面信道，采用HEVC編解碼格式，傳輸測試4K信號，并計(jì)劃在2018年正式運(yùn)營國內(nèi)第一個(gè)地面超高清頻道。6月，英國BBC采用DVB-T2解調(diào)器，以DVB-DASH格式通過DTT地面信道和IP基礎(chǔ)設(shè)施向封閉的環(huán)境傳輸4K內(nèi)容。并在此后對世界杯賽事和聯(lián)邦運(yùn)動會進(jìn)行了超高清轉(zhuǎn)播。

2014年10月，美國Tech n icolor集團(tuán)使用ATSC3.0規(guī)范成功完成了4K超高清電視無線傳輸測試，首次實(shí)現(xiàn)了可伸縮的HEVC（SHVC）視頻編碼、MPEG-H音頻和MPEG的MMTA/V傳輸標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性融合，支持“普通”天線、手機(jī)以及移動的地面用戶的信號接收。

（3）光纖傳輸

光纖最大的特點(diǎn)是大容量傳輸，這對于高數(shù)據(jù)率的超高清電視信號非常有利。日本NHK已經(jīng)采用光纖做了多種形式的傳輸試驗(yàn)，開發(fā)了用于短距離傳輸10Gb/s的光接口傳輸設(shè)備。采用光網(wǎng)絡(luò)（全部采用光放大器，沒用電放大器）在長達(dá)260km的距離上現(xiàn)場直播傳輸超高清信號。

（4）新興傳輸途徑

除廣播電視傳輸通道之外，一些領(lǐng)先企業(yè)也逐漸開始探索其他新型超高清傳輸途徑。一方面，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行超高清傳輸?shù)臏y試開始興起。2013年，日本OKI Electric Industry公司基于IPTV IPv6網(wǎng)絡(luò)成功地將4K超高清電視節(jié)目從新加坡傳輸至東京與菲律賓，接收點(diǎn)處的視頻碼率達(dá)120Mb/s。同年4月，中國天津網(wǎng)絡(luò)廣播電視臺也在積極探索利用IPTV寬帶網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)4K節(jié)目播出技術(shù)，搭建了百兆傳輸速率到60in（1in=2.54cm）的4K電視機(jī)的測試環(huán)境，以高性能電腦作為“機(jī)頂盒”流暢輸出4K電視畫面。

此外，基于互聯(lián)網(wǎng)的4K串流技術(shù)進(jìn)入了小范圍的試驗(yàn)與應(yīng)用階段。2014年1月和3月，美國YouTube 和Elemental Technologies公司先后展示了分別采用VP9和HEVC編碼技術(shù)的基于互聯(lián)網(wǎng)的4K串流技術(shù)，進(jìn)一步提升了互聯(lián)網(wǎng)傳輸超高清的效率。另一方面，2014年10月，波蘭公共廣播機(jī)構(gòu)TVP另辟新徑，在歐洲首次試驗(yàn)了經(jīng)由HbbTV傳輸4K信號，至此，混合廣播成為又一種新興的超高清傳輸途徑。

3.4超高清電視顯示

超高清電視要實(shí)現(xiàn)超高清顯示，必須具備超高清信號接收、超高清信號處理和超高清面板等基本要素。

固有分辨力達(dá)到3840×2160的液晶面板為超高清（4K）面板。國內(nèi)外主流面板企業(yè)，包括三星、LG、夏普、群創(chuàng)、華星光電和京東方等，都具備生產(chǎn)4K面板的能力。不同企業(yè)生產(chǎn)的面板主要分為VA屏（軟屏）和IPS屏（硬屏）兩大類。因?yàn)槌咔屣@示主要用于大屏幕顯示，而且固有分辨力較高，所以面板尺寸主要集中在55in和65in，其他尺寸包括39in，50in，58in，60in，84in和85in。

顯示屏的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是驅(qū)動接口，其傳輸速率和刷新率直接影響顯示效果。目前，常用的驅(qū)動接口有兩種，一種是傳統(tǒng)的LVDS接口，另一種是V-by-One接口。LVDS是一種低壓差分信號技術(shù)接口，LVDS支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為每對1.05Gb/s。而V-by-One的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為每對3.75Gb/s，支持刷新頻率240Hz、色彩12bit。如果采用LVDS處理30bit色彩（每個(gè)色彩10bit），240Hz的數(shù)據(jù)，將需要96根（48對）LVDS信號線。所以越來越多的顯示屏采用V-by-One接口作為驅(qū)動接口。

芯片是超高清電視實(shí)現(xiàn)真正超高清畫質(zhì)顯示的重要器件，主要完成圖像解碼、圖像上變換和圖像顯示等功能。目前，超高清電視基本采用雙芯片的處理模式，一個(gè)芯片負(fù)責(zé)圖像處理，一個(gè)芯片負(fù)責(zé)運(yùn)動補(bǔ)償。

圖像處理芯片除完成圖像解碼功能外，還可以實(shí)現(xiàn)圖像格式上變換，即upscaler，將1920×1080格式的圖像通過運(yùn)算、估計(jì)，上變換至3840×2160進(jìn)行顯示。上變換技術(shù)有主芯片內(nèi)置和外掛處理芯片兩種實(shí)現(xiàn)方式。

目前，4K芯片方案已經(jīng)基本成熟，使超高清電視實(shí)現(xiàn)真正的超高清顯示成為可能。主流的芯片企業(yè)包括MTK，MSTAR，REALTEK等，國內(nèi)企業(yè)也在致力于4K芯片的開發(fā)。

4　4K超高清頻道發(fā)展概況

隨著超高清電視終端逐漸進(jìn)入用戶家庭，超高清傳輸測試不斷取得成功，超高清逐步走向應(yīng)用，部分國家開始開設(shè)4K超高清試驗(yàn)頻道。

2014年4月，全球首個(gè)超高清有線電視頻道U-max在韓國上線，播出紀(jì)錄片、動畫、現(xiàn)場音樂會和體育賽事等100個(gè)超高清節(jié)目內(nèi)容。并在2016年將投資400億韓元用于超高清內(nèi)容制作。同年6月，KT Skylife公司推出韓國第2個(gè)4K超高清頻道SkyUHD，采用H.265 （HEVC）影片格式無縫傳輸，并計(jì)劃于2015年正式全面實(shí)現(xiàn)商用。

2014年6月，日本開始在CS衛(wèi)星電視試播4K節(jié)目，并將在2016年啟動BS衛(wèi)星電視的4K節(jié)目試播。同年10月，日本IPTV服務(wù)商N(yùn)TT Plala正式推出了旗下的首個(gè)4K電視頻道Hikari TV，提供4K視頻的VoD服務(wù)，是世界上首個(gè)商用4K/60p VoD服務(wù)。此外，日本SKY Perfect JSAT公司也將于2015年開設(shè)兩個(gè)專門播放4K電視節(jié)目的頻道并首次實(shí)現(xiàn)商用，提供日本職業(yè)足球聯(lián)賽等體育賽事直播、電影及音樂現(xiàn)場直播等。屆時(shí)，日本將有3個(gè)4K電視頻道。根據(jù)日本超高清計(jì)劃，2016年里約奧運(yùn)會之際，日本還會再發(fā)射新的衛(wèi)星，用來傳輸4K電視信號。

美國有線運(yùn)營商DirecTV已于2014年12月正式發(fā)射4K衛(wèi)星DirecTV-14，信號覆蓋區(qū)域約占美國領(lǐng)土的1/2。該衛(wèi)星使用Ka波段和“反向”DBS信號，傳輸4K格式的電影和紀(jì)錄片。此外，DirecTV還計(jì)劃于2015年在美國推出首個(gè)4K頻道。

2014年8月，基于有線5G雙超網(wǎng)，中國首個(gè)有線4K超高清頻道—— 大連天途有線超高清頻道在2014年8月11日至9月30日期間進(jìn)行試播。有線5G雙超網(wǎng)以云業(yè)務(wù)平臺為前端載體，以光纖為傳輸干線，采用光纖同軸復(fù)合纜入戶，廣播推送帶寬達(dá)到5G以上，實(shí)現(xiàn)超高清、超寬帶的信號傳輸。試播階段的主要內(nèi)容包括超高清電影、紀(jì)錄片、風(fēng)光片。

5　國內(nèi)超高清科研和推廣計(jì)劃

目前，DVB，ATSC等國際標(biāo)準(zhǔn)都各自進(jìn)行了技術(shù)演進(jìn)，我國也已經(jīng)對下一代數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了布局，科技部“863”項(xiàng)目“新一代數(shù)字電視關(guān)鍵技術(shù)研究與驗(yàn)證”即將進(jìn)入項(xiàng)目驗(yàn)收階段。

在超高清電視的國內(nèi)科研與推廣上，通過該項(xiàng)目的支持，已經(jīng)形成了一套4K超高清無線數(shù)字電視全鏈路樣機(jī)演示系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括6個(gè)部分，分別為：4K超高清的內(nèi)容采集，4K超高清的內(nèi)容制作，4K超高清的信源編解碼4K超高清的無線信道傳輸，以及4K超高清的顯示呈現(xiàn)。該樣機(jī)演示系統(tǒng)是繼1998年我國第一代（地面）數(shù)字電視樣機(jī)演示系統(tǒng)后面臨超高清業(yè)務(wù)的新一代（地面）數(shù)字電視樣機(jī)演示系統(tǒng)，通過該樣機(jī)演示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著我國的主要科研單位已經(jīng)掌握了4K超高清地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的核心技術(shù)。該項(xiàng)目的主要研究成果目前已經(jīng)被國家廣電總局NGB-W工作組選為廣播電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)草案的主要內(nèi)容。作為NGB的試驗(yàn)示范區(qū)，上海計(jì)劃在2015年下半年采用NGBW行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開展超高清電視的實(shí)驗(yàn)播出，超高清電視廣播將在產(chǎn)業(yè)化上邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

6　結(jié)束語

國內(nèi)外已有多個(gè)超高清試驗(yàn)頻道，超高清電視已具雛形，受到技術(shù)成熟、標(biāo)準(zhǔn)推廣進(jìn)度、片源匱乏等諸多因素影響，超高清在廣播通道上的大范圍商業(yè)推廣仍需要一段時(shí)間的試驗(yàn)和準(zhǔn)備，但可以預(yù)見，隨著未來幾年超高清相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善和制定，超高清數(shù)字電視也將逐步進(jìn)入市場，為人們的視聽感受帶來全新的體驗(yàn)。

Discussion on Key Technologies and Development Trend of Ultra High-definition Digital Television

Li Dongshan
(Zhao Yuan Television Station, Zhaoyuan, 265400)

First to ultra high definition television were briefiy, then for super HD digital TV related to video processing, audio processing, transmission and display key technologies are analyzed in detail, finally 4K of domestic and foreign Ultra HD channels and the development of domestic Ultra HD research and promotion plan are described.

UHDTV; video and audio processing; signal transmission; 4K channel

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.02.009

TN949.197

A

1672-7274（2016）02-0048-05

李東山，1967年生，助理工程師，主要從事廣播電視技術(shù)工作。

[1] 盧英鎖．虛擬演播室[J]．中國有線電視，2002 (16):52-60

[2] MoshkovitzM．虛擬演播室技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005