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4K、8K知多少:详解超高清电视关键技术与发展趋势
来源:微头条【wtoutiao.com】 | 作者:奥世科技 | 发布时间: 2016-01-18 | 3843 次浏览 | 分享到:
影音行业的发展一直以追求更加完美、清晰的图像和声音为目标,尤其在显示领域,数字化的进程促使分辨率不断提升。从标清到高清普及,再到超高清4K电视的推出,以及超高清8K的初出端倪,均显示出当前电视及视听行业迅猛的发展趋势。

在过去的2014年,众多4K分辨率的超高清电视让人耳目一新;日本、韩国、美国、法国等国家,也都在加紧建设4K电视直播平台,并在一些世界性的集会上进行了实验性的传输,这些都标志着视听行业即将迈入超高清时代。

超高清电视的发展,涉及到了整个视听产业链的更新,内容涵盖信源压缩编码、传输信道编码、超高清数字电视的接收和解码、显示等领域。下面,针对超高清技术的产业链成熟度、市场发展形势和技术难题等方面进行深度剖析,帮助大家详细了解超高清电视。

  一、超高清电视的定义
超高清电视(UHDTV,Ultra High Definition Television),又称为UltraHDTV、4320P及UHDV(Ultra High Definition Video),是HDTV的下一代技术,包括“4K分辨率(3840×2160 像素)”和“8K分辨率(7680×4320像素)”。我们经常提到的4K分辨率电视即为超高清电视。

UHD超高清电视具备了两个优点:
第一、UHD超高清技术能够最好地还原画面的真实。观众在使用超高清技术观看电视时,展现出4 倍于全高清的画面信息量,画质更加清晰细腻,细节表现更加充分,消费者可以得到更逼真的观感,会产生与肉眼直接观看类似的效果。
第二、UHD超高清技术打破了超大屏幕与超高清一直以来无法兼得的限制。超高清大尺寸,能够真正地满足消费者对电视画质日趋日上的需求。


(一)超高清电视观看距离
4K超高清电视尺寸大,许多人会产生家庭客厅纵深不够,无法观看等疑问。事实上,分辨率、尺寸大与观影距离之间并不是单纯的线性关系。超高清电视的观看角较大,具体的数值如下表:

LSDI系统

1920*1080

3840*2160

7680*4320

观看距离

(与画面高度比)

3:1

1.5:1

0.75:1

可视角度

31

58

96

观看距离示意表
在计算观看角(FOV)中,γ为幅型比,n为观看距离与屏高之比。对4K超高清,γ=16:9,n=1.5;对8K超高清,γ=16:9,n=0.75。由此可知,4K超高清的最佳水平观看角开度为58°,8K超高清的最佳水平观看角开度为96°。而高清电视的最佳水平观看角开度仅为31°。
(二)超高清的基带图像格式
超高清的基带图像格式为:
1. 幅型比:16 :9 ;
2. 采样方式:逐行;
3. 取样结构:正交;
4. 帧频:支持多种帧频,最高可达120Hz ;
5. 色度:依然以红、绿、蓝作为三基色;
6. 量化深度:超高清电视的推荐的量化深度为12比特,可表示(212)3 约687.2亿种颜色,是10比特量化深度的64倍,8比特量化深度的4096倍。当观众观看超高清电视时,能体验到层次更丰富、色彩过渡更加平滑细腻、真实色彩还原度更好的画面。

 二、超高清电视关键技术
(一)视频编码
超高清电视相对于现有的高清电视,图像的宽和高均扩大为原先的2倍,如果再考虑到帧率的提升,总数据量为原先的4倍以上,因此对视频的压缩编码提出了很高的要求。在超高清视频编码关键技术方面,当前业界研究重点主要聚焦了HEVC编码关键技术。

当前广泛使用的MPEG-2和H.264/AVC压缩编码标准不能很好的满足信源压缩的要求。国际标准组织从2010年开始制定了面向超高清视频编码的高效视频编码(High Efficiencyvideo coding, HEVC)标准,并于2013年完成标准发布,在ITU标准中命名为H.265。

H.265编码压缩方式覆盖了从QVGA(320×240)到1080p和超高清UHDTV(7680×4320),还根据噪声电平、色域和动态范围,改进了图像质量。

与H.264相比,在保持计算复杂度基本一致,主观图像质量相当的前提下,H.265将码率下降50%。在稍微增加复杂度的前提下,还可以将码率下降到25%;跟MPEG-2相比,同样的内容,H.265可以减少70-80% 的带宽消耗。

(二)音频处理

目前业内普遍认为,杜比全景声、Auro 3D或22.2声道等沉浸式音频系统将可能作为与超高清显示系统配套的音响配置,将在今后的超高清电视产业链中得到广泛普及。不过,目前超高清电视演示环境中多采用了5.1/7.1声道音频系统,想要大范围普及完整的沉浸式音频系统还有一定距离。

(三)信号传输
与目前1920x1080逐行扫描的高清电视标准相比,UHDTV1和UHDTV2的每帧信息传输量分别提高到4倍和16倍。采用120Hz帧频的UHDTV2,其每帧信息传输量接近每秒40亿像素。
卫星传输试

传输数据量的成倍增长对超高清电视传输带来了巨大压力,目前,日本、韩国已经分别在卫星传输、地面数字广播以及有线电视传输等领域开展了相关技术研究和传输试验。

这里值得一提的是,近日,日本松下公司宣布在CES2015大展上推出业内首款支持4K的蓝光播放器,加入对4K分辨率的支持。不过松下表示这款UHD的蓝光机目前还只是原型,预计在今年年底之前推向市场。

(四)显示终端
超高清电视显示终端关键技术主要体现在显示面板技术和图形图像处理技术,其中图形图像处理技术主要包括图形图像处理引擎以及2K转4K技术。

1、显示面板技术
当前液晶电视产品面板主要采用了LCD、LED以及OLED三种技术。其中LED较LCD技术具有超薄、高透光率等优点,因此,Sony、夏普、康佳、TCL等电视厂商的4K产品均采用了LED显示屏技术。

OLED具有自发光的显示特性,在对比度及色域上都具有压倒性优势。2007年基本解决了三色发光的寿命问题,但由于技术尚不成熟,因此价格也就偏高。分辨率上,OLED目前已经出现4K超高分辨率产品,但尺寸仍受到制造技术的限制。

同时,目前一种全新的量子点QLED显示技术也倍受业界关注。QLED是一项介于液晶和OLED之间的新型技术,其核心技术为Quantum Dots(量子点)。量子点是一些肉眼无法看到的、极其微小的半导体纳米晶体,是一种粒径不足10纳米的颗粒。通常说来,量子点是由锌、镉、硒和硫原子组合而成。量子点QLED显示技术便是通过蓝色lED光源照射量子点来激发红光及绿光,从而呈现精湛的画面。

2、图形图像处理技术
对超高清电视而言,显示画质效果除显示面板这一因素外,很大程度上取决于图像引擎所具备的性能和功能。

除了HDMI接口外,从色差分量、AV、S端子、TV及VGA接口进入的视频信号都要通过图像引擎处理后,转换成适合自身电视播放的信号,从而显示到大家的面前。当前主流的电视厂商都研发了具有自身特色的图形图像处理引擎技术。



各图形图像处理引擎共通性处理技术方法

3、2K转4K技术
当前,超高清电视终端市场发展迅速,而超高清电视节目准备则大大落后于终端市场的发展,因此,为弥补超高清电视节目内容的匮乏,绝大多数超高清电视厂商纷纷采用了2K转4K技术,来应对4K节目内容的不足。

目前超高清电视厂商采用的2K转4K技术主要有两种:
单一补偿技术:这种技术是通过4K电视搭载的图像处理器进行计算,对于正在播放的影片进行追踪补偿和渲染。简单来说就是在原来的每个像素点上直接插入四个像素点,这样2K影片的分辨率就能达到4K,播放的影片不再是直接拉伸,而是点对点显示。

关联补偿技术:通过对于2K信号进行实时分析,并将整个画面分成200万个区间,对于相邻区间进行纵向横向四个维度的色彩运算之后再插入像素,这样插入的像素色彩就与周围显示的画面可以匹配。转化成4K分辨率之后,图像的精度也有了较大幅度的提升。

但需要注意的是,2K转4K技术只是在4K片源匮乏情况下的一个应急和过渡技术而已,其效果离真正的4K影片肯定还是有明显的差距。

(五)视频接口
视频接口方面,主要有两种接入方式,其中一种便是HDMI。目前三星、LG、东芝、索尼等主流电视制造商的超高清电视主要采用HDMI1.4接口,虽然HDMI1.4可以支持4k超高清信号的传输,但是只能以不超过每秒24帧的帧频播放超高清视频。这虽然可以满足大部分4K电影的播放需求,但是对动态高帧率内容动辄超过60帧的要求相去甚远。
 

最新颁布的HDMI 2.0标准支持的传输带宽最高可达18Gbps,可以支持10bit量化精度的4k超高清视频以每秒60帧的帧频进行播放。


另一种接口技术是视频电子标准协会VESA 发布DisplayPort高清数字显示接口标准。目前最新的DisplayPort 1.3支持全高清120Hz 3D立体显示、4K超高清(帧频30fps)、高色彩范围等,音频和3D立体显示也得到增强,同时可以传输以太网数据。

 三、超高清电视认证规范

目前,国家广播电视产品质量监督检验中心、中国电子商会已经发布了4K超高清电视首个行业统一标准:《4K超高清电视选购标准》,首次从屏、芯片、系统、画质提升技术等方面,对4K电视进行了全方位的严格规范。


国内4K超高清电视认证规范提出的要求


目前,国内4K电视五大《标准》规范主要包括5大方面:配备专业级UHD超高清显示屏;具备四核及以上处理器且内置4K解码芯片,搭载Android4.2及以上版本操作系统;应用成熟的2K转4K画质提升技术;具备USB3.0、HDMI1.4及以上版本的高速传输端口;搭载丰富智能云应用,实现家庭多终端互联互通。此规范从清晰度、色域覆盖度、重显率、对比度及固有分辨率五方面衡量4K超高清电视水平。

中国电子商会发布的4K超高清电视认证标志


 四、超高清电视设备市场现状

4K电视产业链涉及到专业器材、显示终端、拍摄制播、片源播放、编码标准等多方面。纵观超高清电视设备市场发展现状,SONY、松下、夏普、三星、TCL、创维、海信等终端设备厂商在经历3D电视这一利润增长点之后纷纷将重点投向了4K这一终端领域,并成功推动了4K终端设备市场的迅速发展。不过,在超高清技术的发展过程中,终端显示设备市场奇怪地走在了软件发展的前面,导致出现片源不足,消费体验差等问题。



面对终端市场的“来势汹汹”,超高清电视节目拍摄设备市场发展也较为迅速,SONY、佳能以及RED公司也纷纷推出了不同价位面对不同用户以及不同拍摄需求的拍摄设备。与此同时,为应对4K极大的码率对后期制作系统的处理能力、生产流程中的网络带宽和存储都带来的前所未有的技术和成本压力,Quantel、AJA、BMD、Avid、Autodesk、Adobe、苹果、索尼以及草谷都有相应的后期制作产品与软硬件支持对4K原生格式的记录、校色与编辑工作,国内主流广电系统制造商大洋、索贝、新奥特也推出了各自支持4K制作的非编系统。


在编解码设备方面,硬件编解码设备的研发要稍微落后与软件编解码设备,但相关厂商也正在加紧硬件编解码设备的研发,同时目前市面上已经有相对成熟的软件编解码产品可供选择。



通过分析我们可以看出,超高清电视终端市场发展一马当先,遥遥领先与节目拍摄、制作、后期处理等环节,因此当前制约超高清电视进一步普及的关键因素在于超高清电视节目拍摄、制作以及后期处理设备的完善以及相关接口标准的统一,一旦超高清电视节目准备充分,超高清电视整个产业链将得到迅速发展。



结论:完整的视听体验,不仅需要行业能够推出一系列的先进、优秀的硬件设备,内容和服务也是非常重要的因素,硬件和软件的齐头并进才能让市场快速发展。


目前,超高清产业链雏形已逐渐形成,在政策规范制定层面,国际标准已初步制定,国内标准仍在加紧制定中;在市场方面,4K超高清电视在整个产业链中趋势明显,尽管4K电视还面临着一些挑战,比如带宽限制、片源制作、存储、编码、传输,配套硬件的升级等,但模拟平台的成功演示表明技术实现无大障碍,未来的市场布局将取决于4K超高清电视是否真正具有成熟与完整的产业链。

随着4K的普及,8K的到来也指日可待。“影音新生活”相信,超高清显示技术必将成为视听行业发展的新方向,值得我们期待!


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