4K 超高清电视关键技术及发展趋势分析

2023-01-17唐骏飞

电视技术 2022年6期

唐骏飞

（北京广播电视台，北京 100089）

1 4K 超高清电视应用现状

当前，4K 超高清电视技术的概念已经得到落地，以大屏幕、远距离投像、宽色域等为主要特点的4K 超高清电视显像技术，已经进入消费者家中。与此同时，政府也不断出台各项技术标准规范，为超高清电视技术的发展保驾护航。超高清电视技术凭借着高清晰度、高稳定性的电视成像技术，实现了性能的大幅优化、技术的全面突破，电视分辨率提升至3 840×2 160，频率已经高达120 Hz。4K 超高清电视技术为观众带来了前所未有的超高像素、超大空间体验和视距感受，所以4K 超高清电视越来越受到欢迎。

2 4K 超高清电视关键技术架构组成

总体来看，4K 超高清电视的关键技术共分为四大类：一是4K 超高清视频像素处理技术，二是4K 超高清音频信号处理技术，三是4K 超高清电视传输技术，四是4K 超高清电视显像技术。这四大类技术是组成4K 超高清电视的核心技术，组成了实现4K 超高清电视功能作用的核心架构[1]。

2.1 超高清视频处理技术

4K 超高清视频信号处理技术，作为4K 超高清电视的核心技术，承担着超高清电视视频生成和信号传输的重要作用[2]。在大容量的高清视频信号传输过程，4K 超高清电视经常应用高级压缩编码技术来压缩视频信号。国际电信联盟在2010 年发起了超高清视频信号编码技术准则，对4K 超高清视频信号规定了高效视频编码——HEVC 编码技术。使用该编码技术，4K 超高清电视得以将源码进行大幅度的信号容量压缩，使得源码编码容量压缩率下降了50%。这种HEVC 编码方式大大优化了超高清视频信号的传输信号容量，使原来大容量的超高清视频信号实现小型化传输。后来，国际电信联盟进一步研究发布了第二代超高清电视视频编码标准即H-264 编码准则。这一编码准则相对于传统的标清、高清视频编码而言，其对编码视频信号的压缩率进一步大幅下降75%，使得4K 超高清电视视频信号经过压缩之后，最高可以达到每秒30 帧到50 帧的超高信号传输速度。H-264 编码标准将HEVC 编码压缩标准进行了大幅的优化，实现了最高40～60 MB·s-1的视频压缩信号传输速度。通过超高清视频信号压缩处理，4K 超高清视频得以在光纤网络传输系统中高速运行，实现了信号的极速传导和清晰画质的保留[3]。

2.2 超高清电视音频处理

高清音频技术是4K 超高清电视核心技术的重要组成。一般标清或高清电视音频的处理是以11声道为最多的声道传输，而4K 超高清电视音频处理最高能够达到22 个声道处理空间[4]，能够在电视屏幕周围及正前方形成环绕的3D 立体式声音感知，从而实现22.2 全空间环绕声系统，使观众对声音的捕捉更加全面，收听到的声音信号更加真实，体验感更加强烈，能够得到极致的感官享受。

4K 超高清电视音频处理系统对于22 声道分配的音频传输速率也进一步得到大幅度提升。每一个单声道传播的音频速率能够增强至48～60 kB·s-1。而更高级的24 声道音频分布系统，可以达到最高30 MB·s-1的音频传输速率。这些大容量的音频传输速率在普通的信道传输过程中必然会面临着信号承载量过多、信号传输拥挤等问题[5]。然而现代光纤技术的引进，使得4K 超高清电视信号经过信号源的源码压缩之后，可以在高清电视传输系统中成型，进行高速的信道流通。最大的音频信号传输速率在被压缩之后，最低也能够达到3 MB·s-1以上的速率[6]。

当前，韩国三星、日本索尼等公司都在积极开发高容量、多声道的立体环绕高清电视声道控制系统。而国际电信联盟也针对超高清电视信号系统的设置提出了一系列技术指导。例如，在国际电信联盟的帮助下，当前4K 超高清电视声道规制形成了环绕声空间分配标准，统一了声音信号的兼容接口，增强了立体环绕声音的单通道和多通道之间的接口标准，可以及时地使高速率传输的音频信号进行信号转码和源码压缩，这样就会将原来高存储量的信号进行加压压缩，减小了各类信号在高清电视信号传输系统中的空间占用，提高了高清电视信号传输的速度和效率。在这种情况下，音频信号只需要增加少部分的空间，就可以实现远距离、大容量的音频信号高速稳健传播。4K 超高清电视音频信号系统的构建，使得4K 超高清电视的声音信号得以完全、保真、快速传播[7]。

2.3 超高清电视传输技术

4K 超高清电视技术中的传输指的是信号源的发射与信号传输、信号解码、编码、信号成型等一系列信号转化过程。4K 超高清电视中，传输系统主要由信源编码、信道解码、信号传输、信号转制及码元成型等一系列过程构成。它是实现4K 超高清电视实时信号传输的载体。而光纤传输系统、微波多路传输系统（Microwave Multipoint Distribution Systems，MMDS）是超高清电视传输技术较常使用的传输信道通路。

一般4K 超高清电视传输系统的传输流程大致如下：声音和图像等信号编码，通过信号编码压缩形成源码；源码进入数字有线电视传输系统，经由节目流与传输流分别进行信号传输，由信道编码对内部的图像编码与声音编码进行解制，解制之后形成全新的信号，在信道系统中进行快速传播；当达到4K 超高清电视接收终端时，声音图像信号会经由信道解码系统及时进行信号源的解调，实现音频视频的解码；4K 超高清电视终端直接接收解码后的信号源，从而呈现出清晰的电视声音图像信号。从整个流程可以看到，由计算机控制的自动化数字传输系统会自动地将声音、图像等编码进行压缩和解码，从而使整个信号能够在传输系统中高速稳定地运行。这是4K 超高清电视传输系统形成稳定信号源的关键。

2.3.1 光纤传输系统

光纤电缆是显著区别于同轴电缆传输特性的新的传输系统。在光纤传输技术中，由于所采用的光纤具有高敏感性、高容量性和信号稳定性，所以其传输功率较大，传输设备能够适应的环境条件较广泛。当前许多4K 超高清电视信号传输过程中，进入设备终端时，都会采用入户光纤的形式进行信号接入。一般房屋施工时，工程建设都会配套家庭光纤通信装置预埋，如建筑体内入户光纤采用固定式的线路走位，通过细化光纤直径，加密光纤芯数，从而实现大容量信号的传输。因为光纤传输过程中信号具有完全的反射能量，所以光纤信号传输过程中能量损耗较少，能量传输速度较快，是当前应用于4K 超高清电视传输系统的主流传输架构之一。

2.3.2 微波多路MMDS 传输系统

MMDS 传输系统指的是微波多路传输系统。微波多路传输系统是与光纤传输系统、同轴电缆传输系统明显不同的一种传输系统。这一传输系统主要采用微波点对点发射的形式进行信号的传播。微波多路MMDS 传输系统必须以卫星中继站作为信号传输的中继系统，以卫星中继站为载体进行广播电视信号发射。经过信号发射，将声音图像信号全面压缩、码元加码，传输给卫星中继站；卫星中继站依靠MMDS 系统进行信号接收。这些信号在空间传输的频率在2 500～2 800 MHz。微波多路系统接收到声音、图像等压缩信号之后，会以高能量信号射频向地面空间的4K 超高清电视接收终端进行信号的发送。总体来看，微波多路MMDS 传输系统具有速度快、无物理线路、施工相对容易等优点，中继卫星的应用容量也相对较大。

2.4 超高清电视显示

在4K 超高清电视的关键技术中，显示技术是至关重要的技术。这是因为，超高清电视显示决定着画面的清晰度，要想得到极致的高清观感体验，必须由超高清电视显示系统加以呈现。

在4K 超高清电视显示系统技术中，液晶面板是至关重要的技术环节。当前，为进一步实现4K超高清的目标，液晶面板的分辨率已经逐步达到3 840×2 160。在产业发展上，三星、海力士、LG以及京东方等企业都沿着各自的产业路径实现了超高清液晶面板的生产[8]。

总体上，不同的生产企业将4K 超高清液晶面板划分为两大类不同的应用模式，一种是VA 屏，一种是IPS 屏。超高清电视液晶显示屏幕具有高度的屏幕分辨率敏感性，其尺寸面板在39～85 英寸。在这些尺寸中间进行各种型号的4K 超高清电视显示屏应用，都可以有效地构成4K 超高清电视液晶显示屏。此外，4K 超高清电视显示屏还有接线驱动接口，接线驱动接口的信号传输速率和信号刷新速率，决定着4K 超高清电视显示屏的屏幕图像显示效果[9]。

当前，不同的企业在4K 超高清电视显示屏的驱动接口上设置了LVDS 接口和V-by-One 接口。这两种不同的驱动接口的传输速率各有不同，其中，LVDS 驱动接口的传输速率为1.05 GB·s-1，V-by-One驱动接口对高清电视信号的传输密度较大、容量较高，最高传输速率可以达到3.75～4.75 GB·s-1。二者在刷新频率方面最高的频率跳闪为240 Hz，处理的色彩度可以达到12 bit。总体来看，V-by-One驱动接口的传输速率较高。

超高清电视中芯片的应用，也是4K 超清电视显示技术的核心。当前的4K 超高清电视芯片都是以双芯形式存在。4K 超高清电视的芯片内部共两个芯片，其中一个芯片专门用来完成图像信号的接收、转制、成像及输出，另一个芯片则专门用来对4K 超高清电视显示屏幕中的图像进行补充性信号处理与声音信号的处理。

3 4K 超高清电视关键技术发展趋势分析

当前，随着新一代信息科技的全面加速创新，围绕着4K 超高清电视形成的新技术也正在持续迭代发展。

在超高清视频处理方面，越来越多的超高清视频压缩、容量存储技术正在快速发展，以边缘计算和云存储为核心的大容量存储技术、高速视频信号传输技术、压缩信号传输技术等，都推动着4K 超高清电视视频信号的处理向大规模、集成式、高速率方向发展。

在4K 超高清电视音频处理方面，随着音频解码技术的持续创新，音频载荷量持续增大，音频传播速度也持续提高。在声音传输系统中，基于高分辨率的立体环绕声道正在持续扩容。据媒体报道，已经有28 声道的MPG 环绕声道实验成功，所以在未来，4K 超高清电视音频技术必然会向着更加立体化、真实体验感和高速传播的方向持续演化。

在4K 超高清电视传输系统的技术研发和推广方面，越来越多的光纤传输系统、互联网超高清传输系统、5G 信号传输系统和中继卫星传输系统也都持续构建着更高传输速度、更稳定的传输通道，驱动4K 超高清电视传输能力进一步增强。此外，信号传输源码更加便于压缩处理，对声音图像的传输编码混合压缩与码流复接都形成了更加创新的技术。

在4K 超高清电视显示技术方面，更大存储容量、更快运行速度的超高清电视显示芯片正在持续研发。液晶显示屏的生产制造也逐步向大规模、集成式生产方向前进，其规模效应逐步凸显，这会进一步压低液晶显示屏的市场价格，有利于超高清4K电视的市场推广。而在4K 超高清电视显示屏的接口技术开发方面，以V-by-One 接口为核心的驱动式接口也逐步扩大了应用覆盖率，更多的企业在开发4K 超高清电视屏幕驱动接口时，越来越多地选择使用这一接口模式进行信息接口应用。