三种“4K超高清显示”传输方式的比较分析

2016-04-18陈纬宁

新媒体研究 2016年4期

关键词：传输方式优缺点线缆

陈纬宁，吉祥

上海广播电视台，上海 200041

三种“4K超高清显示”传输方式的比较分析

陈纬宁，吉祥

上海广播电视台，上海 200041

摘要对“4K超高清显示技术”的定义和标准做简单介绍，以其编码格式分析采用该显示技术的优点和其发展瓶颈之一的“传输技术”为着眼点，详细分析了现有三种“4K超高清显示”传输方式的优缺点。

关键词4K；传输技术；SDI；HDMI；HDBaseT

广播电视技术，尤其是彩色电视显示技术已向“2屏、3D、4K”方向纵深发展，所谓“2屏”指的是“第二屏幕”，即除电视机以外的移动客户端，“3D”指的是立体的显示效果，而“4K”则指的是“4K分辨率”，是一种超高清（UHDTV）清晰度显示技术。

彩色电视显示技术的发展经历了“标清”“普通高清”“全高清”和“2K超高清”等阶段，其分辨率分别为720×576、1 280×720、1 920×1 080 和2 048×1 152，而“4K超高清（4K UHD）显示技术”则是新一代彩色电视显示技术，其分辨率高达4 096×2 160。表1为各视频清晰度的等级划分表。

表1　各视频清晰度等级划分表

“4K超高清显示技术”尚未真正普及到千家万户，其在画面的传输问题上使用的是H.265/HEVC视频编码技术，画面的数据量极大，传统的电视信号传输方式无法支持“4K超高清”画面的传输，利用既有的电视网络传输“4K超高清”显示画面的设想不太实际。因此，亟需找到一种安全、可靠、稳定的“4K”信号传输方式。现就“4K超高清显示技术”的定义、标准、编码格式和几种传输方式的优缺点进行具体分析。

1 “4K超高清显示技术”定义

“4K”的名称源于其横向水平解析度约为4 000像素，而“4K”超高清显示技术的像素分辨率为4 096×2 160，是现今高清电视分辨率的4倍，属于超高清分辨率。目前业界普遍公认的标准是国际电信联盟颁布的超高清电视国际标准：ITU-R BT.2020，标准对超高清电视的分辨率、色彩空间、帧率、色彩编码等进行了规范。在色彩方面，ITU自定义有BT.709和BT.2020两个标准版本，在色彩深度方面，BT.709标准为8 bit，而BT.2020标准则提升至10 bit，此外，BT.2020采用了比BT.709更宽广的色域空间如可显示高密度橘色，深绿色等。

2 “4K超高清显示技术”编码格式

“4K超高清显示技术”的图像数据量巨大，不能使用目前的MPEG-2和H.264/AVC标准来实现信源压缩编码。而业界普遍采用的“4K超高清”视频压缩标准是“HEVC/H.265”标准。与现有的视频压缩标准H.264/AVC相比，后者能将压缩效率提高1倍以上。

HEVC/H.265编码技术承袭现有的H.264/AVC编码技术，包含帧内预测、帧间预测、转换、量化、去区块滤波器、熵编码等模块，全新HEVC编码技术为提升压缩率，将这些模块整合成3个单元，分辨率是编码单元、预测单位和转换单位。

相比H.264/AVC编码中每个宏块为16×16像素的固定编码单位，HEVC/H.265技术的编码单位较为灵活，最小可以实现8×8像素编码，最大可以实现64×64像素编码。H.264/AVC帧内预测模式支持8种方向调节，而HEVC/H.265帧内预测模式支持多达33种方向调节，且提供比H.264编码技术更好的矢量预测计算方法和动态补偿处理效果。此外，HEVC/H.265还具有树状结构的预测和残差块分割、基于模式依赖正弦/余弦变换、基于空间和时间的运动矢量预测、多帧运动补偿预测和高精度运动补偿插值等多种编码技术。

表2　三种“4K超高清”传输技术优缺点分析

HEVC/H.265编码技术旨在有限带宽下传输更高质量的视频，一部高清分辨率（1 080P）的文件若采用HEVC/H.265编码后，其容量仅为采用H.264/AVC编码后容量的一半，这就意味着仅需原先的一半带宽即可播放相同质量的视频。

3 “4K超高清显示”传输方式

3.1 HD-SDI

数字分量串行接口“SDI”是目前演播室各设备普遍采用的传输标准，目前“HD-SDI”的传输速率为1.485 Gbps，但“4K超高清显示技术”要求传输最高3 Gbps的无压缩基带信号，采用“HD-SDI”显然无法传输，现在最普遍的解决方案是采用4根“HD-SDI”线缆，分别标记为“A、B、C和D”来传输“4K”信号。

其优点是花最小的成本、最大程度利用现有“HD-SDI”线材，可选用转接件进行演播室升级改造；其缺点是对于“4K”设备的要求具有4个“HD-SDI”接口，传输线材粗大笨重，且4个“HD-SDI”口顺序不能接错，示波器等检测仪器测试检验较为繁琐。

3.2 HDMI

高清晰度多媒体接口“HDMI”是一种数字化视音频接口技术，经历过6个版本的变迁，目前HDMI2.0的最高数据传输速度高达18 Gbps，完全可以满足“4K超高清显示”画面数据的传输。

采用HDMI进行传输的优点是易用性，其在单线缆中集成视频和多声道音频，从而消除了当前演播室系统中使用的多线缆的复杂性，第二是高保真，HDMI2.0标准完整支持BT.2020的色域空间标准，符合超高清影音技术未来的发展趋势，HDMI2.0标准在视频方面还支持2条不同的视频信号传输，实现双屏显示，同时也支持21︰9宽屏显示规格。而音频传输方面，HDMI2.0最高可以支持32声道的音频信号传输。

3.3 HDBaseT

HDBaseT并没有像HDMI和DP一样重新设计一个新的接口，其利用超五类或者六类双绞线、网络水晶头和网络接线的接法，实现了速率高达20 Gbps的视频信号传输性能，确切的说，HDBaseT是一种协议规范。目前HDbaseT 1.0支持最高20 Gbps的传输速率，能完美地支持“FULL 3D”和“4K超高清“显示技术视频格式，其传输距离达到了100 m。

采用HDBaseT的优点是无需专用接口，只需要标准的RJ-45连接器接口，也无需专用的线缆，只需要现有的超五类或者六类双绞线，成本低廉，其传输距离可达100 m。此外，HDBaseT还提供了以太网功能、供电能力（PoE）和其他控制信号通道。其缺点是目前基于HDBaseT的设备较少，市场仍处于观望状态。