超高清数字电视关键技术研究

孙乐民，薛永林

（1.长虹电器集团技术中心，四川 绵阳 621000；2.清华大学 信息技术研究院，北京 100084）

1 超高清电视概述

人们对高质量图像和声音的追求是永无止境的。目前的高清晰度数字电视像素结构是1 920×1 080，垂直视角大约为20°，水平视角大约为30°。根据人的视觉特性，为了享受临场感和真实感，观看电视的视角应大于100°，观看距离拉近到图像高度的0.75倍左右，如图1所示。

这么近的距离观看，对图像和显示屏都提出了更高的要求。以100 in（这里采用英制，1 in=2.54 cm）的平面显示屏为例，如果继续采用高清电视1 920×1 080的像素结构，每个像素的尺寸约为1.2 mm×1.2 mm。如果显示屏到了150 in，像素尺寸则达到1.8 mm×1.8 mm，如此大尺寸的像素已超出人们视觉的“敏感度”，图像的“颗粒现象”将会变得十分严重。同时，高清分辨力的图像再通过视频压缩，也不能完全满足人对现场感、真实感的视觉要求。因此，需要研究和定义更高清晰度的电视来满足人们的需求。

同样，自有电视以来，电视声音从单声道发展到立体声、环绕立体声、杜比5.1声道，其声场都是平面声场，人们只能听出前后左右，而不能体验到包括上下两个方向的完整的立体空间声场。

20世纪末，日本、美国和欧洲的大型科研机构开始了超高清数字电视（Ultra High Definition Television，UHDTV）[1]的研究，如今已经取得了一系列的研究成果[2]。按像素结构定义出3种超高清电视模式：4k模式，W（宽）×H（高）=3 840×2 160像素；8k模式，W×H=7 680×4 320像素；16k模式，W×H=15 360×8 640像素。UHDTV图像的像素宽高比为1∶1，图像幅型比为16∶9。为UHDTV设计的声音达到了22.2声道，形成上、中、下3个环绕声场，构成了完整的空间立体声场。

2 超高清数字电视关键技术

超高清数字电视图像的数据远远高于当前标清数字电视和高清数字电视，因此不能继续使用目前的MPEG-2或MPEG-4（AVC）[3]标准来实现信源压缩编码，也不能继续使用目前的传输信道编码。从系统角度来看，超高清数字电视系统研究的内容包括信源压缩编码、传输信道编码，在接收机端，涉及到超高清数字电视的接收和解码、显示。如果还要考虑兼容性，超高清数字电视的研究领域还包括图像的插补和处理。

2.1 超高清视频处理

以4∶4∶4采样为例，4k模式超高清数字电视信号图像的原始数据率为（3 840×2 160 bit/帧）×（24 bit/pixel）×（30帧/s），即大约6 Gbit/s，8k模式的原始数据率则大约为24 Gbit/s。以4∶2∶2采样，4k和8k模式的数据率也要分别达到4 Gbit/s和16 Gbit/s。要将如此之大的数据量进行传输，必须研究新的压缩编码方法。2010年，ISO/IEC活动图像专家组（MPEG）和ITU-T视频编码专家组（VCEG）联合成立了视频编码联合小组（JCT-VC），来开发一个称之为“高效视频编码（HEVC）”的下一代标准[4]。该标准的要求是，与H.264高档次（High Profile）对比，在保持计算复杂度基本一致，主观图像质量相当的前提下，将码率（bitrate）下降50%。ITU-T视频编码专家组表示，在稍微增加复杂度的前提下，还可以将码率下降到25%。

HEVC采用的编码技术与H.264混合编码结构大致相似，表1列出了它们的对比。

表1 H.264和HEVC编码技术对比

HEVC的目标是成为下一代数字电视图像压缩编码国际标准，它覆盖了从QVGA（320×240）到1 080p和超高清UHDTV（7 680×4 320），还根据噪声电平、色域和动态范围，改进了图像质量。HEVC被认为是H.264的下一代标准，因此又被称为“H.265”。按照联合视频编码小组（JCT-VC）的计划，2012年2月将完成整个HEVC标准草案；2012年7月，完成国际标准草案；2013年1月，完成国际标准最终版。

如果把1995年颁布的MPEG-2标准看作是数字电视的第一代信源压缩编码标准，经历8年后，2003年颁布的H.264可以看作第二代视频编码标准，H.264的码率比MPEG-2下降了50%。HEVC标准可以看作是第三代编码压缩标准，HEVC的码率将比H.264再下降50%或更多。这样，对于4k模式30帧/s的超高清视频，采用H.264标准可压缩至40 Mbit/s以内，而采用HEVC可望压缩到20 Mbit/s以内。

2.2 超高清电视音频处理

超高清22声道的布置如图2所示，顶层安排了9个声道，中间层安排了10个声道，底层在电视屏幕下方布置了3个声道。上、中、下3个环绕声场，构成了完整的空间立体声。

这样组成的3层环声场的下层两侧再增加2个低音声道，构成完整的22.2环绕声系统，与目前流行的7.1声道环绕声系统相比，最为突出的是将声场完全三维化，声音更真实、更具现场感，能带给人更强烈的感官享受。

当然22.2声道的音频数据率也不可小视，以每声道48 kbit/s、24 bit采样为例音频数据率达到约28 Mbit/s，经过音频压缩后数据率也将超过2.8 Mbit/s。目前Dolby和DTS都在开发类似的多声道立体环绕声技术和系统，MPEG也在制定相关的多声道标准。对于家用来说，22.2声道播出系统的声场布置要求未必普遍适用。因此，MPEG正在制定的环绕声标准SAC（Spatial Audio Coding）[5]考虑了后向兼容，即可以兼容或更新已有的立体声或单声道系统。SAC在编码时利用音源的强度和声道之间的空间相关性进行下混处理（Downmix），这样既可以减少多声道音频本身的传输数据率，只需要增加较少的音源空间信息数据，又可以增强已有音频系统的播放效果。

2.3 超高清数字电视传输

第三代信源编码标准呼之欲出时，信道传输标准在2009—2010年间完成了第二代更新。第二代标准DVB-C2（ETSI EN 302 769：2010）[6]和 DVB-T2（ETSI EN 302 755：2009）[7]的系统模型相似，如图3所示。

与第一代DVB标准的单传输流TS输入不同，第二代DVB标准的系统输入可以是1路或多路MPEG-2传输流（TS），和/或是1路或多路通用封包流（GES）。输入预处理器（它不属于系统模型），可以是业务分割器或解复用器，用来将业务分割成1个或多个逻辑数据流，通过物理层管道进入系统输入。这样使第二代DVB标准能够灵活地支持多种业务。

第二代DVB标准中纠错编码采用BCH+LDPC，取代了原来的RS（204，188）。BCH与RS编码一样属于线性循环编码，它具有纠正多个错误的能力。LDPC是低密度奇偶校验编码，采用BCH+LDPC的级联纠错编码，在接收信号载噪比高于门限时，几乎可以达到“准无误码”的理想接收。

第二代DVB标准普遍采用高阶调制，DVB-C2最高达到4 096QAM，DVB-T2达到256QAM，使一个调制符号携带更多的数据比特。

DVB-C采用单载波QAM调制，而DVB-C2采用OFDM（正交频分复用）调制。

表2给出了DVB-C和DVB-C2的对比，表3给出了DVB-T和DVB-T2的对比。

表2DVB-C和DVB-C2的对比

表3DVB-T和DVB-T2的对比

采用上述最新技术后，除了传输性能的提高，在频谱效率方面DVB-T2的数据传输达到40 Mbit/s以上，DVB-C2的数据传输达到56 Mbit/s，可以实现在一个8 MHz带宽的传输通道内传输4k模式超高清压缩编码的信号；采用频道绑定技术，在32 MHz带宽的通道内可以传输8k模式的超高清电视信号。

2.4 超高清电视显示

目前已有部分日本、韩国和台湾的平板显示屏制造企业能够提供4k超高清显示屏。奇美的56 in V562D1–L01 LCD超高清屏，采用双DVI接口输入，分别对应图像的左右部分，如图4所示。

国内大尺寸的超高清显示屏，还采用拼接方式来制造。100 in以上4k屏采用4块1 920×1 080屏拼接，100 in以上8k屏采用4块3 840×2 160屏拼接。四川虹欧显示器件有限公司采用在整体玻璃面板后面拼接显示单元，可以制造100 in以上的4k超高清显示屏，拼接缝≤0.3 mm，即使是专业人士也很难看出接缝。

在当前平板显示技术不断进步的情况下，超高清电视显示屏已经出现。索尼、三星、夏普等公司均已推出了4k分辨力的LCD样机或产品，Panasonic推出了152 in的4k分辨力PDP。以目前主流平板电视主流产品来看，24 in LCD可以达到1 080p显示，则原理上50 in LCD可达到2 160p（4k）显示，100 in LCD可达到4 320p（8k）显示；同样，42 in PDP可以达到1 080p显示，则原理上84 in PDP可达到2 160p（4k）显示。实际上，接近人眼分辨力极限的300 pixel/in的所谓视网膜显示屏在平板小屏便携产品中正日趋主流，对于超高清显示大屏幕来说也只是生产和成本等方面的问题，将在未来几年逐渐进入市场。

在视频显示接口方面，笔者认为未来超高清电视的视频接口主流将是数字接口。现有的一些超高清显示器采用DVI dual-link方式，随着Displayport 1.2和HDMI 1.4标准对4k显示模式的支持，未来超高清电视产品将以这两种接口或其中之一作为超高清的主要接口方式。

3 结论

目前已研究出超高清电视产品样机的公司有索尼、松下、夏普、三星、LG等。2003年开始，每逢重大国际电子展会都会展出超高清数字电视的最新成果。2005年NHK还通过21 GHz卫星，进行了超高清数字电视的远程传输，2007年通过互联网实现了东京到大阪的超高清传输。2012伦敦奥运会期间，日本NHK和英国BBC将联合进行超高清电视传输试验，通过大西洋—美国东海岸—美国西海岸—太平洋—日本超远距离，进行实况转播和非实况节目传输试验。可以预见，随着未来几年超高清相关技术和标准的逐步完善和制定，超高清数字电视也将逐步进入市场，为人们的视听感受带来全新的体验。

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[1]ITU-R BT.1769，Parameter values for an expanded hierarchy of LSDI image formats for production and international programme exchange[S].2006.

[2]李超.超高清晰度电视与三维电视进展[J].电视技术，2011，35（22）：19-24.

[3]ITU-T Rec.H.264|ISO/IEC 14496-10，Advanced Video Coding[S].2005.

[4]BROSS B.WD4：Working draft 4 of high-efficiency video coding:JCT-VC F803v8[C]//JCT-VC 6th Meeting，Torino，IT，14-22 July，2011.[S.l.]：JCT-VC，2011.

[5]VILLEMOES L，HERRE J，BREEBAART J，et al.MPEG surround:the forthcoming ISO standard for spatial audio coding[C]//28th International Conference：The Future of Audio Technology--Surround and Beyond.[S.l.]：AES，2006.

[6]ETSI EN302 769，Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital transmission system for cable systems（DVB-C2）[S].2010.

[7]ETSI EN302 755，Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system（DVB-T2）[S].2009.