4K超高清电视的机遇与挑战

朱海涛

【摘 要】 讨论4K电视的优势及其对市场的意义，阐述尽快推出实时4K电视广播的必要性，探讨4K电视发展中面临的技术问 题及解决方法。

【关键词】`4K超高清电视；视频编码；分辨率；帧频

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.09.013

【Abstract】The advantages and significance of 4K high-definition for the market were discussed； the necessity of launching the real-time 4K TV broadcast as soon as possible was elaborated； several technology problems and solutions in the development of 4K television were also approached.

【Key Words】4K high-definition TV； video coding； resolution； frame frequency

1 引言

4K超高清电视（以下简称4K电视）是近年消费电子领域的一个高频词。随着主流家电厂商相继向市场推出4K电视机，这一技术所蕴含的市场潜力和巨大商机已经吸引了各界人士的热切关注。但迄今为止，即便在美、日等技术领先的国家，4K电视服务，尤其是最具价值的实时4K电视广播都只是处于试播及市场培育阶段。限制4K电视迅速普及的因素包括：制造成本高、节目库有限及广播传输技术不支持等。而随着相关技术的日臻成熟，可以预料4K电视市场竞争将迅速升温。

2 4K超高清概念

超高清是一个与电视分辨率有关的概念。

简单地说，一幅电视图像画面的最小显示单元是像素。画质的细腻度就是由像素点距来决定的。单位面积内像素数目越多，即分辨率越高，画面也就越清晰。在数字技术普及之前，不管电视屏幕的尺寸有多大，其图像包含的像素数目都是约30万个，这就是所谓的“标清”电视。对于一个小屏幕电视机来说，这样的画面质量已经相当清晰了。不过，如果电视屏幕尺寸增大，观看者就需要离屏幕更远些才能看清图像。于是，电视技术工程师开始致力于研究如何获得更为清晰的图像，尤其是在较大屏幕的电视机上。目前最常用的高清分辨率为1080p（即垂直方向1 920线×水平方向1 080线，标准分辨率通常用水平和垂直方向的像素数表示，参见电子行业标准SJ/T 11324—2006《数字电视接收设备术语》），或俗称的1080p标准垂直像素点（等同水平扫描线）。200万左右像素的高清分辨率电视机，相当于“标清”D1为480i格式的6.5倍，这也是目前市面上技术最为完善的高清电视标准。

近两年来，不少电视制造企业已相继开发并推出4K电视。作为取代1 920 ×1 080的新一代分辨率标准，4K电视的分辨率为高清的4倍（即3 840×2 160），相当于4幅高清画面拼成一幅4K超高清画面。对于1080p高清显示屏，坐在离屏幕很近处的观众仍会看到像素与像素之间的一个个小正方形空白；而在4K超高清显示屏上，像素将会变得更加细小，以至于在正常观看距离上，人们必须利用放大镜才能看到上面所说的那些正方形空白。这意味着观众即便在距离屏幕很近的地方也能看到清晰的图像。当然，仅仅有4K超高清显示器未必保证有更好的画质，因为电视的画质还取决于信号源的质量和画面实际内容等其他因素。

3 4K电视的优势

3.1 更高分辨率、更大尺寸屏幕

尽管影响电视观看体验的因素众多，但是在视频设置正确的情况下，分辨率提高所带来的优越性还是显而易见的。4K电视最主要的好处是消费者可以在现有房间内摆放尺寸比原先大很多的电视机，例如目前刚好能摆放42英寸1080p高清电视机的某房间，如果主人要更换4K电视机，那么，电视机屏幕可以增加至65英寸、70英寸甚至84英寸，也不致影响收看的效果。要实现这一好处，最重要的一点是依据观看位置与电视机之间的距离选择合适的屏幕尺寸。如果安排得当，那么，4K电视可以提供电影般的视觉感受，其意义不亚于IMAX（Image MAXimum，一种能够放映比传统胶片更大和更高解像度的电影放映系统）为电影观众所带来的视觉冲击。一般来说，高清电视的适宜观看距离为屏幕高度的3倍，在这个距离上，观众看不到像素与像素之间的空白。而对于4K电视来说，适宜观看距离可缩短至屏幕高度的1.5倍，在这么短的观看距离上，观众可以有极其巨大的视野，从而获得身临其境的视觉感受，同时又不会令图像质量受到任何损失。

3.2 完美呈现35 mm电影胶片画质

4K电视的另一个优势在于，它将成为消费市场上第一种能够呈现35 mm电影胶片影像之颗粒和品质的数字格式。一些经典老电影如《阿拉伯的劳伦斯》、《乱世佳人》等以及不少新发行的影片正在被转换和优化，以便能够以4K超高清格式放映。

除了能够在更大尺寸的屏幕上播放相比1080p电视更为清晰的影像之外，4K超高清电视还具有更高帧率和更宽阔色域。帧率的提高可使快速移动的物体看起来更加流畅；更宽阔的色域则有助于4K超高清显示器呈现比传统高清电视更为鲜明和真实的色彩。对于体育赛事、现场活动甚至数码照片等各种形式的视频内容，都可以带来一种更为逼真的图像。

3.3 实时4K电视广播市场潜力巨大

4K电视机最早出现于2013年1月的美国拉斯维加斯CES消费电子展上，一经发布，便震惊业界，但随即而来的问题是如何实现把4K超高清视频内容传输到消费者家中，这要求更高的数据传输系统。内容提供商（如电视台、有线电视公司、网络视频提供商），蓝光及DVD等光盘制造商，以及业界其他参与者都在努力开发把视频内容传送至4K超高清电视机播出的最佳和最高效的方式，并予以标准化。几个月之后，名为HEVC（高效视频编码）的压缩标准便正式发布，从而极大地推动4K超高清电视内容的处理与传输。endprint

4K超高清电视真正的价值在于重大体育比赛及事件性活动的现场直播报道。虽然4K超高清电视内容并不要求特殊的压缩算法，但目前只有HEVC技术可以提供在现有广播网络上传输4K超高清电视广播内容所需的压缩效率。

随着4K电视机价格的不断下降，越来越多的消费者将愿意付费收看优质的4K超高清节目，如现场直播的体育节目。尽管随着时间推移，已在4K电视领域抢占先机的网络视频提供商不排除有提供实时4K电视内容的能力，但传统电视广播机构在体育比赛、重大事件报道等方面仍然具有无法比拟的优势。从行业现状来看，注重创新的互联网流媒体视频提供商很可能成为最早的商业性4K电视服务提供者，如美国Netflix公司、我国的乐视网等。

4 发展4K电视广播的技术难点分析

在市场对4K电视认可度日益提高、4K电视机及机顶盒相关制造成本逐渐下降、节目库不断丰富的前提下，实时4K电视广播服务将成为市场的必然趋势。4K视频信号的传输要求巨大的带宽（10 Gbit/s），这对电视广播及网络的基础设施提出了较高要求。一个成功的4K电视传输系统在设计和建设过程中需要注意和克服以下5个技术难点：

4.1 不同画面宽高比的匹配问题

在4K电视出现之前的各种高清电视格式702p、1080i或1080p所采用的画面宽高比都是16：9。然而4K电视格式（分辨率为3 840×2 160）在用来播放4K电影的时候会出现宽高比不匹配的问题，这是因为早于4K电视格式出现的4K DCI数字电影格式（分辨率为4 096×2 160）的宽高比约为17：9。许多4K摄像机和视频源装置分别具有与两种分辨率匹配的功能设置，因此，在实际操作中，工作人员需要预先对显示器和视频源进行仔细匹配设置，以避免画面出现不必要的压缩或拉伸。

4.2 对数据传输速率（带宽）的要求更高

帧频为60 f/s（帧/秒）的1080p视频信号所要求的数据传输速率为4.46 Gbit/s，依此类推，同样帧频的4K电视信号要求4倍于前者的数据传输速率，即17.78 Gbit/s。但由于目前最普及的高清多媒体接口电缆HDMI 1.4版本最高只支持10.2 Gbit/s的数据传输速率（含损耗），因此，目前的4K视频装置所采用的帧频最高仅为30 f/s。这一帧频用于播放24 f/s的电影画面不成问题，但是对于电视视频和电脑游戏而言，需要注意的帧频被降低了一半。因此，4K电视传送系统的设计需要满足帧频分别为24 f/s、25 f/s、30 f/s、50 f/s、60 f/s的视频内容。

采用HEVC压缩技术的帧频为30 f/s的4K电视所需的传输带宽将是现有1080p高清电视广播的两倍，如果帧频提高到对体育比赛和超高清视频更为理想的60 f/s，则需要三倍于现有高清电视的传输带宽。

4.3 信号的保真与增益

4K电视对信号保真的要求大大高于现有高清电视，这是4K电视传输系统遇到的问题。国外研究人员曾利用目前最先进的检测设备（安捷伦12 GHz高性能示波器）进行过对比测试。他们发现，用一条3英尺（约91 cm）的HDMI高清电缆传输帧频为60 f/s的1080p高清电视信号，其传输过程产生的抖动和衰减并不明显，表示该电缆的带宽足以支持1080p，但在把电视信号改为帧频为30 f/s的4K视频信号之后，则终端波形出现了明显的抖动和衰减；如果再把HDMI传输电缆的长度延长至30英尺（约9.1 m），此时4K电视信号在终端的抖动和损耗更为明显，甚至无法实现正常的传输。由此可见，4K电视信号在传输过程中必须解决信号增益的问题。

4.4 对电缆长度的限制

双绞铜质电缆是支持4K电视信号传输的最基本的广电级电缆。即便在4K电视信号的帧频降低以及经过色度抽样操作后可能实现的增益，4K电视信号的传输仍然需要巨大的带宽。因此，相对于1080p高清电视传送系统，被用作4K电视基本传输电缆的双绞铜质电缆所能使用的最大长度将会大大缩短，这给4K电视传输系统的设计带来新的挑战。美国多媒体技术公司快思聪（Crestron）的工程师在经过长期实验后给出的建议是：在1080p多媒体传输系统中常见的DM 8G或CAT5e电缆可有效使用的长度极限都是100 m，而在4K系统中，这两种线缆的长度极限需要分别降低至70 m和50 m。

在模拟系统中，电缆过长会使电视画面质量下降，有时这种质量下降是观众察觉不到的。但在数字系统中，电缆过长甚至可能导致画面完全消失；更有甚者，它可能会使视频源设备与显示终端之间的不兼容问题变得更加严重。某些装置在较长电缆上测试正常，并不能保证系统中随后加入的所有装置都能正常工作。在实践中，4K电视的高带宽对HDMI电缆的要求可能更高。

4.5 视频源设备与显示终端的兼容问题

作为一项刚刚问世的新技术，4K电视尚未形成统一标准。如何解决不同厂家开发生产的视频源设备和显示终端、甚至是同一厂家生产的不同设备之间的不兼容，成为系统设计者需要克服的又一个难题（或面临的有一个挑战）。

2013年10月27日，日本在大阪马拉松赛期间进行了世界上第一例4K超高清电视现场直播的演示。技术人员用两台摄像机通过4组3G-SDI接口向HEVC格式实时视频处理系统提供现场的4K超高清视频素材（30 f/s），经过处理后的实时视频信号通过日本K-Opticom电信公司的光纤网络传至安装在大阪国际展览中心内的一台84英寸4K电视上。2014年6月，日本开始在全国范围内免费试播4K电视节目，成为世界上第一个提供定时4K电视广播的国家。

5 我国4K电视的现状

目前我国尽管尚未开始4K电视实时节目的试播，但在电视台及专业领域日常使用的视频采、编、播设备已经全面支持4K超高清格式，配套的4K电视编辑、制作的编码解码格式（如索尼XAVC、松下AVC ultra等）已经成熟，用于传输4K信号的新一代编码解码格式HEVC（美国Elemental公司开发）也得到芯片厂商、编码及传输设备厂商的广泛支持，可以说启动最具商业价值的实时4K电视服务的条件已经基本成熟。而这一服务的尽早推出，对于我国4K电视产业的发展将具有重要的拉动作用。另一方面，互联网视频服务商则早已敏锐地嗅到了4K电视的巨大商机，乐视网已发布其4K内容平台并推出了4K电视终端，预计2014年内还有多个省级网络电视运营商也将跟进4K电视业务。

4K电视机从2013年初上市以来，随着产量的增加，目前价格已经逼近高清电视水平。预计2014年全球的4K电视机出货量将达到1 200万台。在其他技术条件相对成熟的情况下，4K机顶盒及4K电视机的制造成本成为制约4K电视服务的一个主要因素。

在电视分辨率方面，一种顺理成章的预测是：具有3 300万像素的8K电视（其分辨率是4K电视的4倍）不久后将替代4K电视。但8K分辨率是现有显示技术无法实现的，而且目前世界上只有日本NHK一家广播机构公开表示有意于8K电视的商用化。事实上，8K分辨率已接近人类肉眼分辨率的极限，而8K电视的分辨率优势只有在84英寸及更大尺寸的显示屏上才能被人眼明显察觉，因此，目前大多数广播机构和电视制造商对8K电视的商用前景表示怀疑。

对分辨率的无止境追求最后很可能面临无人喝彩的结局，因为归根到底，消费者的多媒体需求和体验才是推动电视市场的最大动力。笔者预料，未来4K分辨率将成为家用平板电视机的必备功能之一，而决不是人们购买电视机的主要原因。未来的4K（甚至8K）电视机将具有更高分辨率，能支持更高的帧频和更广阔的色域和精度，并利用一系列成熟的锐化滤波器来使大量现有的1080p高清节目呈现接近于超高清的视觉效果。这对于电视运营商将是一个福音。

（编辑 张冠华）endprint