超高清晰度电视系统概貌

潘 榕，李桂苓

（1.国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015；2.天津大学 电子信息工程学院，天津 300072）

专 题 超高清电视

超高清晰度电视系统概貌

潘 榕1，李桂苓2

（1.国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015；2.天津大学 电子信息工程学院，天津 300072）

较全面地给出了超高清晰度电视（UHDTV）系统概貌。提供了UHDTV的系统模型，给出了UHDTV的基本参数如宽高比等的设计原则。导出了UHDTV的最佳观看距离等参数。介绍了UHDTV高效视频编码的必要性和适用的编码标准、UHDTV节目传送的解决方法、节目显示传送接口和显示技术以及22.2多声道系统的基本情况。

超高清晰度电视；参数；高效视频编码；节目传送；显示技术；22.2多声道系统

超高清晰度电视（Ultra High Definition Television，UHDTV）致力于“在与家庭和公共场所使用环境相对应的合适显示器尺寸上，呈现几乎涵盖人类视野全部范围的宽视场，从而为观众提供增强的视觉体验[1]”。第一部完善的UHDTV标准由SMPTE于2009年制定并颁布，随后ITU于2012年颁布了Rec.ITU-R BT.2020《超高清晰度电视系统节目制作和国际交换用参数值》。SMPTE和ITU的这两部标准核心内容区别不大，且两者分别在2013年和2014年进行了版本更新[2-3]。UHDTV标准的颁布，带动了各国试验UHDTV系统和试播UH⁃DTV节目的热潮，我国辽宁省大连市也通过有线广播方式，于2014年8月第一次在国内试播了UHDTV节目。

1 UHDTV系统模型

UHDTV系统包含几个关键环节：节目制作、压缩编码、传送、接收解码和显示。UHDTV的系统模型如图1所示。

2 UHDTV节目参数

2.1 基本参数

用于UHDTV节目制作和交换用的参数见SMPTE ST 2036-1和Rec.ITU-R BT.2020-1。以上两个标准所给的参数基本一致，主要区别在于前者没有规定恒定亮度，且允许HDTV中的色度参数作为UHDTV中可选的参数。部分基本参数如表1所示。

图1 UHDTV系统模型

表1 UHDTV基本参数

2.1.1 宽高比

宽高比是图像的基本性质之一，不同宽高比之间的转换必然会带来可以观察到的失真现象。但人们选择何种宽高比并没有美学或生理上的依据[4]。对于UHDTV的宽高比而言，选择16∶9的原因只是在ITU-R BT.1201建议书中，将极高分辨率成像（Extreme⁃ly High Resolution Imagery，EHRI）的分辨率简单设定为1 920×1 080的整数倍，从而UHDTV也沿袭了16∶9的宽高比。

2.1.2 像素数

所需视场和清晰度的大小决定了像素数（或像素每单位视角）：3 840×2 160（以下简称4K以及对应UH⁃DTV4K）和7 680×4 320（以下简称8K，对应UHDTV8K）。

2.1.3 帧频

BT.2020规定了超高清视频的最高帧频可以达到120 Hz。这是因为随着超高清画面视角的加大，人类视觉系统的临界闪烁频率（Critical Flicker Frequencies，CFF）也随之提高，因此需要提高帧频，减少人们在观看UHDTV节目时对闪烁的感知。另外，当系统的视场变大时，物体速度（角度/秒）通常会趋向于变快。例如，保持拍摄角度不变，HDTV屏幕上的物体会比SDTV屏幕上的运动更快，而保持类型显示器（如LCD）会有运动感知模糊的问题，需要在某一帧频上，在闪烁和运动感知模糊之间做出折中，目前好的方式就是提高系统帧率。

2.1.4 扫描方式

UHDTV采用逐行扫描方式。HDTV等电视系统都采用了隔行扫描，第一是为了与之前模拟电视系统的扫描方式相兼容，第二是为了降低传送码率。在UH⁃DTV中采用逐行扫描的原因是：第一是隔行扫描中的反交错技术不能真正实现完整画面；第二是现有的视频编码技术如HEVC等的效率很高，不需再使用隔行技术以降低带宽。目前，很多电视显示器在显示画面时，都会将接收到的场图像先合并成帧图像，再采用MEMC（运动估计和运动补偿）等技术将帧图像内插，形成高达120 f/s（帧/秒）甚至更高帧频的图像序列在显示端播放，因此再在电视前端输出场信号意义不大。

2.1.5 色域

分别根据HDTV和UHDTV的三基色坐标，可得两者之间及与可见光谱色轨迹（舌形曲线）的对比，如图2所示。将一幅花卉的图像色度坐标描绘在色域中，可见该坐标已经超出了HDTV的色域范围，但绝大部分还处于UHDTV的色度范围内，这表明UHDTV对三基色的规定更符合客观需求。

图2 HDTV，UHDTV与谱色色域

2.1.6 信号格式

在三种信号格式中，R'G'B'用于保证节目的最佳品质；恒定亮度中亮度信息只由Y'C携带（由RGB以线性方式生成），与C'BC和C'RC无关，这样可以准确保留亮度信息，改进传输编码效率；非恒定亮度中RGB经过非线性处理，再生成Y'，因此Y'含有色度信息，这样可以兼容SDTV和HDTV广播环境。

2.1.7 编码格式

UHDTV的宽色域要求决定了图像信号的编码格式。与HDTV相比，UHDTV的色域范围更大，若赋予相同的编码位数，则UHDTV相邻色度之间的色差ΔEab*也会更大。表2给出了同时设置为8 bit编码时，HDTV和UHDTV的色差ΔEab*的比较[1]。这表明需要赋予UHDTV更多的编码位数，使得色度数值更为精确，连续色度值之间的色差更小，最终达到人眼不可察的程度。UHDTV给出了10 bit和12 bit两种编码格式，10 bit编码时最大色差降到1以下；12 bit时将低于最小可察对比度。

表2 8 bit编码时的平均和最大色差

对上述参数的进一步说明，可见文献[5]。文献[5]较系统地说明了我国UHDTV可选用参数值的依据。

2.2 导出参数

对上述参数进行推导，还可以得到一些直接反映UHDTV特征的参数（简称导出参数）。

在ITU-R BT.1845-1中指出“在最佳观看距离处，一单位像素对应于一角分的视角”。观看UHDTV节目的最佳距离为

式中：v为扫描行数（2 160或4 320）；H是有效发光屏幕高度；d是最佳观看距离。

观看UHDTV节目时的水平和垂直视角为

式中：r是宽高比；d是最佳观看距离；θH和θV分别是水平和垂直视角。

从SDTV到HDTV时代，人们在家庭中观看电视的平均距离（2.1 m）基本没有改变。因此可根据式（1）得到屏幕高度H（此时d=2.1 m），再经过换算得到屏幕尺寸。UHDTV导出参数见表3。

人类视野差异很大，一般扫视一眼景物的水平视角约120°，极限接近180°，垂直一般为30°～38°，极限近80°。测试表明：视网膜中心分辨力最高，约15°，称分辨视域；向外到的30°称有效视域，分辨力下降，但不转动头部仍能看清物体的存在及其运动；约30°～100°周边称诱导视野（余光），会因感到物体的存在或运动而转动眼球或头颈去看清楚。在最佳观看距离处，4K的UHDTV还无法满足上述要求，8K则接近该要求。在通常的观看距离下，人们需要购置100 in以上的电视才能充分体验4K电视带来的视觉享受，但可能在很长一个阶段都很难在家庭中普及该尺寸的电视。

表3 UHDTV导出参数

3 UHDTV节目压缩编码

UHDTV的原始数据量大小（如表4所示）为

式中：p是像素数；f是帧频；s是取样结构对应的倍数（4∶4∶4对应3倍、4∶2∶2对应2倍、4∶2∶0对应1.5倍）；b是编码位数（10 bit或12 bit）；D是数据量。

表4 UHDTV原始数据量Gbit/s

由表4可见，在最低要求下（像素3 840×2 160/帧频24 Hz/取样结构4∶2∶0/编码位数10 bit），最小数据量都有3 Gbit/s。必须采用高效的视频压缩编码技术，将数据压缩在可接受范围内。目前广泛认可的可用于UHDTV的编码技术是HEVC，我国自主知识产权的视频编码标准AVS的下一代演进标准AVS2也有望在我国的UHDTV发展中发挥重要作用。AVS2的最新标准草案[6]于2014年8月发布。AVS2的首要应用目标就是对超高清晰度视频的高效编码，具有针对UHDTV内容的超大块数据组织方式。其他适用的编码标准还有Google开发的VP9等。

图3给出了HEVC混合编码框图[7]。它提供了编码树单元和编码树块结构，可提供比传统宏块更大的块（最大为64×64），这类块结构非常适用于超高分辨率图像编码。图中灰色方块为解码器模型中的元素。

图3 典型HEVC视频编码器

4 UHDTV节目传送

目前可能用于UHDTV节目长距离实时传送的方式包括地面、卫星和有线广播，以及宽带网络传输。我国目前推荐采用AVS+对HDTV节目进行压缩[8]，建议高清视音频总码率不低于12 Mbit/s[9]，由于UHDTV4K的数据量是HDTV的4倍及以上，因此若也采用AVS+编码，如果要保证UHDTV节目的质量，视频码率应高于48 Mbit/s。我国地面数字电视传输标准DTMB的传输速率在5.414～32.486 Mbit/s之间，还不足以传送1路UHDTV节目。

解决上述问题的方法有两种，一是利用多个广播信道传送UHDTV节目；二是开发更高效率的信道编码技术。在文献[10-11]中分别给出了针对有线信道和地面信道的UHDTV节目多信道传送方法，文献[10]采用的信源编码方法是MPEG-2，因此采用了高达5个信道来传送UHDTV节目。但这种方法无法解决信道资源有限的问题，因此需要基于各种信道开发新的技术，提高频谱利用效率。

以卫星传送为例，2014年3月，第三代DVB卫星电视广播标准DVB-S2X发布[12]。DVB-S2X与DVB-S2相比，采用了多种新技术，频谱效率提高了51%，充分满足了传输UHDTV节目的需求。2014年4月，在美国拉斯维加斯的NAB2014上首次采用DVB-S2X进行了UHDTV节目的实时卫星传送（从伦敦到拉斯维加斯），视频采用HEVC压缩，码率为100 Mbit/s，采用DVB-S2X上星传输，其中转发器具有36 MHz带宽，调制方式为16APSK，信道编码率为3/4，滚降系数为5%。

5 UHDTV节目显示

5.1 显示传送接口

UHDTV经解码器（机顶盒）解码后，送入UHDTV显示器播放；或直接将UHDTV压缩码流送入显示器自身解码后再播放。前一种方式需要支持高速率的接口。表4给出了目前常用的接口类型及其最大支持传输速率，以及各个接口的演进标准（已有标准但还未大规模应用）。其中HDMI常用于消费电子产品互联；DP接口与HDMI类似，其最大优势是专利免费；SDI常用于专业设备互联中，但在厂家的UHDTV展示机型中，也常使用多路SDI接口的组合来实现信号传递。从表5中可知现有和未来应用的主流接口，可实现对不同数据量的UHDTV的支持。

表5 UHDTV常用基带传输接口及速率Gbit/s

5.2 显示技术

显示技术的提升也是UHDTV标准制定和系统设计的重要影响因素之一，UHDTV显示设备先于标准而存在，为标准的制定提供了重要参考。表6给出了超高清显示器的开发历程[13]。

表6 超高清显示器开发历程

标准的制定反过来也进一步明确了UHDTV显示需求。BT.2020对UHDTV显示器的像素数、帧频、色域和编码位数提出了比HDTV更高的要求。其中最难实现的是UHDTV的宽色域。由图2可见该色域的三基色坐标正好落在谱色轨迹上，现阶段只有激光显示是一种可行方案，譬如将激光作为投影仪的光源或LCD的背光。OLED等自发光显示器目前还无法达到这么宽的色域，但已能超出HDTV色域要求。文献[14]给出的WRGB OLED显示器具备BT.709规定的118%色域面积，并且100%包含BT.709色域范围。因此OLED也是未来超高显示的一个发展方向。

在UHDTV显示技术中，氧化物薄膜晶体管（Thin-Film Transistor，TFT）技术是目前的主要发展方向之一[15]。氧化物TFT除了能够更好地驱动大尺寸平板显示器（包括LCD和OLED）之外，还能为大尺寸显示器提供更大的开口率，从而提高能效水平。

6 UHDTV音频系统

22.2多声道系统是NHK专门为UHDTV开发的系统[16-17]，为配合UHDTV画面垂直和水平视角大的特点所设计，具备3层共24个声道（使用24个扬声器），如图4所示。

图4 22.2声道空间分布示意图

顶层、中层、底层的应用范围如下：

顶层（9个声道）：残响和堂音；位于上方的声音，譬如悬挂于体育馆顶上的扩音器、飞机和焰火；不一般的声音，譬如无意义的声音。

中层（10个声道）：基本声场形成；环绕感重建。

底层（5个声道，其中包括2个低频效果声道）：水的声音，譬如大海、河流、水滴；鸟瞰时地面上的声音。

22.2多声道系统是一种典型的3D音频系统。3D音频系统的主要特征就是具备大量的声道，一般是数十个甚至能到上百个声道。人们对更多声道的追求没有止境，贝尔实验室在20世纪30年代的研究表明如果采用无穷多个麦克风对声音进行采集，那么使用无穷多个扬声器可以完美复现声音场景[19]。在一些典型应用如影院中，3D音频系统取代立体声（2.1声道）和环绕声（5.1声道）的趋势非常明显。

这种放声系统可较好地模拟三维声场，提供足够大的优良视听区，适应声像与宽视野画面同步需要，满足超高清系统对声音的要求。这种系统也便于兼容目前已有的几种多声道音频格式，使用较少扬声器的放音系统也可在某种程度上重现图4中从各声道方向来的声音。

7 小结

本文从给出UHDTV的系统模型开始，依次介绍了UHDTV的基本参数和导出参数、高效视频编码技术、节目传送技术、输入输出接口和显示技术以及22.2多声道系统的基本情况，可依据文中给出的总体框架，对UHDTV的各个技术部分再进行深入研究，推动UH⁃DTV在我国的发展。

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Features of Ultra High Definition Television System

PAN Rong1，LI Guiling2
（1.National Testing and Inspection Center for Radio and TV Products，Beijing 100015，China；2.School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A thorough introduction of the features of ultra high definition television（UHDTV）is given.The system model of UHDTV is introduced，the design principle of the basic parameters such as aspect ratio of UHDTV is proposed. Parameters such as the optimum view distance are deduced.The fundamental states of the necessity of high efficient video coding of UHDTV and the applied coding standards，the solution of UHDTV program transmission，the display delivery interface and display technology，and the 22.2 multichannel system are all introduced.

UHDTV；parameters；high efficient video coding；program transmission；display technology；22.2multichannel system

TN949

B

潘 榕，博士，主要研究方向为数字电视及其测试技术。

�� 雯

2014-08-25

【本文献信息】潘榕，李桂苓.超高清晰度电视系统概貌[J].电视技术，2014，38（18）.