超高清數(shù)字電視關(guān)鍵技術(shù)研究

孫樂民，薛永林

（1.長虹電器集團技術(shù)中心，四川 綿陽 621000；2.清華大學 信息技術(shù)研究院，北京 100084）

1 超高清電視概述

人們對高質(zhì)量圖像和聲音的追求是永無止境的。目前的高清晰度數(shù)字電視像素結(jié)構(gòu)是1 920×1 080，垂直視角大約為20°，水平視角大約為30°。根據(jù)人的視覺特性，為了享受臨場感和真實感，觀看電視的視角應大于100°，觀看距離拉近到圖像高度的0.75倍左右，如圖1所示。

這么近的距離觀看，對圖像和顯示屏都提出了更高的要求。以100 in（這里采用英制，1 in=2.54 cm）的平面顯示屏為例，如果繼續(xù)采用高清電視1 920×1 080的像素結(jié)構(gòu)，每個像素的尺寸約為1.2 mm×1.2 mm。如果顯示屏到了150 in，像素尺寸則達到1.8 mm×1.8 mm，如此大尺寸的像素已超出人們視覺的“敏感度”，圖像的“顆?，F(xiàn)象”將會變得十分嚴重。同時，高清分辨力的圖像再通過視頻壓縮，也不能完全滿足人對現(xiàn)場感、真實感的視覺要求。因此，需要研究和定義更高清晰度的電視來滿足人們的需求。

同樣，自有電視以來，電視聲音從單聲道發(fā)展到立體聲、環(huán)繞立體聲、杜比5.1聲道，其聲場都是平面聲場，人們只能聽出前后左右，而不能體驗到包括上下兩個方向的完整的立體空間聲場。

20世紀末，日本、美國和歐洲的大型科研機構(gòu)開始了超高清數(shù)字電視（Ultra High Definition Television，UHDTV）[1]的研究，如今已經(jīng)取得了一系列的研究成果[2]。按像素結(jié)構(gòu)定義出3種超高清電視模式：4k模式，W（寬）×H（高）=3 840×2 160像素；8k模式，W×H=7 680×4 320像素；16k模式，W×H=15 360×8 640像素。UHDTV圖像的像素寬高比為1∶1，圖像幅型比為16∶9。為UHDTV設(shè)計的聲音達到了22.2聲道，形成上、中、下3個環(huán)繞聲場，構(gòu)成了完整的空間立體聲場。

2 超高清數(shù)字電視關(guān)鍵技術(shù)

超高清數(shù)字電視圖像的數(shù)據(jù)遠遠高于當前標清數(shù)字電視和高清數(shù)字電視，因此不能繼續(xù)使用目前的MPEG-2或MPEG-4（AVC）[3]標準來實現(xiàn)信源壓縮編碼，也不能繼續(xù)使用目前的傳輸信道編碼。從系統(tǒng)角度來看，超高清數(shù)字電視系統(tǒng)研究的內(nèi)容包括信源壓縮編碼、傳輸信道編碼，在接收機端，涉及到超高清數(shù)字電視的接收和解碼、顯示。如果還要考慮兼容性，超高清數(shù)字電視的研究領(lǐng)域還包括圖像的插補和處理。

2.1 超高清視頻處理

以4∶4∶4采樣為例，4k模式超高清數(shù)字電視信號圖像的原始數(shù)據(jù)率為（3 840×2 160 bit/幀）×（24 bit/pixel）×（30幀/s），即大約6 Gbit/s，8k模式的原始數(shù)據(jù)率則大約為24 Gbit/s。以4∶2∶2采樣，4k和8k模式的數(shù)據(jù)率也要分別達到4 Gbit/s和16 Gbit/s。要將如此之大的數(shù)據(jù)量進行傳輸，必須研究新的壓縮編碼方法。2010年，ISO/IEC活動圖像專家組（MPEG）和ITU-T視頻編碼專家組（VCEG）聯(lián)合成立了視頻編碼聯(lián)合小組（JCT-VC），來開發(fā)一個稱之為“高效視頻編碼（HEVC）”的下一代標準[4]。該標準的要求是，與H.264高檔次（High Profile）對比，在保持計算復雜度基本一致，主觀圖像質(zhì)量相當?shù)那疤嵯?，將碼率（bitrate）下降50%。ITU-T視頻編碼專家組表示，在稍微增加復雜度的前提下，還可以將碼率下降到25%。

HEVC采用的編碼技術(shù)與H.264混合編碼結(jié)構(gòu)大致相似，表1列出了它們的對比。

表1 H.264和HEVC編碼技術(shù)對比

HEVC的目標是成為下一代數(shù)字電視圖像壓縮編碼國際標準，它覆蓋了從QVGA（320×240）到1 080p和超高清UHDTV（7 680×4 320），還根據(jù)噪聲電平、色域和動態(tài)范圍，改進了圖像質(zhì)量。HEVC被認為是H.264的下一代標準，因此又被稱為“H.265”。按照聯(lián)合視頻編碼小組（JCT-VC）的計劃，2012年2月將完成整個HEVC標準草案；2012年7月，完成國際標準草案；2013年1月，完成國際標準最終版。

如果把1995年頒布的MPEG-2標準看作是數(shù)字電視的第一代信源壓縮編碼標準，經(jīng)歷8年后，2003年頒布的H.264可以看作第二代視頻編碼標準，H.264的碼率比MPEG-2下降了50%。HEVC標準可以看作是第三代編碼壓縮標準，HEVC的碼率將比H.264再下降50%或更多。這樣，對于4k模式30幀/s的超高清視頻，采用H.264標準可壓縮至40 Mbit/s以內(nèi)，而采用HEVC可望壓縮到20 Mbit/s以內(nèi)。

2.2 超高清電視音頻處理

超高清22聲道的布置如圖2所示，頂層安排了9個聲道，中間層安排了10個聲道，底層在電視屏幕下方布置了3個聲道。上、中、下3個環(huán)繞聲場，構(gòu)成了完整的空間立體聲。

這樣組成的3層環(huán)聲場的下層兩側(cè)再增加2個低音聲道，構(gòu)成完整的22.2環(huán)繞聲系統(tǒng)，與目前流行的7.1聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)相比，最為突出的是將聲場完全三維化，聲音更真實、更具現(xiàn)場感，能帶給人更強烈的感官享受。

當然22.2聲道的音頻數(shù)據(jù)率也不可小視，以每聲道48 kbit/s、24 bit采樣為例音頻數(shù)據(jù)率達到約28 Mbit/s，經(jīng)過音頻壓縮后數(shù)據(jù)率也將超過2.8 Mbit/s。目前Dolby和DTS都在開發(fā)類似的多聲道立體環(huán)繞聲技術(shù)和系統(tǒng)，MPEG也在制定相關(guān)的多聲道標準。對于家用來說，22.2聲道播出系統(tǒng)的聲場布置要求未必普遍適用。因此，MPEG正在制定的環(huán)繞聲標準SAC（Spatial Audio Coding）[5]考慮了后向兼容，即可以兼容或更新已有的立體聲或單聲道系統(tǒng)。SAC在編碼時利用音源的強度和聲道之間的空間相關(guān)性進行下混處理（Downmix），這樣既可以減少多聲道音頻本身的傳輸數(shù)據(jù)率，只需要增加較少的音源空間信息數(shù)據(jù)，又可以增強已有音頻系統(tǒng)的播放效果。

2.3 超高清數(shù)字電視傳輸

第三代信源編碼標準呼之欲出時，信道傳輸標準在2009—2010年間完成了第二代更新。第二代標準DVB-C2（ETSI EN 302 769：2010）[6]和 DVB-T2（ETSI EN 302 755：2009）[7]的系統(tǒng)模型相似，如圖3所示。

與第一代DVB標準的單傳輸流TS輸入不同，第二代DVB標準的系統(tǒng)輸入可以是1路或多路MPEG-2傳輸流（TS），和/或是1路或多路通用封包流（GES）。輸入預處理器（它不屬于系統(tǒng)模型），可以是業(yè)務分割器或解復用器，用來將業(yè)務分割成1個或多個邏輯數(shù)據(jù)流，通過物理層管道進入系統(tǒng)輸入。這樣使第二代DVB標準能夠靈活地支持多種業(yè)務。

第二代DVB標準中糾錯編碼采用BCH+LDPC，取代了原來的RS（204，188）。BCH與RS編碼一樣屬于線性循環(huán)編碼，它具有糾正多個錯誤的能力。LDPC是低密度奇偶校驗編碼，采用BCH+LDPC的級聯(lián)糾錯編碼，在接收信號載噪比高于門限時，幾乎可以達到“準無誤碼”的理想接收。

第二代DVB標準普遍采用高階調(diào)制，DVB-C2最高達到4 096QAM，DVB-T2達到256QAM，使一個調(diào)制符號攜帶更多的數(shù)據(jù)比特。

DVB-C采用單載波QAM調(diào)制，而DVB-C2采用OFDM（正交頻分復用）調(diào)制。

表2給出了DVB-C和DVB-C2的對比，表3給出了DVB-T和DVB-T2的對比。

表2DVB-C和DVB-C2的對比

表3DVB-T和DVB-T2的對比

采用上述最新技術(shù)后，除了傳輸性能的提高，在頻譜效率方面DVB-T2的數(shù)據(jù)傳輸達到40 Mbit/s以上，DVB-C2的數(shù)據(jù)傳輸達到56 Mbit/s，可以實現(xiàn)在一個8 MHz帶寬的傳輸通道內(nèi)傳輸4k模式超高清壓縮編碼的信號；采用頻道綁定技術(shù)，在32 MHz帶寬的通道內(nèi)可以傳輸8k模式的超高清電視信號。

2.4 超高清電視顯示

目前已有部分日本、韓國和臺灣的平板顯示屏制造企業(yè)能夠提供4k超高清顯示屏。奇美的56 in V562D1–L01 LCD超高清屏，采用雙DVI接口輸入，分別對應圖像的左右部分，如圖4所示。

國內(nèi)大尺寸的超高清顯示屏，還采用拼接方式來制造。100 in以上4k屏采用4塊1 920×1 080屏拼接，100 in以上8k屏采用4塊3 840×2 160屏拼接。四川虹歐顯示器件有限公司采用在整體玻璃面板后面拼接顯示單元，可以制造100 in以上的4k超高清顯示屏，拼接縫≤0.3 mm，即使是專業(yè)人士也很難看出接縫。

在當前平板顯示技術(shù)不斷進步的情況下，超高清電視顯示屏已經(jīng)出現(xiàn)。索尼、三星、夏普等公司均已推出了4k分辨力的LCD樣機或產(chǎn)品，Panasonic推出了152 in的4k分辨力PDP。以目前主流平板電視主流產(chǎn)品來看，24 in LCD可以達到1 080p顯示，則原理上50 in LCD可達到2 160p（4k）顯示，100 in LCD可達到4 320p（8k）顯示；同樣，42 in PDP可以達到1 080p顯示，則原理上84 in PDP可達到2 160p（4k）顯示。實際上，接近人眼分辨力極限的300 pixel/in的所謂視網(wǎng)膜顯示屏在平板小屏便攜產(chǎn)品中正日趨主流，對于超高清顯示大屏幕來說也只是生產(chǎn)和成本等方面的問題，將在未來幾年逐漸進入市場。

在視頻顯示接口方面，筆者認為未來超高清電視的視頻接口主流將是數(shù)字接口。現(xiàn)有的一些超高清顯示器采用DVI dual-link方式，隨著Displayport 1.2和HDMI 1.4標準對4k顯示模式的支持，未來超高清電視產(chǎn)品將以這兩種接口或其中之一作為超高清的主要接口方式。

3 結(jié)論

目前已研究出超高清電視產(chǎn)品樣機的公司有索尼、松下、夏普、三星、LG等。2003年開始，每逢重大國際電子展會都會展出超高清數(shù)字電視的最新成果。2005年NHK還通過21 GHz衛(wèi)星，進行了超高清數(shù)字電視的遠程傳輸，2007年通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了東京到大阪的超高清傳輸。2012倫敦奧運會期間，日本NHK和英國BBC將聯(lián)合進行超高清電視傳輸試驗，通過大西洋—美國東海岸—美國西海岸—太平洋—日本超遠距離，進行實況轉(zhuǎn)播和非實況節(jié)目傳輸試驗?？梢灶A見，隨著未來幾年超高清相關(guān)技術(shù)和標準的逐步完善和制定，超高清數(shù)字電視也將逐步進入市場，為人們的視聽感受帶來全新的體驗。

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[1]ITU-R BT.1769，Parameter values for an expanded hierarchy of LSDI image formats for production and international programme exchange[S].2006.

[2]李超.超高清晰度電視與三維電視進展[J].電視技術(shù)，2011，35（22）：19-24.

[3]ITU-T Rec.H.264|ISO/IEC 14496-10，Advanced Video Coding[S].2005.

[4]BROSS B.WD4：Working draft 4 of high-efficiency video coding:JCT-VC F803v8[C]//JCT-VC 6th Meeting，Torino，IT，14-22 July，2011.[S.l.]：JCT-VC，2011.

[5]VILLEMOES L，HERRE J，BREEBAART J，et al.MPEG surround:the forthcoming ISO standard for spatial audio coding[C]//28th International Conference：The Future of Audio Technology--Surround and Beyond.[S.l.]：AES，2006.

[6]ETSI EN302 769，F(xiàn)rame structure channel coding and modulation for a second generation digital transmission system for cable systems（DVB-C2）[S].2010.

[7]ETSI EN302 755，F(xiàn)rame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system（DVB-T2）[S].2009.