4K超高清電視技術(shù)特點(diǎn)研究

王東

【摘要】本文對(duì)4K超高清電視技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)進(jìn)行了探討，對(duì)4K超高清電視應(yīng)用的具體技術(shù)展開(kāi)了分析，應(yīng)用了視頻處理技術(shù)的4K超高清電視具有色域更廣、量化精度更高、幀率和動(dòng)態(tài)范圍更高的特點(diǎn)，應(yīng)用了音頻處理技術(shù)的4K超高清電視具備更加立體的音頻效果，4K超高清電視還應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和光纖傳輸技術(shù)使數(shù)據(jù)傳輸更加高效。

【關(guān)鍵詞】4K超高清;電視;技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.06..004

科技的發(fā)展使電視技術(shù)水平不斷提高，電視技術(shù)在清晰度上實(shí)現(xiàn)了從標(biāo)清到高清再到超高清的轉(zhuǎn)變，通過(guò)超高清電視技術(shù)使模擬電路發(fā)展成為數(shù)字電路，在超高清電視音視頻技術(shù)不斷升級(jí)優(yōu)化的過(guò)程中為超高清電視的畫(huà)面和音效帶來(lái)了更好的顯示效果，4K超高清技術(shù)涉及到各個(gè)方面的技術(shù)，需要通過(guò)全方面的研究來(lái)提高超高清電視技術(shù)的水平。

1. 4K超高清電視技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)

1.1 色域更廣、量化等級(jí)更高、音頻效果更好

首先，4K超高清電視具有色域更廣的優(yōu)點(diǎn)。色域指的是設(shè)備可以顯示的色彩空間，電視的色域是電視能夠顯示的全部色彩范圍，電視4K超高清電視的色彩空間范圍更廣。在CIE1931XYZ劃定的色彩空間的基礎(chǔ)上，高清電視的ITU-R BT.709色域僅能達(dá)到CIE1931的35.9%，但超高清電視BT.2020色域可以達(dá)到CIE1931的75.8%，4K超高清電視色域更廣的特點(diǎn)使圖像更具有真實(shí)感。其次，4K超高清電視具有量化精度更高的優(yōu)點(diǎn)。標(biāo)清電視和高清電視的量化精度為8bit，而4K超高清電視具備10bit的量化精度。更高的量化精度使電視具有更高的色深，也讓電視畫(huà)面更加平滑和精細(xì)。最后，4K超高清電視具有音頻效果更加立體和真實(shí)的優(yōu)點(diǎn)。標(biāo)清電視在左右聲道作用下的音頻為立體聲，高清電視的音頻則是5.1環(huán)繞聲，而超高清電視的音頻在5.1環(huán)繞聲的基礎(chǔ)上發(fā)明的音頻技術(shù)為5.1.4三維聲，比高清電視多了4個(gè)音箱，在播放音頻時(shí)更具有真實(shí)感和沉浸感。4K超高清音頻技術(shù)可以利用不同的聲音軌跡使聲音更加立體，通過(guò)立體的聲床和聲音軌跡讓人們聽(tīng)到不同方位發(fā)出的特定聲音。

1.2 具有更高的幀率

4K超高清電視具有幀率更高的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。最初的電視使用的掃描方法為隔行掃描法，隔行掃描就是將每一幀的畫(huà)面變?yōu)閮蓚€(gè)部分，先對(duì)畫(huà)面的奇數(shù)行進(jìn)行掃描，再對(duì)畫(huà)面的偶數(shù)行進(jìn)行掃描，然后將兩個(gè)部分匯合到接收端，形成一幀畫(huà)面。這種掃描方式存在較多的問(wèn)題，當(dāng)兩部分掃描出現(xiàn)同步的情況時(shí)，兩部分掃描的畫(huà)面內(nèi)容就會(huì)出現(xiàn)重合的情況。當(dāng)垂直運(yùn)動(dòng)的物體在掃描中出現(xiàn)的時(shí)間與在顯示屏中出現(xiàn)的時(shí)間相一致的時(shí)候，兩部分掃描的畫(huà)面就會(huì)相同，較低的幀率使電視圖像不夠清晰。高清電視對(duì)標(biāo)清電視有所改進(jìn)，使用了50i的格式，將幀率提高為50fps，但因?yàn)楦咔咫娨暿褂酶粜袙呙璧姆椒?，所以每部分?huà)面的數(shù)據(jù)僅僅是總畫(huà)面數(shù)據(jù)量的一半。4K超高清電視應(yīng)用了更為先進(jìn)的技術(shù)提高了電視畫(huà)面的幀率，顯示屏部件和芯片的制造以及編解碼等技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用滿足了4K超高清電視的分辨率對(duì)幀數(shù)的要求。4K超高清電視較高的幀率解決了高速運(yùn)動(dòng)物體在顯示畫(huà)面中的不連續(xù)和畫(huà)面跳躍等問(wèn)題，用逐行掃描的方式代替了隔行掃描的方法，使電視的畫(huà)面更為流暢和清晰。

1.3 具有更高的動(dòng)態(tài)范圍

高動(dòng)態(tài)范圍又叫作HDR，HDR的最小數(shù)量級(jí)為星光10-6，最高數(shù)量級(jí)為109的太陽(yáng)直射光，也就是說(shuō)在自然界環(huán)境中，所有物體的亮度范圍可以達(dá)到1015：1。通常人們?cè)谕撞徽{(diào)節(jié)的情況下可以看到的范圍是105：1。最初的電視只能顯示103：1的亮度范圍，這時(shí)的電視圖像的動(dòng)態(tài)范圍在0.1-100nit之間，這個(gè)動(dòng)態(tài)范圍值也可以叫做標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍，可用SDR表示。目前有部分電視雖然能夠顯示較高的亮度，但如果電視的信號(hào)源未使用HDR技術(shù)，同樣不具有HDR的顯示效果。人們觀看電視時(shí)能觀測(cè)到的亮度范圍非常有限，實(shí)際上電視的亮度范圍比自然環(huán)境中的范圍要小得多。例如，當(dāng)自然環(huán)境的亮度較暗時(shí)，很有可能在電視圖像上顯示一片漆黑，而自然環(huán)境的亮度較高時(shí)，也有可能在電視屏幕上出現(xiàn)一片白光。為了解決電視畫(huà)面中的暗度較低和曝光嚴(yán)重等問(wèn)題，HDR技術(shù)對(duì)自然環(huán)境中的物體進(jìn)行了全面的采集，使電視畫(huà)面的亮度范圍從原來(lái)的103：1擴(kuò)大為105：1，盡可能在電視畫(huà)面中顯示出更暗和更亮的自然環(huán)境場(chǎng)景。4K超高清電視通過(guò)HDR技術(shù)的應(yīng)用使畫(huà)面具有更高的動(dòng)態(tài)范圍，人們?cè)谟^看電視的過(guò)程中會(huì)看到更加明亮的畫(huà)面。

2. 4K超高清電視技術(shù)分析

2.1 4K超高清電視的視頻處理技術(shù)分析

4K超高清電視與2K電視相比具有更高的分辨率，4K超高清電視對(duì)分辨率的要求和規(guī)定為3840×2160，使用逐行掃描的方式使電視畫(huà)面幀率可達(dá)到50幀/秒，超高清電視的量化數(shù)值需要達(dá)到10bit，根據(jù)4K超高清電視對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的基本要求和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量進(jìn)行計(jì)算，可以得出在未經(jīng)壓縮情況下每秒鐘的傳輸數(shù)據(jù)量為4.15Gbps。龐大的傳輸數(shù)據(jù)量對(duì)視頻處理技術(shù)提出了更高的要求，需要壓縮4K超高清電視的信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行編碼處理。在視頻壓縮編碼技術(shù)的應(yīng)用中，成功將H.264編碼升級(jí)為H.265編碼，擴(kuò)大了電視圖像的壓縮比，通過(guò)更強(qiáng)的壓縮將傳輸數(shù)據(jù)量降低到了25Mbps。為了滿足高分辨率的要求，4K電視在應(yīng)用視頻編碼技術(shù)的時(shí)候需要不斷提高技術(shù)水平。根據(jù)4K超高清電視的發(fā)展需求，需要將電視的運(yùn)行信號(hào)速度保持在16Gb/s。當(dāng)前的超高清電視視頻編碼技術(shù)應(yīng)滿足傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，保證電視畫(huà)面更加高清。4K超高清電視在發(fā)展中逐漸應(yīng)用了新一代的HEVC技術(shù)，HEVC視頻編碼技術(shù)的基礎(chǔ)性技術(shù)為H.264/AVC技術(shù)，新型的技術(shù)使視頻結(jié)構(gòu)更加靈活，確保各個(gè)框架里的各部分內(nèi)容都可以在范圍內(nèi)進(jìn)行。保證各個(gè)小組具備更高的預(yù)測(cè)能力和變換的能力。4K超高清電視對(duì)HEVC視頻壓縮技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了圖像壓縮和編碼技術(shù)的發(fā)展，為超高清電視的應(yīng)用帶來(lái)了巨大的發(fā)展價(jià)值。

2.2 4K超高清電視的音頻處理技術(shù)分析

4K超高清電視在應(yīng)用音頻處理技術(shù)對(duì)三維空間的聲音進(jìn)行立體化處理的時(shí)候，能夠形成三層換聲場(chǎng)，還會(huì)在最下面一層的兩邊區(qū)域額外添加兩個(gè)低音聲道，構(gòu)成22.2的電視音頻聲音環(huán)繞系統(tǒng)。22.2自然聲環(huán)繞系統(tǒng)和7.1聲道系統(tǒng)在應(yīng)用中的不同之處在于，22.2系統(tǒng)可以播放出三維立體化的環(huán)繞聲音，使電視的聲音更加真實(shí)和立體，帶給人們強(qiáng)烈的聽(tīng)覺(jué)沖擊。音頻數(shù)據(jù)率的處理技術(shù)可以保證4K超高清電視音頻系統(tǒng)中單獨(dú)一個(gè)聲道的音頻數(shù)據(jù)率達(dá)到48kb/s。如果根據(jù)24bit的量化精度進(jìn)行處理，電視音頻的數(shù)據(jù)率會(huì)提高為28Mb/s左右，利用音頻壓縮技術(shù)對(duì)音頻數(shù)據(jù)率進(jìn)行壓縮，可以使音頻數(shù)據(jù)率超過(guò)2.8Mb/s。4K超高清電視的音頻處理技術(shù)對(duì)Dolby和DTS進(jìn)行了研發(fā)和試用，該技術(shù)是一種多聲道環(huán)繞聲立體技術(shù)，但在應(yīng)用的過(guò)程中可能會(huì)使某些性能無(wú)法達(dá)到預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)。在研發(fā)MPEG環(huán)繞系統(tǒng)的時(shí)候要保證系統(tǒng)的兼容性，使單聲道系統(tǒng)和立體聲具有更好的音頻效果。在對(duì)超高清電視音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意聲道和聲音的關(guān)系，盡可能避免多聲道音頻出現(xiàn)問(wèn)題，最大程度提高超高清電視的聲音效果。

2.3 4K超高清電視的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)分析

信息技術(shù)在4K超高清電視的發(fā)展中起到了非常重要的作用，信息技術(shù)可以為4K超高清電視的網(wǎng)絡(luò)傳輸提供技術(shù)支撐，利用電信寬帶的優(yōu)勢(shì)支持4K超高清電視的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的應(yīng)用和光纖到家的方式在電視中形成各種各樣的交互方式，不同用戶(hù)只需要通過(guò)交互式網(wǎng)絡(luò)就能夠看到各類(lèi)的交互式服務(wù)。4K超高清電視在應(yīng)用IPTE的時(shí)候融合了通訊和多媒體等技術(shù)手段，用戶(hù)只需要通過(guò)機(jī)頂盒就可以接收到相應(yīng)的電視節(jié)目。網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)能夠讓超高清電視在同一時(shí)間進(jìn)行視頻和提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，用戶(hù)可以通過(guò)該技術(shù)在在電視中實(shí)現(xiàn)交易、點(diǎn)播和游戲，滿足用戶(hù)的各方面需求。在具體應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的時(shí)候需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)寬帶和調(diào)制方法進(jìn)行分析和計(jì)算。各個(gè)網(wǎng)絡(luò)因其容量和數(shù)據(jù)量的不同會(huì)形成不同的編碼方法和編碼率。4K超高清電視視頻會(huì)擴(kuò)大視頻的碼率和需要使用的寬帶種類(lèi)，提高工作人員編輯量，通過(guò)更高級(jí)的編輯方式和數(shù)據(jù)壓縮鎖率提高傳輸?shù)乃俣?。在超高清電視網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用中要充分重視網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量，對(duì)超高清電視信號(hào)傳輸質(zhì)量中的信號(hào)電平、誤差率和誤碼率進(jìn)行調(diào)整和控制，可以嘗試使用256QAM的調(diào)制方法來(lái)提高數(shù)據(jù)容量和接收端的信號(hào)質(zhì)量。

2.4 4K超高清電視的光纖傳輸技術(shù)分析

信息技術(shù)在4K超高清電視傳輸技術(shù)中的應(yīng)用還體現(xiàn)在光纖傳輸技術(shù)上，不同的電視用戶(hù)對(duì)超高清電視的功能和使用有著不同的需要，可以通過(guò)安裝帶有一定限制作用的網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒來(lái)滿足各個(gè)用戶(hù)對(duì)超高清電視的需求。傳輸超高清有線信號(hào)最重要的方法就是光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸，光纖傳輸是一種非常好的傳輸手段，在4K超高清電視中應(yīng)用光纖網(wǎng)絡(luò)能夠獲得更大的信號(hào)數(shù)據(jù)容量。超高清電視的光纖傳播具有更寬的頻帶范圍，與其他的傳輸方式相比，光纖傳輸具有更高的傳播效率。光纖傳輸在超高清電視傳輸中是一種圖像和傳播介質(zhì)，能通過(guò)光纖來(lái)傳輸電視圖像的信號(hào)，讓電視傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更加穩(wěn)定、有序和科學(xué)，利用光纖傳輸讓超高清電視的信息數(shù)據(jù)更加真實(shí)。目前，超高清電視光纖傳輸中的一路光纖具有較高的優(yōu)勢(shì)，能夠有效保證幾路和幾十路光纖的視頻數(shù)據(jù)在沒(méi)有壓縮機(jī)的情況下的數(shù)據(jù)傳輸效果，所以要加強(qiáng)研究和提高光纖傳輸技術(shù)的傳輸效果和傳輸應(yīng)用，保證一路單模光纖里的所有線路都能夠?qū)崿F(xiàn)有效的傳輸，保證超高清電視中的數(shù)據(jù)信號(hào)在沒(méi)有壓縮的情況下完成傳輸。4K超高清圖像的帶寬約為普通高清電視帶寬的4倍，具有較高的傳輸成本，在應(yīng)用光纖傳輸技術(shù)的時(shí)候要調(diào)整電視的壓縮率，使4K超高清電視的編碼在光纖傳輸?shù)淖饔孟赂痈咝Ш涂焖佟?/p>

3. 結(jié)論

在4K超高清技術(shù)的改進(jìn)和應(yīng)用中，用戶(hù)可以獲得更加優(yōu)質(zhì)和多樣化的服務(wù)，編碼技術(shù)在超高清電視音視頻中的應(yīng)用使電視需要處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越少，傳輸技術(shù)在超高清電視信號(hào)傳輸中的應(yīng)用使電視編碼具備更高的傳輸速度，4K超高清電視技術(shù)在發(fā)展中受到成本、資源、技術(shù)、政策的影響，需要在各個(gè)方面進(jìn)行完善以促進(jìn)4K超高清電視的發(fā)展。

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