UHDTV技術(shù)初探及應(yīng)用前景展望

李尹

摘 要：本文首先詳細(xì)描述了UHDTV電視的研制工作以及在UHDTV技術(shù)中運(yùn)用到視頻采集、編解碼、壓縮、傳輸和存儲(chǔ)等主要及相關(guān)方面的前沿技術(shù)，然后通過UHDTV在現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)用實(shí)例來探討這樣一個(gè)新技術(shù)在未來的發(fā)展前景以及剛剛迎來高清革命的電視行業(yè)在未來UHDTV時(shí)代的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：UHDTV；超高清電視；信道容量；編碼壓縮；分辨率

中央電視臺(tái)高清影視頻道是國(guó)內(nèi)第一個(gè)現(xiàn)實(shí)意義上的高清頻道，它始于2005年9月1日。如果以此時(shí)間點(diǎn)為中國(guó)高清頻道的起點(diǎn)，那么高清頻道在中國(guó)發(fā)展至今已經(jīng)有近九年了。這九年是高清電視在中國(guó)迅速普迅速發(fā)展的九年，截至2012年底，國(guó)內(nèi)已有高清頻道28路（不包括港澳地區(qū)），其運(yùn)營(yíng)者主要是中央電視臺(tái)及各省級(jí)電視臺(tái)，另外當(dāng)時(shí)武漢電視臺(tái)是唯一擁有高清頻道的地方電視臺(tái)。然而就在我們剛開始享受高清電視技術(shù)給我們帶來的不同體驗(yàn)時(shí)，UHDTV已經(jīng)慢慢進(jìn)入了我們的生活。

1 UHDTV技術(shù)概況

UHDTV（Ultra High Definition Television），即超高清電視，是HDTV的下一代技術(shù)，它由國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）擬定，包括4K（3840×2160）和8K（7680×4320）兩種標(biāo)準(zhǔn)，比起現(xiàn)有的HDTV標(biāo)準(zhǔn)，它主要在像素?cái)?shù)上提出了更高的要求。

說到UHDTV，就不得不提NHK（日本放送協(xié)會(huì)），它在SHV（其8K標(biāo)準(zhǔn)UHDTV被命名為SHV）上的發(fā)展經(jīng)歷基本可以代表UHDTV的發(fā)展歷史。不能不說NHK在UHDTV發(fā)展方面的眼光是極具前瞻性的，早在2004年，NHK就開始利用3840×2160的視頻采集設(shè)備來嘗試處理7680×4320的素材，但是受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，NHK并未取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。2006年，NHK正式立項(xiàng)開發(fā)7680×4320視頻采集設(shè)備，并在兩年后取得突破性進(jìn)展，制造出了第一種可實(shí)用的7680×4320攝像機(jī)雛形。在隨后的2009年，NHK利用KIZUNA寬帶互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星完成了對(duì)多頻道SHV實(shí)況轉(zhuǎn)播的測(cè)試。SHV攝像機(jī)以及由NHK開發(fā)的22.2聲道音頻采集陣列被安裝在札幌電視臺(tái)觀景臺(tái)上，在札幌90米的空中。SHV視音頻信號(hào)在札幌播送站被壓縮，編碼為一個(gè)100Mps碼率的信號(hào)并通過IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到鹿島空間研究中心的鏈接站。在這個(gè)鏈接站，一路實(shí)況轉(zhuǎn)播信號(hào)和兩路預(yù)壓縮編碼的100Mps SHV節(jié)目被嵌合成一路300Mps的信道，復(fù)用信號(hào)通過札幌衛(wèi)星發(fā)送到NHK STRL。在那里，實(shí)驗(yàn)人員在一個(gè)小型劇院里完成了節(jié)目的回放。整個(gè)傳輸過程沒有出現(xiàn)明顯的問題，而且驗(yàn)證了SHV信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間自由傳輸是可行的。這是第一次通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)SHV實(shí)況轉(zhuǎn)播，也驗(yàn)證了地面IP網(wǎng)絡(luò)通過衛(wèi)星中繼是可行的。

2 UHDTV的技術(shù)發(fā)展

NHK無(wú)疑是UHDTV標(biāo)準(zhǔn)制定、設(shè)備研發(fā)上的先鋒軍，其不懈努力的結(jié)果就是今天我們已經(jīng)可以在市面上看到實(shí)用化的UHDTV產(chǎn)品，雖然它們價(jià)格高昂，但隨著生產(chǎn)技術(shù)愈發(fā)成熟，UHDTV成為主流技術(shù)需要的只是時(shí)間。

UHDTV體系包括與之對(duì)應(yīng)的高清采集、編解碼、壓縮、傳輸、存儲(chǔ)和應(yīng)用終端幾個(gè)子項(xiàng)，下面筆者將就已有的資料來窺探一下UHDTV技術(shù)。

ITU早在2006年就在ITU-R BT.1769建議書中對(duì)UHDTV的圖像格式進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。需要注意的是ITU將UHDTV表述為L(zhǎng)SDI（Large Screen Digital Imagery），而NHK的UHDTV被稱作SHV（Super Hi-Vision），在07年通過的SMPTE2036號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中，最終明確了UHDTV為超高清晰度電視的標(biāo)準(zhǔn)名稱，為了表述方便，下文中筆者也統(tǒng)一使用UHDTV這一技術(shù)名稱。

UHDTV作為一種圖像技術(shù)，圖像采集無(wú)疑是重中之重，現(xiàn)代圖像采集技術(shù)歸根結(jié)底就是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，從這個(gè)角度出發(fā)，UHDTV圖像采集與現(xiàn)有的HDTV圖像采集有什么不同呢？對(duì)比HDTV與UHDTV在ITU建議中的相關(guān)文件，我們發(fā)現(xiàn)二者在幀頻、取樣格式、取樣順序、取樣結(jié)構(gòu)、圖像結(jié)構(gòu)、色度標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)上基本是一致的，而二者區(qū)別主要體現(xiàn)在分辨率、像素寬高比（標(biāo)清和高清為15：16，而超高清為1：1）。由這兩個(gè)區(qū)別可以看出UHDTV圖像采集相比HDTV圖像采集需要解決的關(guān)鍵問題是提高圖像采集分辨率。更高的分辨率意味著我們需要更精致的光電轉(zhuǎn)換陣列，解決這一問題依賴的是材料科學(xué)和制造技術(shù)。

實(shí)際對(duì)比HDTV與UHDTV標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，二者的每像素比特位數(shù)也是不同的，前者為每像素8位或10位，而后者為每像素10位或12位。之所以沒有重點(diǎn)提及這一問題是因?yàn)閁HDTV的量化編碼過程與HDTV同樣為PCM（脈碼調(diào)制），以現(xiàn)有的技術(shù)條件二者在軟硬件過渡方面并不存在難點(diǎn)。

在這里我們不妨做一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)題：

7680×4320×12bit×25=9953280000bit≈1187MB

這就是傳輸一秒8K標(biāo)準(zhǔn)UHDTV無(wú)損信號(hào)所需要的帶寬，這一數(shù)據(jù)，即使以2009年NHK使用的百兆信道標(biāo)準(zhǔn)來看也是不可承受的。

那么我們?nèi)绾卫糜邢薜男诺蕾Y源實(shí)現(xiàn)UHDTV信號(hào)傳輸呢？方案有兩種，一是擴(kuò)展信道容量，二是進(jìn)行編碼壓縮。

方案一，擴(kuò)展信道容量。利用窄帶信道傳輸寬帶信號(hào)最簡(jiǎn)單直接的解決方案就是物理堆疊，這里筆者提出一個(gè)基于IP網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)簡(jiǎn)單的模型，從網(wǎng)絡(luò)接口層來看，HDTV與UHDTV在量化編碼后的數(shù)據(jù)形式都是二進(jìn)制編碼，因此其傳輸媒介無(wú)需做出調(diào)整。當(dāng)然問題并沒有就此解決，物理堆疊原理上是一種并行傳輸模式，既然是并行傳輸模式，實(shí)現(xiàn)這個(gè)模型就必須解決數(shù)據(jù)拆分、數(shù)據(jù)重組和數(shù)據(jù)同步的問題。網(wǎng)絡(luò)接口層是不具備拆分?jǐn)?shù)據(jù)的功能的，即使在其之上的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層也只能保證數(shù)據(jù)傳輸過程的穩(wěn)定。因此這個(gè)數(shù)據(jù)切分的任務(wù)必須在應(yīng)用層來實(shí)現(xiàn)，必須有這么一個(gè)軟件模型，其分為發(fā)送與接收兩個(gè)模塊，在發(fā)送模塊，UHDTV數(shù)據(jù)被拆分為可以在已有傳輸媒介上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊會(huì)在拆分的同時(shí)加上同步標(biāo)記，之后數(shù)據(jù)塊被分別送到堆疊的媒介端口傳輸。在數(shù)據(jù)抵達(dá)接收方的堆疊端口后，數(shù)據(jù)塊在接受模塊被重組成完整的UHDTV數(shù)據(jù)。前面筆者提到了數(shù)據(jù)塊上必須添加同步標(biāo)記，這是因?yàn)槿绱蠹宜?，網(wǎng)絡(luò)傳輸并不是完全可靠的，任何傳輸過程中的錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致延遲，而屬于同一數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊如果不能在同一時(shí)間抵達(dá)接收方，那么必然導(dǎo)致屬于不同數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊的沖突，因此我們引入同步標(biāo)記，這樣就可以在應(yīng)用層通過校驗(yàn)同步標(biāo)記來保證數(shù)據(jù)塊組合的正確性。另外，為實(shí)現(xiàn)這種同步，傳輸質(zhì)量策略也必須被引入，每個(gè)數(shù)據(jù)有自己的傳輸時(shí)間，通常稱之為窗口，如果相應(yīng)數(shù)據(jù)不能在自己的窗口時(shí)間內(nèi)抵達(dá)目的端口，傳輸質(zhì)量策略會(huì)在必要時(shí)強(qiáng)制丟棄超時(shí)的數(shù)據(jù)，避免前后數(shù)據(jù)間的干涉現(xiàn)象發(fā)生，而對(duì)于未超過窗口時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，可以要求數(shù)據(jù)重傳。

方案二是建立在視頻壓縮和音頻壓縮技術(shù)基礎(chǔ)上的，換言之，也就是從軟件算法層面來降低UHDTV的碼率。因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)編碼后都是硬件無(wú)關(guān)的，所以即使使用目前的主流壓縮算法（如H.264 MPEG），壓縮UHDTV數(shù)據(jù)也是沒有問題的。當(dāng)然，通過優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)更低的帶寬占用和更小的失真是必要的。MPEG標(biāo)準(zhǔn)和H.265無(wú)疑都會(huì)是UHDTV壓縮技術(shù)的優(yōu)先選擇，需要注意的是MPEG標(biāo)準(zhǔn)還涉及音頻編碼，而H.265僅僅涉及視頻編碼。

最后筆者還是得提到，即使是方案一，數(shù)據(jù)傳輸前的預(yù)壓縮也是必須的，可以預(yù)見如果單純利用物理堆疊傳輸來非壓縮數(shù)據(jù)帶來的成本增加必然會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直接購(gòu)買UHDTV傳輸設(shè)備的花費(fèi)。

由于數(shù)字信息的硬件無(wú)關(guān)性，UHDTV在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層面與普通的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并無(wú)差別，當(dāng)今主流的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)已足以達(dá)到UHDTV數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求。當(dāng)然，我們需為之建立更大的存儲(chǔ)器規(guī)模以及更高速的數(shù)據(jù)總線。另外，目前尚沒有專為UHDTV開發(fā)的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，光存儲(chǔ)設(shè)備已不能達(dá)到其存儲(chǔ)要求，在未來基于網(wǎng)絡(luò)的云存儲(chǔ)和基于固態(tài)存儲(chǔ)器的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備可能會(huì)是UHDTV移動(dòng)存儲(chǔ)的優(yōu)先選擇方案。

3 應(yīng)用前景

任何技術(shù)理論只有投入到生產(chǎn)生活應(yīng)用中才具有實(shí)際價(jià)值，那么UHDTV會(huì)在何時(shí)以什么樣的方式成為我們生活中的實(shí)用技術(shù)呢？在2012年的倫敦奧運(yùn)會(huì)上，我們已經(jīng)看到了日本NHK展示了使用這一超高清標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比賽進(jìn)行轉(zhuǎn)播而得到的效果，其每秒60幀的畫面，讓觀眾如同身臨其境，就像透過窗戶看風(fēng)景一樣過癮。當(dāng)然這個(gè)發(fā)展多年的技術(shù)趨勢(shì)并沒有到全力沖刺的階段，但這樣的新興技術(shù)將為我們帶來的超高分辨率視頻，也就是擁有比目前現(xiàn)行的1080p HDTV高四倍的像素的視頻，已經(jīng)在2013年國(guó)際消費(fèi)性電子展上（CES）成為了被炒作的話題。2013年的國(guó)際消費(fèi)性電子展（CES）呈現(xiàn)出了三個(gè)迎合超高分辨率電視（UHDTV）的電視技術(shù)趨勢(shì)：一是迎合超高分辨率影像的更高品質(zhì)音頻；二是改善智能電視功能導(dǎo)航的語(yǔ)音與視覺技術(shù)演進(jìn)；三是可望實(shí)現(xiàn)Gigabit等級(jí)家庭網(wǎng)絡(luò)的802.11ac無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。在展會(huì)上，Chips&Media宣布推出業(yè)界首款支持超高清分辨率的硬件HEVC（高效的視頻編碼）解碼器IP核。該解碼器主要是針對(duì)各種從智能手機(jī)到UHDTV/UHD機(jī)頂盒等高端設(shè)備的4K視頻播放，并預(yù)計(jì)能為8K UHDTV提供更高分辨率的視頻內(nèi)容。同時(shí)三星也在展會(huì)上展出一款全新的支持超高清分辨率的85英寸屏幕，這款電視也為三星贏得了2013年國(guó)際消費(fèi)電子展創(chuàng)新獎(jiǎng)。

各大廠商的支持，周邊技術(shù)的發(fā)展無(wú)疑讓我們看到了UHDTV在未來的美好前景。當(dāng)然美好的前景只是一部分，我們還應(yīng)該看到現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)電視行業(yè)的現(xiàn)狀。

從電視服務(wù)提供商角度看，國(guó)內(nèi)各大省級(jí)電視臺(tái)也只是剛剛完成了其主要頻道（如各省衛(wèi)視）從標(biāo)清電視向高清電視的過渡。而多數(shù)地方電視臺(tái)還沒有自己的高清頻道。也就是說，在今后一段時(shí)間內(nèi)，HDTV在國(guó)內(nèi)都將處于普及發(fā)展的階段，各電視臺(tái)的主要發(fā)展目標(biāo)依然是提高高清播出率，完成已有標(biāo)清頻道向高清頻道的過渡，此時(shí)再次升級(jí)設(shè)備明顯增大了投資風(fēng)險(xiǎn)，后期帶來的使用維護(hù)費(fèi)用也會(huì)更高，而其帶來的效益短時(shí)間內(nèi)會(huì)相當(dāng)有限。因此各臺(tái)在短期內(nèi)不大可能選擇更新設(shè)備向UHDTV過渡。

從服務(wù)對(duì)象來看，一方面，受制于產(chǎn)能和市場(chǎng)定位，UHDTV終端設(shè)備價(jià)格居高不下，例如LG電子在2012年10月發(fā)售第一款84寸的大屏幕LED背光4K液晶電視，售價(jià)就高達(dá)19999美元。相比較而言，HDTV終端的價(jià)格更為親民一些，也是目前市場(chǎng)的主流。另一方面，國(guó)內(nèi)暫時(shí)沒有對(duì)公眾開放的UHDTV頻道，即使購(gòu)買了UHDTV終端設(shè)備的用戶也只能通過其它有限的渠道獲得UHDTV體驗(yàn)，這決定了其只會(huì)是部分UHDTV發(fā)燒者的奢侈玩具。

那么是不是現(xiàn)在的市場(chǎng)環(huán)境就完全沒有UHDTV生存的空間呢？顯然答案是否定的。只要找準(zhǔn)UHDTV的定位，它在現(xiàn)今的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也是可以有其一片細(xì)分市場(chǎng)的。

我們必須認(rèn)識(shí)到雖然UHDTV設(shè)備價(jià)格高昂，但是性能卓越，將UHDTV應(yīng)用于家庭娛樂可說是大材小用，廣告、大型秀場(chǎng)、大型體育賽事等領(lǐng)域因需要更高的清晰度而使其有著廣闊的市場(chǎng)空間。

結(jié)合上面的事實(shí)以及分析，我們不難看出，UHDTV是未來電視發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。在技術(shù)飛速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求日益提高的今天，更為先進(jìn)的UHDTV無(wú)疑會(huì)對(duì)未來電視產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，同時(shí)在高清電視技術(shù)逐漸普及的之后，UHDTV也會(huì)離我們的生活越來越近。