超高清晰度電視技術(shù)概述

吳蔚華，阮衛(wèi)泓，謝于迪

（國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015）

超高清晰度電視技術(shù)概述

吳蔚華，阮衛(wèi)泓，謝于迪

（國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015）

超高清電視作為2013年電視產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)技術(shù)，具有高分辨力、高清晰度、寬色域等特點(diǎn)。在介紹超高清晰度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了超高清電視的技術(shù)現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，包括接口、面板、芯片和運(yùn)行配置等。提出超高清電視光學(xué)顯示性能的測(cè)量建議，包括清晰度、像素缺陷和響應(yīng)時(shí)間等。

超高清系統(tǒng)；超高清電視；測(cè)量

2012年8月，國際電信聯(lián)盟（ITU）宣布推出超高清晰度電視（UHDTV）國際標(biāo)準(zhǔn)ITU-R BT.2020（08/2012）[1]。同年，超高清晰度面板的推出促進(jìn)了超高清晰度平板電視（以下簡(jiǎn)稱超高清電視）的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈上下游，包括芯片企業(yè)、整機(jī)企業(yè)、前端制作企業(yè)（包括攝像設(shè)備和節(jié)目制作）等，紛紛投入到超高清節(jié)目制作、超高清顯示的研究和開發(fā)。2013年，國內(nèi)外各大廠商紛紛推出不同尺寸的超高清電視，超高清電視成為行業(yè)熱點(diǎn)，促使超高清晰度顯示（以下簡(jiǎn)稱超高清顯示）成為技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和未來方向。超高清顯示比高清顯示可以帶來更細(xì)膩、逼真的圖像，更強(qiáng)臨場(chǎng)感和更精確的視覺信息，為平板電視技術(shù)發(fā)展開啟了新篇章。超高清電視有望在不久的將來得到廣泛應(yīng)用，尤其在大屏幕、高空間/時(shí)間分辨力、寬色域等顯示器中應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)超高清顯示需要超高清系統(tǒng)，從發(fā)到收都支持超高清，涉及多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，而超高清電視是整個(gè)系統(tǒng)的終端設(shè)備。國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心緊跟新技術(shù)發(fā)展和檢測(cè)市場(chǎng)需求，于2013年上半年成立技術(shù)項(xiàng)目組，對(duì)超高清系統(tǒng)、超高清電視的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，包括系統(tǒng)、面板、接口等，并對(duì)超高清電視的測(cè)量進(jìn)行研究，提出光學(xué)顯示性能測(cè)量方法的一些想法。

1 超高清晰度系統(tǒng)

超高清晰度系統(tǒng)主要包括超高清信號(hào)制作、發(fā)送、接收和顯示部分。UHDTV是Ultra High Definition tele?vision的簡(jiǎn)寫，即超高清晰度電視。ITU-R BT.2020《超高清晰度電視系統(tǒng)節(jié)目制作和國際交換用參數(shù)值》中規(guī)定UHDTV圖像空間特性、圖像時(shí)間特性、系統(tǒng)色度參數(shù)、信號(hào)格式和數(shù)字表示。

UHDTV的圖像寬高比為16∶9，像素?cái)?shù)分為2種，一種是4K系統(tǒng)，即3 840×2 160，一種是8K系統(tǒng)，即7 680×4 320，像素寬高比為1∶1的方形像素，目前產(chǎn)業(yè)較為成熟的是4K系統(tǒng)。幀頻包括120 Hz，60 Hz，59.94 Hz，50 Hz，30 Hz，29.97 Hz，25 Hz，24 Hz和23.98 Hz，采用逐行掃描方式。UHDTV還將系統(tǒng)的紅（R）、綠（G）和藍(lán)（B）三基色色度坐標(biāo)選到了可見光譜色軌跡上，色域覆蓋率較HDTV系統(tǒng)有所增加[2]，如表1所示。UHDTV系統(tǒng)采用10 bit或12 bit兩種編碼格式。

目前，超高清晰度攝像機(jī)已經(jīng)投入使用，可以拍攝4K圖像。3 840×2 160/30 Hz的4K電視節(jié)目的原始碼率達(dá)到6 Gbit/s，3 840×2 160/60 Hz的4K圖像的原始碼率達(dá)到12 Gbit/s。采用H.264壓縮至100 Mbit/s后觀看效果良好，但要保證基本觀看效果，碼率也要50 Mbit/s。目前主流的編碼方式采用H.264編碼，但要完美呈現(xiàn)超高清效果，并在有限的廣播信道中傳輸，需要采用更高效的視頻壓縮方案。ITU于2012年8月正式批準(zhǔn)通過了HEVC/H.265標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)全稱為高效視頻編碼（High Efficiency Video Coding），編碼效率較H.264提高了一倍，可將3 840×2 160/60 Hz的4K圖像的碼率壓縮至40 Mbit/s以下。H.265的推廣可從根本上解決4K圖像的信源問題，并使廣播應(yīng)用成為可能。我國自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的AVS標(biāo)準(zhǔn)也開始研究超高清圖像的編碼，以適應(yīng)未來數(shù)字電視廣播。

表1 UHDTV與HDTV基色及基準(zhǔn)白色度坐標(biāo)比較[1]

超高清晰度片源及播放設(shè)備目前比較匱乏。商場(chǎng)演示超高清電視時(shí)，一般采用非壓縮碼流播放器或高性能計(jì)算機(jī)作為播放設(shè)備。Sony公司于2013年3月推出了4K流媒體播放器，內(nèi)置多部支持4K分辨率的高清電視劇及電影。同時(shí)Red Digital Cinema Camera推出超高清4K播放器Redray 4K Cinema Player，播放器沒有光驅(qū)，而是提供下載服務(wù)，從設(shè)計(jì)理念上顛覆了包括藍(lán)光在內(nèi)的所有光盤載體架構(gòu)。各大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商也積極推出4K節(jié)目和軟件解碼器，以滿足4K片源需求。

2 超高清晰度電視

超高清電視要實(shí)現(xiàn)超高清顯示，必須具備超高清信號(hào)接收、超高清信號(hào)處理和超高清面板等基本要素。

2.1 超高清晰度面板

固有分辨力達(dá)到3 840×2 160的液晶面板為超高清（4K）面板。國內(nèi)外主流面板企業(yè)，包括三星、友達(dá)、LG、夏普、群創(chuàng)、華星光電和京東方等，都具備生產(chǎn)4K面板的能力。不同企業(yè)生產(chǎn)的面板主要分為VA屏（軟屏）和IPS屏（硬屏）兩大類。因?yàn)槌咔屣@示主要用于大屏幕顯示，而且固有分辨力較高，所以面板尺寸主要集中在55 in（1 in=2.54 cm）和65 in，其他尺寸包括39 in，50 in，58 in，60 in，84 in和85 in。

顯示屏的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是驅(qū)動(dòng)接口，其傳輸速率和刷新率直接影響顯示效果。目前，常用的驅(qū)動(dòng)接口有兩種，一種是傳統(tǒng)的LVDS接口，一種是V-by-One接口。LVDS是一種低壓差分信號(hào)技術(shù)接口，LVDS支持的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為每對(duì)1.05 Gbit/s。而V-by-One的最高數(shù)據(jù)傳輸速度為每對(duì)3.75 Gbit/s，支持刷新頻率240 Hz、色彩12 bit。如果采用LVDS處理30 bit色彩（每個(gè)色彩10 bit），240 Hz的數(shù)據(jù)，將需要96根（48對(duì)）LVDS信號(hào)線。所以越來越多的顯示屏采用V-by-One接口作為驅(qū)動(dòng)接口。

2.2 超高清晰度電視接口

目前超高清電視主要采用HDMI1.4a和USB3.0接口。HDMI 1.4a最大視頻帶寬為340 MHz，最大視頻速率8.16 Gbit/s，HDMI 1.4a支持超高清的非壓縮格式包括3 840×2 160 p@24 Hz/25 Hz/30 Hz，也就是說目前通過HDMI接口傳輸?shù)某咔鍒D像格式只支持到30 Hz。HDMI 2.0版本預(yù)計(jì)于2013年底出臺(tái)，可支持更快的傳輸速度，每路速率達(dá)到6 Gbit/s，支持色彩深度為30 bit/36 bit/48 bit，可傳遞3 840×2 160a120 Hz視頻信號(hào)。

除HDMI接口外，還可采用USB接口，目前較多采用的是3.0版本。通過USB接口可以傳輸解碼H.264的4K圖像。USB 3.0接口的最大速率為4.8 Gbit/s,理論上可以支持3 840×2 160@24 Hz格式的視頻信號(hào)。

2.3 超高清晰度處理芯片

芯片是超高清電視實(shí)現(xiàn)真正超高清畫質(zhì)顯示的重要器件。芯片主要完成圖像解碼、圖像上變換和圖像顯示等功能。目前超高清電視基本采用雙芯片的處理模式，一個(gè)芯片負(fù)責(zé)圖像處理，一個(gè)芯片負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

如采用HDMI1.4a接口，最大幀頻只支持到30 Hz，而人眼感知畫面抖動(dòng)的最低頻率是50 Hz，也就是說，幀頻低于50 Hz的畫面，人眼可感覺到明顯的畫面抖動(dòng)。要改善這一現(xiàn)象，需要將幀頻上變換至60 Hz或120 Hz后顯示。幀頻上變換就需要使用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償芯片來實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)平板電視的倍頻功能類似，在兩幀圖像之間加插一幀運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償幀，將幀頻提升。

圖像處理芯片除完成圖像解碼功能外，還可以實(shí)現(xiàn)圖像格式上變換，即upscaler，將1 920×1 080格式的圖像通過運(yùn)算、估計(jì)，上變換至3 840×2 160進(jìn)行顯示。上變換技術(shù)有主芯片內(nèi)置和外掛處理芯片兩種實(shí)現(xiàn)方式。

目前，4K芯片方案已經(jīng)基本成熟，使超高清電視實(shí)現(xiàn)真正的超高清顯示成為可能。主流的芯片企業(yè)包括MTK、MSTAR、REALTEK等，國內(nèi)企業(yè)也在致力于4K芯片的開發(fā)。

2.4 運(yùn)行配置

超高清電視要處理4K畫面，數(shù)據(jù)率較高，而且目前大多電視都具備智能功能，所以電視還需要基本的運(yùn)行配置，以支持超高清圖像數(shù)據(jù)處理。運(yùn)行配置主要是指對(duì)CPU、GPU有一定的要求。CPU和GPU至少均應(yīng)為多核高性能。目前較多采用的是雙核CPU，雙核GPU，而GPU的顯存等效頻率和顯存位寬也很重要，例如顯存等效頻率采用1 800 MHz或1 600 MHz，顯存位寬采用32 bit或64 bit。

3 超高清電視的測(cè)量

超高清電視屬于新產(chǎn)品，與傳統(tǒng)電視相比差異主要在光學(xué)顯示性能，其他射頻接收性能、安全、電磁兼容和能效性能均應(yīng)滿足相應(yīng)的國家推薦性/強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

第一，光學(xué)顯示性能中的重要參數(shù)如亮度、亮度均勻性、色度均勻性、白平衡誤差、對(duì)比度、色域覆蓋率、可視角等的測(cè)量方法應(yīng)與高清電視差異不大，只是測(cè)量信號(hào)格式、測(cè)量接口和測(cè)量距離會(huì)有所不同。所以測(cè)量光學(xué)顯示性能時(shí)，信號(hào)應(yīng)采用3 840×2 160逐行格式；測(cè)試接口應(yīng)采用數(shù)字接口，如HDMI接口；依據(jù)ITU標(biāo)準(zhǔn)，建議超高清電視的觀看距離為屏幕高度的1.5倍，測(cè)試距離也應(yīng)與此規(guī)定一致。具體的測(cè)量步驟與SJ/T 11348—2006《數(shù)字電視平板顯示器測(cè)量方法》[3]的規(guī)定基本一致。

第二，清晰度是重要的技術(shù)參數(shù)。超高清電視通過HDMI接口接收數(shù)字信號(hào)，經(jīng)圖像處理、顯示后，水平/垂直清晰度均應(yīng)達(dá)到2160電視線。因?yàn)槟壳?K素材較少，很多素材都是將2K轉(zhuǎn)為4K圖像進(jìn)行顯示，處理后的圖像效果、清晰度的考量也很重要。

傳統(tǒng)復(fù)合測(cè)試圖中用楔形線評(píng)價(jià)清晰度的電視線數(shù)，超高清電視接收、處理和顯示的都是數(shù)字信號(hào)，采用楔形線評(píng)價(jià)清晰度是否合適，超高清電視的數(shù)據(jù)率是高清晰度電視的4倍，數(shù)據(jù)率越高，越能體現(xiàn)超高清電視的處理能力，而靜態(tài)畫面數(shù)據(jù)率較低，不能準(zhǔn)確考量超高清電視真正顯示的清晰程度。所以，超高清電視應(yīng)采用新的清晰度評(píng)價(jià)方式，特別是測(cè)量信號(hào)的內(nèi)容、要素等，正在進(jìn)行研究。

第三，由于4K面板良品率下降，面板的像素缺陷較高清面板有所增加。4K面板的像素更小、更細(xì)膩，人眼不易察覺單個(gè)像素的缺陷點(diǎn)。但如果缺陷點(diǎn)成片或成線后，會(huì)比較容易感知，測(cè)量時(shí)應(yīng)采用更精確的測(cè)量工具進(jìn)行確認(rèn)，比如采用放大鏡進(jìn)行觀看。

第四，目前，超高清電視接收信號(hào)為30 Hz逐行信號(hào)，通過運(yùn)動(dòng)估計(jì)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償以60 Hz或120 Hz畫面顯示，這樣會(huì)明顯改善畫面的抖動(dòng)和液晶電視的拖尾現(xiàn)象。但如果運(yùn)動(dòng)估計(jì)、補(bǔ)償算法做的不好的話，會(huì)明顯影響觀看效果，所以超高清電視應(yīng)增加對(duì)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量要求。測(cè)量響應(yīng)時(shí)間時(shí)應(yīng)采用可將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的測(cè)量設(shè)備。

響應(yīng)時(shí)間[3]的測(cè)量有兩種，包括黑白響應(yīng)時(shí)間和灰階響應(yīng)時(shí)間。黑白響應(yīng)時(shí)間是指超高清電視由暗變亮和由亮變暗的響應(yīng)過程，測(cè)試信號(hào)采用全白場(chǎng)信號(hào)和全黑場(chǎng)信號(hào)。如圖1所示，響應(yīng)時(shí)間取上升時(shí)間（t1到t2所需的時(shí)間）和下降時(shí)間（t3到t4所需的時(shí)間）之和。

圖1 黑白響應(yīng)時(shí)間

灰階響應(yīng)時(shí)間是指超高清電視在任意灰階信號(hào)之間變化時(shí)的響應(yīng)過程，測(cè)試信號(hào)采用不同灰度等級(jí)的信號(hào)，圖像電平范圍從0%到100%，步長根據(jù)測(cè)試需求選定。

[1] ITU-R BT.2020（08/2012），Parameter values for ultra-high defini?tion television systems for production and international program exchange[S].2012

[2]李桂苓，李彥，徐巖.超高清晰度電視[C]//立體電視與超高清晰度電視標(biāo)準(zhǔn)文集，北京：[出版者不詳]，2012：11.

[3]SJ/T 11348—2006，數(shù)字電視平板顯示器測(cè)量方法[S].2006.

UHDTV Technology Overview

WU Weihua,RUAN Weihong,XIE Yudi
（National Testing&Inspection Center for Radio&TV Products of China，Beijing 100015，China）

As the hot technology in 2013,UHDTV has many characteristics including high resolution,big screen and wide color gamut.On the basis of introducing the UHDTV system,the technical status and key technologies of UHDTV, are descr,bed in details such as interfaces,panel,chip and running configuration.And some advices of measurements such as definition,pixel defects and response time.

UHDTV；4K；measurement

TN948.1

A

??雨博

2013-09-09

【本文獻(xiàn)信息】吳蔚華，阮衛(wèi)泓，謝于迪.超高清晰度電視技術(shù)概述[J].電視技術(shù)，2014，38（8）.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61101059）