超高清晰度电视技术概述

吴蔚华，阮卫泓，谢于迪

（国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015）

超高清晰度电视技术概述

吴蔚华，阮卫泓，谢于迪

（国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015）

超高清电视作为2013年电视产业的热点技术，具有高分辨力、高清晰度、宽色域等特点。在介绍超高清晰度系统的基础上，重点阐述了超高清电视的技术现状和关键技术，包括接口、面板、芯片和运行配置等。提出超高清电视光学显示性能的测量建议，包括清晰度、像素缺陷和响应时间等。

超高清系统；超高清电视；测量

2012年8月，国际电信联盟（ITU）宣布推出超高清晰度电视（UHDTV）国际标准ITU-R BT.2020（08/2012）[1]。同年，超高清晰度面板的推出促进了超高清晰度平板电视（以下简称超高清电视）的发展，产业链上下游，包括芯片企业、整机企业、前端制作企业（包括摄像设备和节目制作）等，纷纷投入到超高清节目制作、超高清显示的研究和开发。2013年，国内外各大厂商纷纷推出不同尺寸的超高清电视，超高清电视成为行业热点，促使超高清晰度显示（以下简称超高清显示）成为技术发展趋势和未来方向。超高清显示比高清显示可以带来更细腻、逼真的图像，更强临场感和更精确的视觉信息，为平板电视技术发展开启了新篇章。超高清电视有望在不久的将来得到广泛应用，尤其在大屏幕、高空间/时间分辨力、宽色域等显示器中应用。

实现超高清显示需要超高清系统，从发到收都支持超高清，涉及多个关键技术和关键设备，而超高清电视是整个系统的终端设备。国家广播电视产品质量监督检验中心紧跟新技术发展和检测市场需求，于2013年上半年成立技术项目组，对超高清系统、超高清电视的关键技术进行研究，包括系统、面板、接口等，并对超高清电视的测量进行研究，提出光学显示性能测量方法的一些想法。

1 超高清晰度系统

超高清晰度系统主要包括超高清信号制作、发送、接收和显示部分。UHDTV是Ultra High Definition tele⁃vision的简写，即超高清晰度电视。ITU-R BT.2020《超高清晰度电视系统节目制作和国际交换用参数值》中规定UHDTV图像空间特性、图像时间特性、系统色度参数、信号格式和数字表示。

UHDTV的图像宽高比为16∶9，像素数分为2种，一种是4K系统，即3 840×2 160，一种是8K系统，即7 680×4 320，像素宽高比为1∶1的方形像素，目前产业较为成熟的是4K系统。帧频包括120 Hz，60 Hz，59.94 Hz，50 Hz，30 Hz，29.97 Hz，25 Hz，24 Hz和23.98 Hz，采用逐行扫描方式。UHDTV还将系统的红（R）、绿（G）和蓝（B）三基色色度坐标选到了可见光谱色轨迹上，色域覆盖率较HDTV系统有所增加[2]，如表1所示。UHDTV系统采用10 bit或12 bit两种编码格式。

目前，超高清晰度摄像机已经投入使用，可以拍摄4K图像。3 840×2 160/30 Hz的4K电视节目的原始码率达到6 Gbit/s，3 840×2 160/60 Hz的4K图像的原始码率达到12 Gbit/s。采用H.264压缩至100 Mbit/s后观看效果良好，但要保证基本观看效果，码率也要50 Mbit/s。目前主流的编码方式采用H.264编码，但要完美呈现超高清效果，并在有限的广播信道中传输，需要采用更高效的视频压缩方案。ITU于2012年8月正式批准通过了HEVC/H.265标准，标准全称为高效视频编码（High Efficiency Video Coding），编码效率较H.264提高了一倍，可将3 840×2 160/60 Hz的4K图像的码率压缩至40 Mbit/s以下。H.265的推广可从根本上解决4K图像的信源问题，并使广播应用成为可能。我国自有知识产权的AVS标准也开始研究超高清图像的编码，以适应未来数字电视广播。

表1 UHDTV与HDTV基色及基准白色度坐标比较[1]

超高清晰度片源及播放设备目前比较匮乏。商场演示超高清电视时，一般采用非压缩码流播放器或高性能计算机作为播放设备。Sony公司于2013年3月推出了4K流媒体播放器，内置多部支持4K分辨率的高清电视剧及电影。同时Red Digital Cinema Camera推出超高清4K播放器Redray 4K Cinema Player，播放器没有光驱，而是提供下载服务，从设计理念上颠覆了包括蓝光在内的所有光盘载体架构。各大网络运营商也积极推出4K节目和软件解码器，以满足4K片源需求。

2 超高清晰度电视

超高清电视要实现超高清显示，必须具备超高清信号接收、超高清信号处理和超高清面板等基本要素。

2.1 超高清晰度面板

固有分辨力达到3 840×2 160的液晶面板为超高清（4K）面板。国内外主流面板企业，包括三星、友达、LG、夏普、群创、华星光电和京东方等，都具备生产4K面板的能力。不同企业生产的面板主要分为VA屏（软屏）和IPS屏（硬屏）两大类。因为超高清显示主要用于大屏幕显示，而且固有分辨力较高，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。

显示屏的另一个关键技术是驱动接口，其传输速率和刷新率直接影响显示效果。目前，常用的驱动接口有两种，一种是传统的LVDS接口，一种是V-by-One接口。LVDS是一种低压差分信号技术接口，LVDS支持的最高数据传输速率为每对1.05 Gbit/s。而V-by-One的最高数据传输速度为每对3.75 Gbit/s，支持刷新频率240 Hz、色彩12 bit。如果采用LVDS处理30 bit色彩（每个色彩10 bit），240 Hz的数据，将需要96根（48对）LVDS信号线。所以越来越多的显示屏采用V-by-One接口作为驱动接口。

2.2 超高清晰度电视接口

目前超高清电视主要采用HDMI1.4a和USB3.0接口。HDMI 1.4a最大视频带宽为340 MHz，最大视频速率8.16 Gbit/s，HDMI 1.4a支持超高清的非压缩格式包括3 840×2 160 p@24 Hz/25 Hz/30 Hz，也就是说目前通过HDMI接口传输的超高清图像格式只支持到30 Hz。HDMI 2.0版本预计于2013年底出台，可支持更快的传输速度，每路速率达到6 Gbit/s，支持色彩深度为30 bit/36 bit/48 bit，可传递3 840×2 160a120 Hz视频信号。

除HDMI接口外，还可采用USB接口，目前较多采用的是3.0版本。通过USB接口可以传输解码H.264的4K图像。USB 3.0接口的最大速率为4.8 Gbit/s,理论上可以支持3 840×2 160@24 Hz格式的视频信号。

2.3 超高清晰度处理芯片

芯片是超高清电视实现真正超高清画质显示的重要器件。芯片主要完成图像解码、图像上变换和图像显示等功能。目前超高清电视基本采用双芯片的处理模式，一个芯片负责图像处理，一个芯片负责运动补偿。

如采用HDMI1.4a接口，最大帧频只支持到30 Hz，而人眼感知画面抖动的最低频率是50 Hz，也就是说，帧频低于50 Hz的画面，人眼可感觉到明显的画面抖动。要改善这一现象，需要将帧频上变换至60 Hz或120 Hz后显示。帧频上变换就需要使用运动补偿芯片来实现，与传统平板电视的倍频功能类似，在两帧图像之间加插一帧运动补偿帧，将帧频提升。

图像处理芯片除完成图像解码功能外，还可以实现图像格式上变换，即upscaler，将1 920×1 080格式的图像通过运算、估计，上变换至3 840×2 160进行显示。上变换技术有主芯片内置和外挂处理芯片两种实现方式。

目前，4K芯片方案已经基本成熟，使超高清电视实现真正的超高清显示成为可能。主流的芯片企业包括MTK、MSTAR、REALTEK等，国内企业也在致力于4K芯片的开发。

2.4 运行配置

超高清电视要处理4K画面，数据率较高，而且目前大多电视都具备智能功能，所以电视还需要基本的运行配置，以支持超高清图像数据处理。运行配置主要是指对CPU、GPU有一定的要求。CPU和GPU至少均应为多核高性能。目前较多采用的是双核CPU，双核GPU，而GPU的显存等效频率和显存位宽也很重要，例如显存等效频率采用1 800 MHz或1 600 MHz，显存位宽采用32 bit或64 bit。

3 超高清电视的测量

超高清电视属于新产品，与传统电视相比差异主要在光学显示性能，其他射频接收性能、安全、电磁兼容和能效性能均应满足相应的国家推荐性/强制性标准或行业标准。

第一，光学显示性能中的重要参数如亮度、亮度均匀性、色度均匀性、白平衡误差、对比度、色域覆盖率、可视角等的测量方法应与高清电视差异不大，只是测量信号格式、测量接口和测量距离会有所不同。所以测量光学显示性能时，信号应采用3 840×2 160逐行格式；测试接口应采用数字接口，如HDMI接口；依据ITU标准，建议超高清电视的观看距离为屏幕高度的1.5倍，测试距离也应与此规定一致。具体的测量步骤与SJ/T 11348—2006《数字电视平板显示器测量方法》[3]的规定基本一致。

第二，清晰度是重要的技术参数。超高清电视通过HDMI接口接收数字信号，经图像处理、显示后，水平/垂直清晰度均应达到2160电视线。因为目前4K素材较少，很多素材都是将2K转为4K图像进行显示，处理后的图像效果、清晰度的考量也很重要。

传统复合测试图中用楔形线评价清晰度的电视线数，超高清电视接收、处理和显示的都是数字信号，采用楔形线评价清晰度是否合适，超高清电视的数据率是高清晰度电视的4倍，数据率越高，越能体现超高清电视的处理能力，而静态画面数据率较低，不能准确考量超高清电视真正显示的清晰程度。所以，超高清电视应采用新的清晰度评价方式，特别是测量信号的内容、要素等，正在进行研究。

第三，由于4K面板良品率下降，面板的像素缺陷较高清面板有所增加。4K面板的像素更小、更细腻，人眼不易察觉单个像素的缺陷点。但如果缺陷点成片或成线后，会比较容易感知，测量时应采用更精确的测量工具进行确认，比如采用放大镜进行观看。

第四，目前，超高清电视接收信号为30 Hz逐行信号，通过运动估计、运动补偿以60 Hz或120 Hz画面显示，这样会明显改善画面的抖动和液晶电视的拖尾现象。但如果运动估计、补偿算法做的不好的话，会明显影响观看效果，所以超高清电视应增加对响应时间的测量要求。测量响应时间时应采用可将光信号转化为电信号的测量设备。

响应时间[3]的测量有两种，包括黑白响应时间和灰阶响应时间。黑白响应时间是指超高清电视由暗变亮和由亮变暗的响应过程，测试信号采用全白场信号和全黑场信号。如图1所示，响应时间取上升时间（t1到t2所需的时间）和下降时间（t3到t4所需的时间）之和。

图1 黑白响应时间

灰阶响应时间是指超高清电视在任意灰阶信号之间变化时的响应过程，测试信号采用不同灰度等级的信号，图像电平范围从0%到100%，步长根据测试需求选定。

[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，李彦，徐岩.超高清晰度电视[C]//立体电视与超高清晰度电视标准文集，北京：[出版者不详]，2012：11.

[3]SJ/T 11348—2006，数字电视平板显示器测量方法[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

【本文献信息】吴蔚华，阮卫泓，谢于迪.超高清晰度电视技术概述[J].电视技术，2014，38（8）.

国家自然科学基金项目（61101059）