超高清电视技术的图像格式解析

摘 要 本文详细介绍了超高清电视技术和高清电视技术的优势等，通过观众的视觉系统，从空间、时间、色彩等方面对电视技术的参数进行详细分析，加深对超高清电视技术的图像技术参数的了解。

关键词 超高清电视技术；图像格式；解析

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）187-0031-02

电视技术的发展不断革新，从1953年，黑白电视接收机在日本的电视广播界蔓延，而1984年开始的广播卫星（BS）模拟广播向宽屏（16：9宽高比）的大屏幕设备进行转换，2000年开始的BS数字广播、2003年开设的数字地面广播和作为高质量图像携带媒体的DVD的普及，实际上在平面、薄型电视呈现的大屏幕图像画面的优势已经得到观众们的高度认可，从电视技术角度看，电视系统发展经历了4个历史阶段，而第五代电视技术——超高清电视技术也在全球范围内广泛发展，也深受观众的喜爱和认可。

1 产品概况

根据“超高清 UHD”（即为国际电信联盟所发布的）标准规定，国内的超高清电视已经迈过了两个发展阶段，第一个阶段称为4K，约800万像素，分辨率为3840×2160（4K×2K），后经发展提高到8K，达到3300万像素，即7680×4320（8K×4K）。除此之外，UHDTV 系统之中所对应的诸如色差分量方程/亮度、基色坐标、光电转换方程等所对应的色度学指标需要与 ITU-RBT.709及SMPTERP177等现行标准能够兼容。我国于2002年第一次公布了超高清电视技术，而公开的成果演示则是在三年之后的爱知博会，这次的公开公开演示时间长达半年，2008年我国选择借助IP网络以及卫星技术进行信号传输实验，并在4年之后的伦敦奥运会上，开始进行7680×4320分辨率及多达22.2声道的超高清电视技术进行现场体育赛事的直播，对于当时的现场直播调动了世界上仅有的三台超高清摄像机进行了开/闭幕式及田径运动等项目比赛的直播[1]。

2 超高清电视技术的优势

为了更好的兼容高清电视格式，8k的超高清图像需要其分辨率达到7680×4320以及以120帧/秒的帧频进行扫描，同时超高清图像中的垂直分解力标准、水平分解力标准、时间矢量标准等均为现行高清电视整数倍，因为需要对超高清电视技术视进行全面的设计以及技术要求的满足，根据相关研究得出的结论人类视觉系统（HVS，HumanVisualSystem）在自由条件下其所能够看见的水平视角超过了180°[1]。但目前广泛应用的标清电视仅实现了13°的视觉范围，高清电视则为30°，参考ITU-RBT.1845屏幕尺寸以及测算的最佳观看距离，人类目前可以实现的视觉垂直及水平方向上的最小角分辨率为1角分（arc-min），1角分角对应的视距即为目前的数字图像效果所能够实现的最佳视觉距离[1]。

最佳视距和水平视角的关系如图1。

其中，d代表着最佳视距，θ代表着最佳水平视角。根据上述公式即可实现高清电视以及超高清电视所对应的最佳视距以及最佳的水平视角，详细结果如表1所示。

故而，可以得知，在500英寸屏幕的剧场进行观看时，选择3m的距离观看效果最好；如果在家里安装的是145英寸的电视进行超高清电视节目的收看时，需要至少保持离屏幕1.5m的距离才可实现100°水平视角的观影视觉体验。

3 超高清的图像格式解析

超高清电视技术不断发展进步，发展到现阶段其需要解决的主要问题为超高清电视的音频技术参数以及超高清拍摄指导显示过程，针对上述两个问题目前所使用的解决方法主要为编辑、存储、播出以及传输等。保障超高清技术的完美呈现需要做到兼容性以及互通性的协调，基本要求为：第一，所拍摄的图像品质需要高于高清电视的图像品质；第二，所实现的技术手段需要与现有的高清电视具有一定的兼容性、同時还具有一定的通用性；第三，对于未来技术留有可供提升的空间。

1）空间特点分析，从人类视觉系统和心理感知两方面入手，对超高清的空间特点进行分析。而超高清图像格式首要解决的问题是对像素数量的大小，由于像素数量的多少与图像质量有直接的关系。而超高清分辨率还要综合的分析两点问题，在保障图像质量不降低的前提条件下，同时提供稳定的系统真实感受保障，如何实现这一问题成为目前超高清设计所需要解决的难题之一，而增加视角和显示设备的尺寸是目前最有效可行的方法。

2）色彩特点分析，基于对空间特点与时间特点分析，同时也针对超高清电视的色彩呈现展开了深入的研究以及分析。参考ITU-R RecBT.709，高清电视的图像品质与实际物体相比其色彩饱和度大大降低。与此同时，目前市面上流行的消费类平板显示器在色彩容度方面远远超过了现有的高清电视。如何处理好高清电视的视觉效果，需要做到以下几点：

（1）可以用宽阔的色域来实现对于现有电视相关系统色域的取代，同时需该色域系统务必保障以实物颜色为参考标准；

（2）宽色域的色彩编码效率需要远远超过现有的电视色彩系统；

（3）宽色域的基色单元物理其需要具备良好的接受性，同时需要电视技术也能够适用于整个的色域显示，且可以应用到图像质量处理之中。

3）临场感分析，临场感需要评估，同时对于临场感的评估需要一定的测试。本文探讨的临场感分析所进行的测试实验是挑选了300个测试对象并分为5组，确保每一组均可以从不同的视角进行视频的收看，在此过程之中进行4张不同视觉以及不同内容图片的拍摄，以此作为对临场感进行评估的客观依据，也会使得评估的结果更加的精确，而经过测试发现，在水平视角增加的同时临场感也会增加，最后在80°到100°之间达到了饱和状态。而临场感最强的时候是在视角为77°的时候，但在不同的统计方法下这个数值意义并不大，而实验测试发现，在对拍摄角度为100°的图片进行比对时发现超高清视角的范围为80°～100°时，其最佳状态的观看距离为屏幕高度的0.75倍～1倍。

4）真实感分析，目前對于真实感的评估以及分析需要根据所获得的6个不同角度的分辨率图片进行综合性的判断，在此基础上再结合实际物体进行比对，可以在所有的测试对象中挑选出一张与实物最为接近的一张图片。总结测试经验得出，空间所对应的分辨率对实际物体是否能够得到明显的区分，需要角坐标所对应的分辨率不断提高，在此情况下所能够获得的视觉临场感就越强。

5）视角分析，通过大量的视角测试研究发现，对人类的视觉系统视角极限技术进行不断的突破可以提高高清电视节目视角的临场感受。大量的测试实验，获得了不同视角的观察图片，同时也掌握了大量的测试对象所出现的比如身体摆动等因素所产生的影响数据，在综合各种数据之后进行了超高清图像最佳观看视角结果的计算。通过数据比对及计算得出，视角与人体身体摆动幅度的关系呈现出明显的反比例关系，也就是说若是想获得较大的视角效果，那么观看者应该控制自身的身体摆动幅度，计算得出最大的视角可达到80°左右。

4 运动视觉的分析

4.1 运动模糊

运动模糊一般指的是实物在图像的移动过程之中所呈现出的视觉效果，除此之外，由于长时间的曝光以及置于场景中的物体若是处于快速移动的状态也会出现明显的视觉效果。对于该结论，通过实验可以进行充分的展现运动模糊及曝光时间两者间的关系，在测试之中我们所使用的物体其运动速率维持为30°/s，同时将拍摄的曝光时间控制到1/200s～1/300s的范围，通过上述数据可知，移动速度越快，曝光时间越短，对帧频及快门曝光时间降低起到辅助作用，均以图像质量作为基础[1]。

4.2 频闪效应

我们通常用曝光时间为1/240s，帧频为60f/s、80f/s、120f/s，为图像质量的主观的评价，而当确定了帧频的大小之后，其所对应的运动模糊图像也一并被人们所接受了，特别是当其所对应的帧频超过100Hz时所得到的图像质量均能被接受。

4.3 闪烁

使用宽屏幕进行超清电视的观看时其闪烁频率会增大，并且基于对人类视觉的特点，人类对视觉闪烁也更加关注，从理论上讲，我们根据人类的感知特点，利用临界融合的频率（Fusion Frequencies）来代表闪烁。

5 结论

本文对超高清电视技术各项指标进行了描述，而图像格式，系统参数等要求进行了特别描述，根据人类视觉系统对超高清电视技术的革新，也带给观众更强烈的真实感和临场感的超高清质量观看体验。

参考文献

[1]李静.超高清电视技术的图像格式[J].广播与电视技术，2013，40（11）：30，32-36.

作者简介：邢国华，河北广播电视台。