超高清晰度電視技術概述

吳蔚華，阮衛泓，謝于迪

（國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015）

超高清晰度電視技術概述

吳蔚華，阮衛泓，謝于迪

（國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015）

超高清電視作為2013年電視產業的熱點技術，具有高分辨力、高清晰度、寬色域等特點。在介紹超高清晰度系統的基礎上，重點闡述了超高清電視的技術現狀和關鍵技術，包括接口、面板、芯片和運行配置等。提出超高清電視光學顯示性能的測量建議，包括清晰度、像素缺陷和響應時間等。

超高清系統；超高清電視；測量

2012年8月，國際電信聯盟（ITU）宣布推出超高清晰度電視（UHDTV）國際標準ITU-R BT.2020（08/2012）[1]。同年，超高清晰度面板的推出促進了超高清晰度平板電視（以下簡稱超高清電視）的發展，產業鏈上下游，包括芯片企業、整機企業、前端制作企業（包括攝像設備和節目制作）等，紛紛投入到超高清節目制作、超高清顯示的研究和開發。2013年，國內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熱點，促使超高清晰度顯示（以下簡稱超高清顯示）成為技術發展趨勢和未來方向。超高清顯示比高清顯示可以帶來更細膩、逼真的圖像，更強臨場感和更精確的視覺信息，為平板電視技術發展開啟了新篇章。超高清電視有望在不久的將來得到廣泛應用，尤其在大屏幕、高空間/時間分辨力、寬色域等顯示器中應用。

實現超高清顯示需要超高清系統，從發到收都支持超高清，涉及多個關鍵技術和關鍵設備，而超高清電視是整個系統的終端設備。國家廣播電視產品質量監督檢驗中心緊跟新技術發展和檢測市場需求，于2013年上半年成立技術項目組，對超高清系統、超高清電視的關鍵技術進行研究，包括系統、面板、接口等，并對超高清電視的測量進行研究，提出光學顯示性能測量方法的一些想法。

1 超高清晰度系統

超高清晰度系統主要包括超高清信號制作、發送、接收和顯示部分。UHDTV是Ultra High Definition tele?vision的簡寫，即超高清晰度電視。ITU-R BT.2020《超高清晰度電視系統節目制作和國際交換用參數值》中規定UHDTV圖像空間特性、圖像時間特性、系統色度參數、信號格式和數字表示。

UHDTV的圖像寬高比為16∶9，像素數分為2種，一種是4K系統，即3 840×2 160，一種是8K系統，即7 680×4 320，像素寬高比為1∶1的方形像素，目前產業較為成熟的是4K系統。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還將系統的紅（R）、綠（G）和藍（B）三基色色度坐標選到了可見光譜色軌跡上，色域覆蓋率較HDTV系統有所增加[2]，如表1所示。UHDTV系統采用10 bit或12 bit兩種編碼格式。

目前，超高清晰度攝像機已經投入使用，可以拍攝4K圖像。3 840×2 160/30 Hz的4K電視節目的原始碼率達到6 Gbit/s，3 840×2 160/60 Hz的4K圖像的原始碼率達到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月正式批準通過了HEVC/H.265標準，標準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，并使廣播應用成為可能。我國自有知識產權的AVS標準也開始研究超高清圖像的編碼，以適應未來數字電視廣播。

表1 UHDTV與HDTV基色及基準白色度坐標比較[1]

超高清晰度片源及播放設備目前比較匱乏。商場演示超高清電視時，一般采用非壓縮碼流播放器或高性能計算機作為播放設備。Sony公司于2013年3月推出了4K流媒體播放器，內置多部支持4K分辨率的高清電視劇及電影。同時Red Digital Cinema Camera推出超高清4K播放器Redray 4K Cinema Player，播放器沒有光驅，而是提供下載服務，從設計理念上顛覆了包括藍光在內的所有光盤載體架構。各大網絡運營商也積極推出4K節目和軟件解碼器，以滿足4K片源需求。

2 超高清晰度電視

超高清電視要實現超高清顯示，必須具備超高清信號接收、超高清信號處理和超高清面板等基本要素。

2.1 超高清晰度面板

固有分辨力達到3 840×2 160的液晶面板為超高清（4K）面板。國內外主流面板企業，包括三星、友達、LG、夏普、群創、華星光電和京東方等，都具備生產4K面板的能力。不同企業生產的面板主要分為VA屏（軟屏）和IPS屏（硬屏）兩大類。因為超高清顯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。

顯示屏的另一個關鍵技術是驅動接口，其傳輸速率和刷新率直接影響顯示效果。目前，常用的驅動接口有兩種，一種是傳統的LVDS接口，一種是V-by-One接口。LVDS是一種低壓差分信號技術接口，LVDS支持的最高數據傳輸速率為每對1.05 Gbit/s。而V-by-One的最高數據傳輸速度為每對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（每個色彩10 bit），240 Hz的數據，將需要96根（48對）LVDS信號線。所以越來越多的顯示屏采用V-by-One接口作為驅動接口。

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接口傳輸的超高清圖像格式只支持到30 Hz。HDMI 2.0版本預計于2013年底出臺，可支持更快的傳輸速度，每路速率達到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。

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。

2.3 超高清晰度處理芯片

芯片是超高清電視實現真正超高清畫質顯示的重要器件。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，一個芯片負責圖像處理，一個芯片負責運動補償。

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。要改善這一現象，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動補償芯片來實現，與傳統平板電視的倍頻功能類似，在兩幀圖像之間加插一幀運動補償幀，將幀頻提升。

圖像處理芯片除完成圖像解碼功能外，還可以實現圖像格式上變換，即upscaler，將1 920×1 080格式的圖像通過運算、估計，上變換至3 840×2 160進行顯示。上變換技術有主芯片內置和外掛處理芯片兩種實現方式。

目前，4K芯片方案已經基本成熟，使超高清電視實現真正的超高清顯示成為可能。主流的芯片企業包括MTK、MSTAR、REALTEK等，國內企業也在致力于4K芯片的開發。

2.4 運行配置

超高清電視要處理4K畫面，數據率較高，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行配置，以支持超高清圖像數據處理。運行配置主要是指對CPU、GPU有一定的要求。CPU和GPU至少均應為多核高性能。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 超高清電視的測量

超高清電視屬于新產品，與傳統電視相比差異主要在光學顯示性能，其他射頻接收性能、安全、電磁兼容和能效性能均應滿足相應的國家推薦性/強制性標準或行業標準。

第一，光學顯示性能中的重要參數如亮度、亮度均勻性、色度均勻性、白平衡誤差、對比度、色域覆蓋率、可視角等的測量方法應與高清電視差異不大，只是測量信號格式、測量接口和測量距離會有所不同。所以測量光學顯示性能時，信號應采用3 840×2 160逐行格式；測試接口應采用數字接口，如HDMI接口；依據ITU標準，建議超高清電視的觀看距離為屏幕高度的1.5倍，測試距離也應與此規定一致。具體的測量步驟與SJ/T 11348—2006《數字電視平板顯示器測量方法》[3]的規定基本一致。

第二，清晰度是重要的技術參數。超高清電視通過HDMI接口接收數字信號，經圖像處理、顯示后，水平/垂直清晰度均應達到2160電視線。因為目前4K素材較少，很多素材都是將2K轉為4K圖像進行顯示，處理后的圖像效果、清晰度的考量也很重要。

傳統復合測試圖中用楔形線評價清晰度的電視線數，超高清電視接收、處理和顯示的都是數字信號，采用楔形線評價清晰度是否合適，超高清電視的數據率是高清晰度電視的4倍，數據率越高，越能體現超高清電視的處理能力，而靜態畫面數據率較低，不能準確考量超高清電視真正顯示的清晰程度。所以，超高清電視應采用新的清晰度評價方式，特別是測量信號的內容、要素等，正在進行研究。

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、更細膩，人眼不易察覺單個像素的缺陷點。但如果缺陷點成片或成線后，會比較容易感知，測量時應采用更精確的測量工具進行確認，比如采用放大鏡進行觀看。

第四，目前，超高清電視接收信號為30 Hz逐行信號，通過運動估計、運動補償以60 Hz或120 Hz畫面顯示，這樣會明顯改善畫面的抖動和液晶電視的拖尾現象。但如果運動估計、補償算法做的不好的話，會明顯影響觀看效果，所以超高清電視應增加對響應時間的測量要求。測量響應時間時應采用可將光信號轉化為電信號的測量設備。

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

圖1 黑白響應時間

灰階響應時間是指超高清電視在任意灰階信號之間變化時的響應過程，測試信號采用不同灰度等級的信號，圖像電平范圍從0%到100%，步長根據測試需求選定。

[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準文集，北京：[出版者不詳]，2012：11.

[3]SJ/T 11348—2006，數字電視平板顯示器測量方法[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

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

國家自然科學基金項目（61101059）