4K超高清电视关键技术解析

李玉忠

摘 要：本文研究了超高清电视技术发展现状，对超高清电视系统的图像关键参数进行了分析和解读。

关键词：分辨率;色域;动态范围;转换曲线

放眼全球，聚焦国内，现代电视的发展已快步进入4K超高清时代。超高清电视可以给观看者带来更好的视觉体验，能够展现更多的视频信息，具有更强的真实感。相对于现行的高清电视，4K超高清电视不仅仅是分辨率的提升。4K电视比高清电视的优势有哪些呢？我们有必要了解4K超高清电视的关键技术。电视呈献给观众的是活动的图像，与活动图像质量密切相关的有以下几个因素，如图一所示：包括分辨率（空间分辨率）、色域（彩色分辨率）、量化（灰度分辨率）、帧速率（时间分辨率）、动态范围（宽容度分辨率）。高清电视的分辨率是2K，到超高清有4K和8K，随着分辨率的增加，呈现的图像越细腻和清晰。色域影响的是图像的色彩，色域越大，色彩就会越鲜艳。量化比特关系到图像的灰度层次，对色彩的还原也有影响。帧率的高低对快速运动的图像，呈现不同的效果。动态范围影响的是图像同时呈现暗图像和高亮图像的能力。4K超高清在这几个方面都有了相当大的提高。

分辨率：按ITU-R BT.2020，定义4K超高清电视分辨率为3840x2160，画面宽高比是16：9，相对于比4K电影少了7%的像素。标清是720x576，宽高比是4：3，高清是1920x1080，宽高比是16：9，从图二可以看出，4K超高清比高清提供了更多的像素，是高清的4倍，在同样大小的画面中，像素越多，必然清晰度越高。

色域：如图三所示，按ITU-R BT2020建议书给出了一个参考白D65由红绿蓝三个点构成的三角形，就是超高清电视的色域。高清和标清的色域非常相近，4K比高清的色域大了很多，色域的增大能显现更多的颜色，主要是绿色这一块，并且色彩的饱和度比高清大了许多，色域增大给观众带来更逼真的色彩效果。

量化比特數：按ITU-R BT2020建议书推荐的量化信号是R、G、B 或者Y、CB、CR，10比特或者12比特量化，当前技术阶段，大多采用10比特量化，对于相同的亮度范围，量化比特殊的增加可以使亮度的层次更加清晰，可以使色彩更加丰富。

帧率：ITU-R BT2020支持多种帧率，考虑到我国电视制式和应用需求，保留了50、100、120三个帧频，逐行扫描，帧率高，画面流畅。若帧率不高，高速运动画面呈现卡顿、闪烁现象。

动态范围：回顾电视技术发展史，在传送模拟电视、标清和高清电视时，摄像机内部都有γ校正信号处理过程。图像采集器件，它的光电转换特性是线性的，如图四所示：

随着入射光线的增强，图像采集设备的输出电平也是线性增加，入射光线随着景物亮度成正比关系。我们希望图像采集器件的线性关系，它输出的信号经过一系列的处理和传输，到达终端时，也能同样成线性关系，呈现原来的亮度。但是在过去的年代，显示终端是显像管，然而显像管它的电光转换特性是非线性的，显像管随着输入电平的增加，呈现的亮度是一个非线性的增长，因此需要在摄像机内部预先做一个反方向的校正，叫做伽马校正。显像管的电光转换特性是一个幂函数，γ等于2.2，摄像机预校正OETF（转换特性）约等于0.45，这样下来系统特性OOTF就是2.2乘以0.45约等于1，信号经过总的链路传输到达终端后，呈现的是一个线性关系。传统的伽马要匹配显像管的特性，显像管的峰值亮度只有100尼特左右。所以摄像机的伽马也要迎合显像管的这种特性。对于超过100尼特的亮度，摄像机的处理是满切割。对于景物超过100尼特的亮度部分，失去了亮度的细节，在图像中呈现的是一片白，这是过去的情况。

在超高清电视中也有这个转换曲线，

在ITU-R BT.2020-2中

α=1.099， β=0.018（10位系统）;α=1.0993， β=0.0181（12位系统）

在ITU-R BT.709-6中

上边这个式子在ITU-R BT.2020-2中，是超高清非线性转换的公式，下边这个在ITU-R BT.709-6中的转换公式，对比着两组公式，当低电平时，对应图像暗部的时候，有一个4.5的线性关系，对于其它高亮部分，是一个指数关系，它的幂是0.45，其实ITU-R BT.2020-2建议书中的非线性转换曲线和ITU-R BT.709-6中的高清是一样的。按照ITU-R BT.2020-2建议书得到的这个动态范围叫作标准动态范围简称SDR（Standdard Dynamic Range）。

斗转星移，科技日益进步，显示终端多样化，亮度有了较大幅度的提高，能显示到1000尼特，我们有必要把动态范围扩大，以达到更佳的显示效果。在2016年7月，国际电信联盟发布了BT.2100建议书，定义了高动态范围制作图像，简称HDR（High Dynamic Range）。在该建议书中，规定了两种实现高动态范围的技术方案。一种叫做PQ，利用人类视觉特性来感知量化编码，另一种叫作混合对数伽马HLG，柔和了传统伽马和对数转换曲线，HLG实现了传统显示技术和现代显示技术的一种兼容，该建议书介绍了HLG和PQ两种曲线之间的转换方法。

图五画出了几种转换曲线的对比，1是传统的伽马，是ITU-R BT.709-6所规范的一种伽马曲线，2是HLG，定义的是动态范围扩展到1200尼特，4是PQ转换曲线，支持的动态范围高达10000尼特显示，由图可见这三者之间动态范围存在天壤之别。还有一些厂家推出了自己的转换曲线，3这条曲线就是索尼公司的，介于PQ和HLG中间，作为一种中间形式。

高动态范围会带来什么视觉效果呢？在自然光中，亮度的范围很宽，从10-6～109尼特，对比度高达1015比1，拍摄这么大动态范围的图像会遇到什么问题呢？首先是光圈调整，以图像的高亮区域为基准，图像的暗部因为曝光不足，图像的细节看不清了。如果把光圈放大使暗部合适的时候，图像的高亮部分作了切割，失去了图像的细节，在图像呈现的是一片白，没有了层次感。

如果采用HDR高动态技术，采用了新的转换曲线，把较大亮度范围的图像都得以呈现，高亮部分和暗部图像都能较好的呈现出来，这就是HDR制作的优异之处。

下表为标清、高清与超高清的参数比较：

通过参数比较，4K超高清比高清图像质量有较大幅度的飞跃，在此基础上再加上HDR技术，采用4K技术能呈献给观众更加逼真的图像质量。我国也在积极开展超高清电视的研究和试验工作。随着未来超高清电视相关技术和标准的进一步完善，超高清电视将为人们带来崭新的视觉体验。