超高清电视的发展

2016-02-28李宏

西部广播电视 2016年3期

关键词：建议书色域色度

李宏

（作者单位：广东广播电视台）

超高清电视的发展

李宏

（作者单位：广东广播电视台）

摘要：本文介绍了下一代电视显示技术的发展情况，重点分析超高清电视的发展趋势，讨论了超高清的显像增强措施，如更快的帧速率、更宽的纵横比、更高的位深度、更高的色度分辨率以及更宽的色域。

关键词：4K；超高清；UHDTV；分辨率

在视频显示技术与广播领域，高清晰度的画质和自然逼真的画面显示效果一直都是人们追求的目标。随着数字化技术的创新与发展，分辨率不断得到提高，细节特写更逼真，画质更细腻，让观众仿若置身于真实的世界，达到了一种身临其境的震撼效果。经过近年来的发展，各式各样的4k产品，如摄像机、电视、投影仪和影院播放系统等，逐渐走进了人们的视野，众多超高清影视产品让人耳目一新。日韩美等国，正在尝试建设4K电视直播平台，并在一些大型活动中进行了实验性的传输，这些都标志着影视行业向着超高清时代发展的趋势。

1 超高清电视的定义

目前的高清电视（HDTV）传输符合DVB视频和音频编码规范，并采用了两种视频格式。

第一，“720p”，即1280像素×720线，帧速率为50帧/秒（逐行扫描）；第二，“1080i”，即1920像素×1080线，帧速率为25帧/秒（隔行扫描）。

上述两种格式在传输内容时存在一定的缺陷，因而，在制作内容时，最好采用第三种格式：“1080p”，即1920像素×1080线，帧速率为50帧/秒（逐行扫描）。

术语“超高清电视（UHDTV）”，指高于1080p的分辨率，超高清电视又被称作超高清(SHV)、特高清晰度视频(UHDV)和极高清晰视频（Extreme Definition Video）等。

2 超高清电视（UHD）具备的优点

第一，超高清技术分辨率高，能很好地还原真实的画面。用户在观看超高清电视时，播放画面比高清电视更加清晰、自然，因超高清技术的色域更广，所以画质更加细腻，细节更加真实，能轻松表达其他标清高清电视无法展现的色感，更贴近真实，使消费者得到身临其境的观感，体会到不一样的视觉盛宴。

第二，超高清技术打破了超大屏幕与超高清无法兼得的限制。在同尺寸屏幕下，高分辨率意味着画面细节更加丰富，用户可以在相同的距离下拥有更高级的视觉体验。

3 分辨率的感知限制

一般认为，一个视力正常的人可以看见的最小物体大约是1弧分。BBC在2004年做的一项试验证实了这一看法。18个受试者的平均弧分为1.054。这就意味着，1080p系统的像素结构是看不见的，除非16:9的屏幕垂直方向超过18º角，对应水平方向超过30º角。然而，也有证据表明，即使看不见的细节也可以被感知到，它可以增加视觉体验对现实的感觉。NHK的研究表明，根据受试者的视力，感觉分辨率的最低门槛大约只相当于每弧分像素的2/3。NHK测试了45名受试者，视力均在2.0/2.0以上，让他们判断哪一组图像的清晰度更高。

每弧分1像素的水平观看角度每弧分2/3像素的水平观看角度

720p: 1280×720 20° 13°

1080p: 1920×1080 30° 20°

4K×2K: 3840×2160 60° 40°

8K×4K: 7680×4320 100° 70°

4 超高清电视的行业趋势

4.1 摄像机设备

超高清的分辨率比较高，因此，对视频码流的要求也比较高，要求其具有高光宽容度。在超高清节目制作过程中，高标准高要求的拍摄设备显得尤为重要。近年来，随着技术的不断进步，一大批超高清数字摄像机不断涌现，录制超高清节目已经成为一种趋势，美国RED公司早在2007年推出的RedOne数字摄像机就可以拍摄4K级别的画面素材。各大电子设备公司也推出了各种超高清拍摄设备，专业级的电影电视摄像机和民用的数码摄像设备呈现井喷式的发展。

4.2 后期制作

目前，虽然绝大多数后期制作系统都支持4K超高清视频，但4K作品庞大的数据量、卡顿的操作感受给用户带来了不小的麻烦。从技术角度来说，清晰度的提升也就意味着数据量的增加，4k影视节目每一帧的数据量都达到了50MB，因而后期工作站在处理2K级别节目时流畅，但在处理4K节目时往往慢得令人难以接受。因此，无论解码播放还是编辑都需要顶级配置的机器。从保证工作效率的方面出发，许多厂商都推出了专门针对4K超高清节目特点的工作站。这些工作站虽然来自不同的品牌，但有以下几个共同特点：强大的处理器、超大容量的存储设备、满足调色要求的监看设备、渲染CG特效所需要的大内存。

4.3 显示设备

目前，手机、平板电脑、桌面显示器、平板电视、投影机等各种显示设备的分辨率不断提高，其中屏幕尺寸更大的平板电视与桌面显示器已进入了4k超高清时代。超高清电视更多地是面向家庭用户，而投影机则更多地是服务于商业领域。目前，超高清放映设备种类已经非常丰富，投影设备，如JVC的DLA-XC5800RB、SONY 的VPL-VW1000ES和巴可的DP4K-32B等。生产4K超高清电视的厂商则更多，LG、长虹、TCL、SONY、三星、创维等厂家都推出了4K电视。

5 超高清显像增强措施

5.1 提高帧频

最初选择将50Hz场率（即25Hz帧

频）用于模拟电视，主要是因为它易于与工频结合，而非出于任何心理视觉优化方面的考虑。尽管对数字电视技术而言，工频不再是一个重要问题，但原有帧率却保留下来，从而使世界分成使用50Hz和使用60Hz帧率的地区。另外，可将UHDTV作为推出一系列新的帧率的契机。75Hz、150Hz和300Hz系列帧率可为传统的50Hz和60Hz系列提供交汇点。

5.2 提高色度清晰度

现行的广播做法是在水平和垂直方向传输色度信号分辨率为亮度信号分辨力二分之一的视频。由于历史原因，这种格式定为4:2:0（其中第一个数字代表亮度采样频率，后两个数字分别代表奇数和偶数行色度采样频率）。

视频内容在最初拍摄时，垂直色度分辨率和亮度信号分辨力是相同的，但水平分辨率仅为它们的一半，定为4∶2∶2。电影拍摄内容的色度和亮度分辨率大致相同，定为4∶4∶4。

原则上，未来的广播标准可将色度信号的相对分辨率提高到4∶2∶2甚至4∶4∶4。但现行做法中，亮度和色度分辨率之间的差异似乎与人眼的特点配合得恰到好处。

5.3 增加位深

在数字节目制作中，一般使用10位或12位表示法，但目前数字广播传输中的视频信号为8位精确度。当出现渐进但持续的色变时（如日落时的晴朗地区），使用8位表示法的量化将最为显著。随着视频清晰度的提高，量化影响可能会更加明显。因此，UHDTV的引入可能与位深的改善相结合。也可使用一些自适应量化的形式。视频编码相对容易时，量化的轮廓往往最为显著，因此无需大幅提高比特率。

5.4 改善色域

自1990年ITU-R BT.709建议书“用于演播室和国际电视节目交换的HDTV标准的基本参数值”通过以来，HDTV系统色域一直存在于该建议书。709建议书体现了向替代以往用于全世界各SDTV系统的不同色域迈出的重要一步，后来还被计算机行业定为“sRGB”。但它仍未摆脱基于显像管的显像技术荧光粉层的局限性，因此不允许真实世界的颜色被复制。

许多现代消费显像装置已经能显示比709建议书的规定更广泛的色域。2006年，国际电工委员会（IEC）通过了“xvYCC”色域标准—IEC 61966-2-4，与ITU-R 709建议书向后兼容，但允许复制更广泛的颜色。在一些色域，差异比较明显，如深色调的玫瑰红。该标准得到一些消费显示器制造商的支持，预计该标准的采用势头将不断增强。