UHDTV技术初探及应用前景展望

李尹

摘 要：本文首先详细描述了UHDTV电视的研制工作以及在UHDTV技术中运用到视频采集、编解码、压缩、传输和存储等主要及相关方面的前沿技术，然后通过UHDTV在现实生活中的运用实例来探讨这样一个新技术在未来的发展前景以及刚刚迎来高清革命的电视行业在未来UHDTV时代的发展方向。

关键词：UHDTV；超高清电视；信道容量；编码压缩；分辨率

中央电视台高清影视频道是国内第一个现实意义上的高清频道，它始于2005年9月1日。如果以此时间点为中国高清频道的起点，那么高清频道在中国发展至今已经有近九年了。这九年是高清电视在中国迅速普迅速发展的九年，截至2012年底，国内已有高清频道28路（不包括港澳地区），其运营者主要是中央电视台及各省级电视台，另外当时武汉电视台是唯一拥有高清频道的地方电视台。然而就在我们刚开始享受高清电视技术给我们带来的不同体验时，UHDTV已经慢慢进入了我们的生活。

1 UHDTV技术概况

UHDTV（Ultra High Definition Television），即超高清电视，是HDTV的下一代技术，它由国际电信联盟（ITU）拟定，包括4K（3840×2160）和8K（7680×4320）两种标准，比起现有的HDTV标准，它主要在像素数上提出了更高的要求。

说到UHDTV，就不得不提NHK（日本放送协会），它在SHV（其8K标准UHDTV被命名为SHV）上的发展经历基本可以代表UHDTV的发展历史。不能不说NHK在UHDTV发展方面的眼光是极具前瞻性的，早在2004年，NHK就开始利用3840×2160的视频采集设备来尝试处理7680×4320的素材，但是受限于当时的技术条件，NHK并未取得实质性的进展。2006年，NHK正式立项开发7680×4320视频采集设备，并在两年后取得突破性进展，制造出了第一种可实用的7680×4320摄像机雏形。在随后的2009年，NHK利用KIZUNA宽带互联网卫星完成了对多频道SHV实况转播的测试。SHV摄像机以及由NHK开发的22.2声道音频采集阵列被安装在札幌电视台观景台上，在札幌90米的空中。SHV视音频信号在札幌播送站被压缩，编码为一个100Mps码率的信号并通过IP网络发送到鹿岛空间研究中心的链接站。在这个链接站，一路实况转播信号和两路预压缩编码的100Mps SHV节目被嵌合成一路300Mps的信道，复用信号通过札幌卫星发送到NHK STRL。在那里，实验人员在一个小型剧院里完成了节目的回放。整个传输过程没有出现明显的问题，而且验证了SHV信号长时间自由传输是可行的。这是第一次通过卫星实现SHV实况转播，也验证了地面IP网络通过卫星中继是可行的。

2 UHDTV的技术发展

NHK无疑是UHDTV标准制定、设备研发上的先锋军，其不懈努力的结果就是今天我们已经可以在市面上看到实用化的UHDTV产品，虽然它们价格高昂，但随着生产技术愈发成熟，UHDTV成为主流技术需要的只是时间。

UHDTV体系包括与之对应的高清采集、编解码、压缩、传输、存储和应用终端几个子项，下面笔者将就已有的资料来窥探一下UHDTV技术。

ITU早在2006年就在ITU-R BT.1769建议书中对UHDTV的图像格式进行了标准化。需要注意的是ITU将UHDTV表述为LSDI（Large Screen Digital Imagery），而NHK的UHDTV被称作SHV（Super Hi-Vision），在07年通过的SMPTE2036号标准中，最终明确了UHDTV为超高清晰度电视的标准名称，为了表述方便，下文中笔者也统一使用UHDTV这一技术名称。

UHDTV作为一种图像技术，图像采集无疑是重中之重，现代图像采集技术归根结底就是光电转换技术，从这个角度出发，UHDTV图像采集与现有的HDTV图像采集有什么不同呢？对比HDTV与UHDTV在ITU建议中的相关文件，我们发现二者在帧频、取样格式、取样顺序、取样结构、图像结构、色度标准等参数上基本是一致的，而二者区别主要体现在分辨率、像素宽高比（标清和高清为15：16，而超高清为1：1）。由这两个区别可以看出UHDTV图像采集相比HDTV图像采集需要解决的关键问题是提高图像采集分辨率。更高的分辨率意味着我们需要更精致的光电转换阵列，解决这一问题依赖的是材料科学和制造技术。

实际对比HDTV与UHDTV标准参数，二者的每像素比特位数也是不同的，前者为每像素8位或10位，而后者为每像素10位或12位。之所以没有重点提及这一问题是因为UHDTV的量化编码过程与HDTV同样为PCM（脉码调制），以现有的技术条件二者在软硬件过渡方面并不存在难点。

在这里我们不妨做一个简单的数学题：

7680×4320×12bit×25=9953280000bit≈1187MB

这就是传输一秒8K标准UHDTV无损信号所需要的带宽，这一数据，即使以2009年NHK使用的百兆信道标准来看也是不可承受的。

那么我们如何利用有限的信道资源实现UHDTV信号传输呢？方案有两种，一是扩展信道容量，二是进行编码压缩。

方案一，扩展信道容量。利用窄带信道传输宽带信号最简单直接的解决方案就是物理堆叠，这里笔者提出一个基于IP网络的相对简单的模型，从网络接口层来看，HDTV与UHDTV在量化编码后的数据形式都是二进制编码，因此其传输媒介无需做出调整。当然问题并没有就此解决，物理堆叠原理上是一种并行传输模式，既然是并行传输模式，实现这个模型就必须解决数据拆分、数据重组和数据同步的问题。网络接口层是不具备拆分数据的功能的，即使在其之上的网络层和传输层也只能保证数据传输过程的稳定。因此这个数据切分的任务必须在应用层来实现，必须有这么一个软件模型，其分为发送与接收两个模块，在发送模块，UHDTV数据被拆分为可以在已有传输媒介上传输的数据块，每个数据块会在拆分的同时加上同步标记，之后数据块被分别送到堆叠的媒介端口传输。在数据抵达接收方的堆叠端口后，数据块在接受模块被重组成完整的UHDTV数据。前面笔者提到了数据块上必须添加同步标记，这是因为如大家所知，网络传输并不是完全可靠的，任何传输过程中的错误都会导致延迟，而属于同一数据的数据块如果不能在同一时间抵达接收方，那么必然导致属于不同数据的数据块的冲突，因此我们引入同步标记，这样就可以在应用层通过校验同步标记来保证数据块组合的正确性。另外，为实现这种同步，传输质量策略也必须被引入，每个数据有自己的传输时间，通常称之为窗口，如果相应数据不能在自己的窗口时间内抵达目的端口，传输质量策略会在必要时强制丢弃超时的数据，避免前后数据间的干涉现象发生，而对于未超过窗口时间的数据传输错误，可以要求数据重传。

方案二是建立在视频压缩和音频压缩技术基础上的，换言之，也就是从软件算法层面来降低UHDTV的码率。因为视频数据和音频数据编码后都是硬件无关的，所以即使使用目前的主流压缩算法（如H.264 MPEG），压缩UHDTV数据也是没有问题的。当然，通过优化算法实现更低的带宽占用和更小的失真是必要的。MPEG标准和H.265无疑都会是UHDTV压缩技术的优先选择，需要注意的是MPEG标准还涉及音频编码，而H.265仅仅涉及视频编码。

最后笔者还是得提到，即使是方案一，数据传输前的预压缩也是必须的，可以预见如果单纯利用物理堆叠传输来非压缩数据带来的成本增加必然会远远高于直接购买UHDTV传输设备的花费。

由于数字信息的硬件无关性，UHDTV在数据存储层面与普通的数据存储并无差别，当今主流的数据存储技术已足以达到UHDTV数据的存储要求。当然，我们需为之建立更大的存储器规模以及更高速的数据总线。另外，目前尚没有专为UHDTV开发的移动存储设备，光存储设备已不能达到其存储要求，在未来基于网络的云存储和基于固态存储器的移动存储设备可能会是UHDTV移动存储的优先选择方案。

3 应用前景

任何技术理论只有投入到生产生活应用中才具有实际价值，那么UHDTV会在何时以什么样的方式成为我们生活中的实用技术呢？在2012年的伦敦奥运会上，我们已经看到了日本NHK展示了使用这一超高清标准对比赛进行转播而得到的效果，其每秒60帧的画面，让观众如同身临其境，就像透过窗户看风景一样过瘾。当然这个发展多年的技术趋势并没有到全力冲刺的阶段，但这样的新兴技术将为我们带来的超高分辨率视频，也就是拥有比目前现行的1080p HDTV高四倍的像素的视频，已经在2013年国际消费性电子展上（CES）成为了被炒作的话题。2013年的国际消费性电子展（CES）呈现出了三个迎合超高分辨率电视（UHDTV）的电视技术趋势：一是迎合超高分辨率影像的更高品质音频；二是改善智能电视功能导航的语音与视觉技术演进；三是可望实现Gigabit等级家庭网络的802.11ac无线网络标准。在展会上，Chips&Media宣布推出业界首款支持超高清分辨率的硬件HEVC（高效的视频编码）解码器IP核。该解码器主要是针对各种从智能手机到UHDTV/UHD机顶盒等高端设备的4K视频播放，并预计能为8K UHDTV提供更高分辨率的视频内容。同时三星也在展会上展出一款全新的支持超高清分辨率的85英寸屏幕，这款电视也为三星赢得了2013年国际消费电子展创新奖。

各大厂商的支持，周边技术的发展无疑让我们看到了UHDTV在未来的美好前景。当然美好的前景只是一部分，我们还应该看到现阶段国内电视行业的现状。

从电视服务提供商角度看，国内各大省级电视台也只是刚刚完成了其主要频道（如各省卫视）从标清电视向高清电视的过渡。而多数地方电视台还没有自己的高清频道。也就是说，在今后一段时间内，HDTV在国内都将处于普及发展的阶段，各电视台的主要发展目标依然是提高高清播出率，完成已有标清频道向高清频道的过渡，此时再次升级设备明显增大了投资风险，后期带来的使用维护费用也会更高，而其带来的效益短时间内会相当有限。因此各台在短期内不大可能选择更新设备向UHDTV过渡。

从服务对象来看，一方面，受制于产能和市场定位，UHDTV终端设备价格居高不下，例如LG电子在2012年10月发售第一款84寸的大屏幕LED背光4K液晶电视，售价就高达19999美元。相比较而言，HDTV终端的价格更为亲民一些，也是目前市场的主流。另一方面，国内暂时没有对公众开放的UHDTV频道，即使购买了UHDTV终端设备的用户也只能通过其它有限的渠道获得UHDTV体验，这决定了其只会是部分UHDTV发烧者的奢侈玩具。

那么是不是现在的市场环境就完全没有UHDTV生存的空间呢？显然答案是否定的。只要找准UHDTV的定位，它在现今的国内市场也是可以有其一片细分市场的。

我们必须认识到虽然UHDTV设备价格高昂，但是性能卓越，将UHDTV应用于家庭娱乐可说是大材小用，广告、大型秀场、大型体育赛事等领域因需要更高的清晰度而使其有着广阔的市场空间。

结合上面的事实以及分析，我们不难看出，UHDTV是未来电视发展的一个趋势。在技术飞速发展，人们对生活质量的要求日益提高的今天，更为先进的UHDTV无疑会对未来电视产业产生巨大的影响，同时在高清电视技术逐渐普及的之后，UHDTV也会离我们的生活越来越近。