超高清數字電視關鍵技術探討

蔣海炎

【摘要】伴隨著社會的進步和經濟的發(fā)展，超高清數字電視成為當前發(fā)展的主要趨勢，有利于為用戶提供更加優(yōu)質和清晰的畫面。在如今的電視行業(yè)中，超高清數字電視憑借其優(yōu)質畫質，展現出了無比尋常的發(fā)展?jié)摿?，且在競爭激烈的市場中具有較好的發(fā)展前景。鑒于此，本文簡要概述了超高清數字電視，并就其關鍵技術進行了詳細介紹，最后分析了4K超高清數字頻道的發(fā)展情況，具體如下。

【關鍵詞】超高清;數字電視;關鍵技術

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2020.22.006

4K這一概念于2004年被首次提出，2012年國際電信聯(lián)盟發(fā)布了超高清電視國際標準ITU-RBT.2020，自此宣示了超高清的問世。近年來，國內外均推出了尺寸不同的超高清電視，在這一行業(yè)的發(fā)展過程中極具熱門。相比于高清電視，超高清電視更易于給用戶一種更加清晰和逼真的畫面，且增強觀眾的體驗感，滿足其視覺感受，較好的彌補了大屏幕電視的不足之處。為了深入了解超高清電視，增強其普遍適用性，完善其功能和不足之處，還需加強研究超高清電視的核心技術，本文為此作了具體介紹，以供參考。

1. 超高清電視概述

超高清電視是由NHK公司最先提出的，它作為一種改良的數字電視技術，旨在為用戶提供一種優(yōu)質的電視圖像，國外多個國家對其展開了研究和探索。結合超高清數字電視涉及到的技術參數，可將其定義為：具有120Hz的幀頻，3840×2160（4K）或7680×4320（8K）分辨率的一種數字電視技術。結合主觀視聽感受，可將其定義為作為一種數字電視技術，可確保觀眾在視頻圖像方面能得到較寬的觀賞角度、較高的像素，在視聽感受方面能得到豐富多彩、逼真的圖像及豐富的聲音。

相比于高清電視及標清電視，超高清電視具有相對較高的分辨率。例如當像素密度相同時，4K超高清電視比高清電視的可視面積多3倍，比標清電視多19倍。另外，不同于標清電視與高清電視，超高清電視在實際應用中還涉及到了一些關鍵性技術，具體如下。

2. 超高清數字電視關鍵技術分析

2.1 超高清電視視頻處理

例如4：4：4采樣，4K和8K模式的超高清數字電視信號圖像分別具有6Gbit/s和24Gbit/s的原始數據率。采取4：2：2采樣，4K模式的原始數據率為4Gbit/s，8K模式的原始數據率為16Gbit/s。為了提升對大數據量的傳送，還需進一步研究，創(chuàng)建出新型的壓縮編碼方式。2010年，ISO/IEC活動圖像專家組（MPEG）聯(lián)合ITU-T視頻編碼專家組，共同創(chuàng)建了視頻編碼聯(lián)合小組，以此來開發(fā)出一種更加高效和正規(guī)的視頻編碼標準（HEVC）。標準指出，相比于H.254高檔次，確保其計算復雜程度大致相同，主觀圖像質量也基本一致的基礎上，降低其碼率（bitrate），使其下降50%。ITU-T視頻編碼專家組認為，隨著復雜度的升高，碼率還可繼續(xù)下降到25%左右。

與H.264混合編碼相比，HEVC所使用的編碼技術與其具有相似的編碼結構。HEVC則是下一代數字電視圖像壓縮編碼的發(fā)展標準，覆蓋率涵蓋了標清、高清和超高清，并結合噪聲的色域、電平及動態(tài)范圍等，對圖像質量進行改觀。作為H.264的下一代標準，HEVC又被稱為“H.265”。聯(lián)合視頻編碼小組計劃表明，將在之后的幾年，分別完成HEVC的標準草案、國際標準草案及國際標準最終版等。

倘若將頒布于1995年的MPEG-2標準作為第一代信源壓縮編碼標準，2003年的H.264作為第二代標準，HEVC最為第三代編碼壓縮標準，可知相比于第一代，第二代視頻編碼標準降低了50%。而相比于H.264，HEVC降低的碼率則不小于50%。由此可知，針對超高清視頻，采取H.264標準，壓縮的碼率不大于40Mbit/s，而采取HEVC標準，則可將其壓縮至20Mbit/s以內。

2.2 超高清電視音頻處理

超高清22聲道在頂層、中間層和底層，分別安排了9個、10個和3個聲道。完整的空間立體聲共包含3個環(huán)繞聲場（上、中、下）。將2個低音聲道，增加至該3層環(huán)聲場的下層兩側，可得到22.2環(huán)繞聲系統(tǒng)。相比于7.1聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)，其具有三維化的聲場，聲音更加真實，且更易于帶給人一種感官上的享受。此外，22.2聲道的音頻數據率同樣較大，例如以48kb/s，24bit采樣，其音頻數據率為28Mb/s，經音頻壓縮后，具有大于2.8Mb/s的數據率。當前，關于多聲道立體環(huán)繞聲技術及系統(tǒng)的開發(fā)較多，MPEG也對此制定了相應標準。22.2聲道播出系統(tǒng)在家用方面，并不具備完全適用的聲道布置。為此，MPEG在環(huán)繞聲標準SAC的制定方面，需將后向兼容考慮在內，即可對現有的立體聲或單聲道系統(tǒng)進行兼容或者更新。SAC在編碼時采取下混處理，可將多聲道音頻本身的傳輸數據率降低，該方式通過對音頻空間信息數據增加的方式，來提升現有音頻系統(tǒng)的播放情況。

2.3 超高清電視顯示

為了真正實現超高清電視的相應功能，還需確保其可對信號進行接收、處理等。

第一，4K超高清面板的分辨力需為3840×2160。當前國內外一些主流面板集團均可達到，而面板則包含兩種類型，即VA軟屏和IPS硬屏。超高清電視需借助大屏幕顯示，因此，其對固有分辨力具有相對較高的要求，面板尺寸為55～65in。

第二，驅動接口。驅動接口的刷新率和傳輸速率，可影響到顯示屏的顯示情況。當前，LVDS和V-by-one是兩種常用的驅動接口。其中，LVDS的接口形式依據低壓差分信號技術，可支持1.05Gb的數據傳輸速率;V-by-one支持240Hz的刷新頻率和3.75Gb的數據傳輸速率。在使用LVDS處理240HZ、30bit的色彩時，耗費的LVDS信號線為48對。因此，大都采取V-by-one驅動接口，從而達到節(jié)省資源的目的。

第三，芯片。芯片在超高清畫質中非常重要。它具有圖像解碼、編碼及顯示等功能。當前階段，超高清電視采取的運行方式為雙芯片，其中一個芯片可用于處理圖像，另一個則需完成運動補償操作。依據圖像解碼功能，圖像處理芯片可隨意交換各種圖像的格式，并圍繞1920×1080格式的圖像，對其在進行運算的基礎上，轉換其格式為3840×2160。上變換技術使用的方式包含兩種，即主芯片內置和處理芯片挖外掛。當前MTK、MSTAR等為芯片技術相對較高的企業(yè)。

3. 4K超高清頻道發(fā)展概述

伴隨著超高清電視終端的使用和發(fā)展，超高清傳輸測試的成功，一些國家加強了對4K超高清試驗頻道的研究。

2014年4月，U-max作為全國首個超高清有線電視頻道，于韓國上線，并播放了多達100個超高清節(jié)目內容，包含動畫、體育賽事、紀錄片等。且于2016年在超高清內容制作方面，投入了400億。同年的6月份，韓國的KT SKYlife公司又相繼推出SkyUHD4K超高清頻道，傳輸格式為H.265。2014年6月，日本在CS衛(wèi)星電視對4K節(jié)目進行了試播，并在2016年展開對BS衛(wèi)星電視4K節(jié)目的試播。此外，日本還提出了第一個4K電視頻道Hikari TV，并為4K視頻提供VoD服務，在商用4K/60p VOD方面，為世界之首。在2014年12月，美國有線運營商DirecTV發(fā)射了4K衛(wèi)星，其信號覆蓋的面積相對較廣。該衛(wèi)星使用的波段為Ka，信號為“反向”DBS，傳輸格式為4K，用于播放電影或者紀錄片等。

在有線5G雙超網的基礎上，中國創(chuàng)建了大連天途有限超高清頻道，其作為首個有線4K超高清頻道，于2014年8月至9月進行了試播。有線5G雙超網的前端載體為云業(yè)務平臺，傳輸渠道為光纖，入戶方式為光纖同軸復合纜，具有大于5G的廣播推送寬帶，可傳輸更加高清和廣泛的信號。期間主要對紀錄片、超高清電視等內容進行了試播。

4. 結語

綜上，當前超高清電視在國內外均得到了廣泛關注，且取得了較為顯著的研究成果。然而，相比于一些先進國家，我國在建設和發(fā)展超高清數字電視方面，仍具有較大的差距，縱觀當前，雖然超高清試驗頻道已取得了一定進展，但其還未取得廣泛應用。為此，國家需加大對財力和人力的投入，為我國的專家學者提供外出交流和學習的機會，并設置專項開發(fā)和研究資金，鼓勵學者打破局限，開拓進取，積極創(chuàng)新。此外，還需加強對超高清數字電視關鍵技術的研究，從而在視頻、音頻和圖像顯示幾方面，全面了解超高清數字電視，使其更具智能化和現代化。

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