超高清电视显示技术和测量研究

李　默

(国家广播电视产品质量监督检验中心，北京100015)

超高清电视显示技术和测量研究

李默

(国家广播电视产品质量监督检验中心，北京100015)

摘要:针对近年来超高清电视的崛起，介绍了超高清电视显示技术原理，分析了平板背光和曲面背光的产业定位、技术特点以及优缺点。在此基础上，引出主要显示性能的测量项目与方法，并对一部分超高清电视的测试结果进行了探讨。最后对行业发展趋势进行了分析和探讨。

关键词:超高清电视；显示技术；色彩性能；测量方法；发展趋势

近年来，随着显示技术和制造技术的快速发展，随着人们对电视显示效果的要求不断提高。电视机迎来了继CRT电视到平板电视(液晶和等离子)、标准清晰度电视到全高清电视后的第三次重大技术革命——超高清电视。2012年5月柏林IFA贸易展示会上，LG首次展示了一款型号为LM9600(84 in)的4K超高清电视。自此之后，松下、三星、索尼、夏普、创维、TCL等众多企业纷纷宣告推出自己制造的4K超高清电视，随后在2015年夏普分别推出80 in(1 in=2.54 cm)和70 in的8K超高清电视机80XU35A和70XU30A。不同类型背光(平板背光和曲面背光)的超高清电视，其显示特点不尽相同，但均给使用者带来更大显示像素数量、更大的观看视角、更宽的色域、更高的清晰度和细节、更细微的人类视觉感官体验。

1超高清晰度显示技术

标准清晰度电视的像素数目为720×576。全高清电视(Full HDTV，FHDTV)的像素数据提高到1 920×1 080(2K×1K)，简称2K电视。UHDTV相关的国际标准如下：ITU-R BT.2020，SMPTE 2036。

国际电信联盟ITU在2014年发布了ITU-R BT.2020《用于UHDTV超高清电视系统节目制作与国际节目交换的参数值——ITU推荐标准》[1]对超高清电视的图像格式进行了标准化。建议书定义了下一代超高清电视(Ultra HDTV，简称UHDTV)的格式，即超高清电视(UHDTV)的分辨率为W(宽)×H(高)=3 840×2 160(4K×2K)像素的电视(简称4K电视)和W(宽)×H(高)=7 680×4 320(8K×4K)像素的电视(简称8K电视)，此定义的是图像空间特性。相比全高清电视(FHDTV)的像素数目，其像素数目提高了4倍和16倍。由于8K×4K分辨率是人眼的极限分辨率，4K×2K UHDTV最终向8K×4K UHDTV过渡，现阶段4K显示技术较易实现和市场普及。

美国电影及电视工程师协会SMPTE在2014年发布了SMPTE 2036最新标准：SMPTE ST 2036-1：2014《用于UHDTV超高清电视节目制作的图像参数值》[2]。该标准建议了超高清节目制作用的接口标准提案、图像传输方法和图像参数值。SMPTE标准与ITU现有标准内容相兼容。

根据ITU-R BT.2020建议书，ITU对超高清视频显示从图像空间特性、图像时间特性、系统色度特性、信号格式及数字表现参数进行了规范[1]。具体内容如表1～4。表5是HDTV系统的色度特性，可通过表3与表5的比较得出UHDTV更为宽广的色域。

表1图像空间特性

参数值图像纵横比16∶9像素数水平×垂直7680×43203840×2160取样点阵正交像素纵横比1∶1(方形像素)像素寻址每行像素的顺序是从左向右,行的顺序是从上至下

表2图像的时间特性

参数值帧频率/Hz120,60,60/1.001,50,30,30/1.001,25,24,24/1.001扫描模式渐进(逐行)

表3UHDTV系统的色度特性

参数值非线性预纠错前的光电传输特性假设为线性基色和用于参考的白色色品参数(CIE,1931)xy红基色(R)0.7080.292绿基色(G)0.1700.797蓝基色(B)0.1310.046参照白基色(D65)0.31270.3290色域覆盖率/%57.29

表3中：假设为线性是指图像信息在0～1的范围内可用RGB三色刺激值线性指出；主色和用于参考的白色是指图像信息的色度值可在RGB基色和参照白基色的基础上加以判定。

表4信号格式

参数值信号格式R'G'B'非线性传输功能恒定亮度Y'CC'BCC'RC非恒定亮度Y'C'BC'RE'=4.5E,0≤E≤βαE0.45+(α-1),β≤E≤1{(1)式中:E'是最终的非线性信号;10比特系统中,α=1.099和β=0.0180;12比特系统中,α=1.0993和β=0.0181Y'C和Y'的衍生物Y'C=(0.2627R+0.6780G+0.0593B)'上式中:Y'C为根据彩色摄像机信道R,G,B衍生的亮度方程公式Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'上式为根据彩色摄像机信道R,G,B衍生的亮度方程公式色差信号的衍生物C'BC=B'-Y'C1.9404,-0.9702≤B'-Y'C≤0B'-Y'C1.5816,0≤B'-Y'C≤0.7908ìîíïïïïïï上式为色差信号C'BC的衍生公式C'RC=R'-Y'C1.7184,-0.8592≤R'-Y'C≤0R'-Y'C0.9936,0≤R'-Y'C≤0.4968ìîíïïïïïï上式为色差信号C'BC的衍生公式C'B=B'-Y'1.8814上式为色差信号C'B的衍生公式C'R=R-Y'1.4746上式为色差信号C'R的衍生公式

表5HDTV系统的色度特性

参数值基色和用于参考的白色色品参数(CIE,1931)xy红基色(R)0.64000.3300绿基色(G)0.30000.6000蓝基色(B)0.15000.0600参照白基色(D65)0.31270.3290色域覆盖率/%33.24

通过对表3(UHDTV)与表5(HDTV)系统比色法的比较，可以看出超高清电视在色域方面的优点：在图1 CIE 1931 XYZ的RGB色彩空间即表示自然界所有真实的色彩，一大和一小两个三角形区域分别表示为UHDTV和HDTV系统能够显示出的色彩，直观地得出UHDTV比HDTV在电视机上更为宽广细致的色彩表现能力。

图1　UHDTV与HDTV色域对比

2超高清电视平板和曲面显示技术

从超高清电视诞生起，出现了平板显示和曲面显示两大类超高清电视产品。从背光结构、原理和驱动方式、显示特性都不一样。2013年前并没有OLED背光电视进行量产，直到2014年开始实施生产。在IFA 2013展会SONY推出采用曲面屏幕的65 in的LED电视，型号为S990A。同年9月，LG发布55 in曲面电视55EA9800-CA；三星也推出55 in曲面电视KA55S9C。2014到2015年，在超高清电视范围内曲面背光产品持续上升发展，并呈现出与平板背光齐头并进的趋势。

2.1超高清电视产业状况分析

现有文献报告[3-4]指出，2015年全球电视市场的出货量将达到4 800万台。2015年第二季度4K电视的出货量比2014年同期增长197%，达620万台。随着4K电视的零售价格持续下降和生产工艺提升，4K产业链的逐渐形成，是促使其出货量增加的主要原因。中国国内消费者对于超高清电视的期望度持续上升，中国市场将成为超高清4K电视的重中之重。

2014年开始，超高清电视出现了曲面电视，曲面电视市场的逐渐发展分化为曲面LCD面板(LED背光)和AMOLED柔性面板两种不同的技术领域，并同时获得巨大的发展空间。2014—2015年间，引领曲面显示超高清的LG及三星重点布局以AMOLED技术为基础的产业链供应链。截止2015年第四季度，中国国内将有8座TFT LCD及AMOLED八代线面板厂建成并投入运作，预计全球平板4K面板保持持续增长速度，并且2015—2017年曲面面板(曲面LCD面板及曲面AMOLED面板)在继续增长的同时，AMOLED的市场占有率将上升[5]。图2是2013—2017年弯曲型LCD和OLED电视显示屏出货量。

图2　2013—2017年弯曲型LCD和OLED电视显示屏出货量

2.2平板和曲面显示技术特点

4K超高清电视按面板类型分为平板LCD面板(LED背光)和曲面面板，其中曲面面板又发展为曲面LCD面板(LED背光)和OLED(有机发光二极管)柔性面板[6]。图3对比了OLED结构和LCD结构的区别。

图3　OLED基本结构和LCD基本结构

平板LCD面板(LED背光)的成像原理和结构较为复杂(见图3)。它是通过电压控制液晶分子旋转，从而遮挡背光控制颜色深浅(灰阶亮度)，再通过偏振片和滤光片让不同子像素显示三原色，这样就可以得到颜色和深浅可控的子像素点并通过像素阵列显示不同的图像了。TFT驱动的LCD面板有几种不同的液晶分子排列方式：TN、IPS、MVA、PVA面板。而实际结构中，关键的液晶分子被夹在两块玻璃之间，由TFT(薄膜晶体管)施加电压驱动。

曲面LCD面板(LED背光)的LCD TFT技术不同于传统平板LCD TFT技术。它是LCD面板曲面化和LED背光曲面化的结合产物，其本质上是使用曲面LED背光的曲面LCD面板产品。因此曲面LCD面板(LED背光)存在两个难题。第一，是LCD面板可进行曲面弹性重塑，达到一定的曲率。对于每一个子像素点来说，液晶负责控制灰度，三原色滤光片控制颜色，它们必须一一对应才能显示正确的颜色。但LCD面板曲面化弯曲过程中出现的彩模基板(CF)与阵列基板(TFT)的错位，导致颜色失真和漏光问题。而且LCD面板结构复杂，是由多层材料组装而成(图3)，当改变曲率时，多个材料的同时变化会导致各材料曲率的非同步。其次，国内曲面LCD电视采用的都是液晶分子垂直排布的VA软屏，在弯曲平面液晶面板过程中，屏幕当中的液晶分子方向无法均匀改变，这都会带来光学显示的不良影响。解决方法是：设定延伸层，把曲面LCD面板的弯曲方向与像素电极的长边延长方向保持一致，降低产生的色偏。第二，是背光系统的设计，目前的曲面LCD电视(LED背光)的内部结构，其实是将导光板和背光板底座进行了人工弯曲，因为是用塑料制作的导光板和金属制成的底座，所以这种物理弯曲的方式不适用于可弯曲型LCD电视。解决方法是：背光维持平坦物理状态，避免背光模块和面板间距不同而导致的亮度不均。实际上背光模块又分为测入式和直下式背光两种。侧入式背光是LED光条布局在侧面，其方向与面板弯曲方向垂直，只有调整光学膜(包括导光板)才能解决面板的亮度不均问题；直下式背光的亮度不均问题可通过调整光学膜及LED灯来解决。如图4所示，平面LCD面板中的LED被等距隔开，曲面LCD面板中，通过调节LED的位置使画面亮度均匀，比如改变每个光条中LED的间距(黄灯表示LED打开，粉灯表示关)。

图4　不同类型LCD直下式LED背光灯的剖面图

AMOLED(有源矩阵)和PMOLED(无源矩阵)是OLED的两种不同驱动方式，AMOLED的基础是有机物发光体， 采用像素阵列结构，与PMOLED不同的是：AMOLED采用薄膜晶体管驱动电路独立控制显示器像素阵列的每个像素单元，实现整个像素阵列连续发光，且可设置补偿电路来对各个发光二极管进行亮度补偿，使得AMOLED显示器亮度均匀，发光效率高，使用寿命长，同时也避免了曲面液晶面板中常见的光柱、Mura云纹、漏光等现象。AMOLED与曲面LCD面板(LED背光)相比，具有以下优势：1)色域，AMOLED采用主动发光，无背光结构，因此具有更广的色域。不过TFT LCD的发展路线图表明LCD也在持续提高色域，因此AMOLED也要继续突破技术。2)对比度，AMOLED可独立控制每个像素单元的关闭来显示更深的黑色，因此对比度大于LCD。3)视角，宽视角，相比液晶没有光学失真现象[7]。4)功耗，更低的功耗，AMOLED显示屏的每个像素都可独立调控自身亮度，无恒定背光，因此节省了功耗。5)尺寸，由于没有背光组件，曲面AMOLED的厚度大大小于LCD面板(LED背光)。但是，AMOLED的缺点是：目前技术处于高速发展时期，面临着生产良品率不高的问题，因此导致成本较高。图5是超高清电视中AMOLED面板结构示意图。

图5　超高清电视中AMOLED面板

PMOLED(无源矩阵)没有采用薄膜晶体管TFT(技术)，其无源驱动存在缺陷：高电压或大电流的脉冲信号使发光效率很低，大电流降低OLED寿命，导致分辨率越高OLED的显示寿命越短，因此不满足高分辨率显示屏的质量要求。图6是超高清电视中PMOLED面板结构示意图。

图6　超高清电视中PMOLED面板

3超高清电视显示性能测量方法

基于超高清电视的显示原理和使用平面/曲面面板技术的超高清电视的大量涌现，同时目前国内的《超高清显示认证技术规范》起草较早，柔性面板技术尚未予以考量，且包括市场已淘汰的PDP型电视的项目，对超高清电视显示性能的评价考量也不全面完整，因此下面将针对超高清电视(4K)的显示性能提出了测量条件、测量用信号、测量项目和测量方法，最后通过对一定数量的4K被测样机的测试数据来验证显示性能测量方法。

3.1测量基本要求

图像帧频的要求：从我国实际电网工作频率和规定超高清输入格式的角度出发，4K系统选用25 Hz、50 Hz和100 Hz。接口要求：HDMI1.4接口支持刷新率为30 Hz，HDMI2.0接口支持刷新率为50 Hz或60 Hz。HDMI2.0是最新的端口标准。依据ITU标准[1]，由于本测试目的同理于观看者角度，因此测试距离为超高清电视的1.5倍屏高。光学测试仪器应放置在与显示屏中心测试点P0(见图7)正交垂直线上，且在整个测试过程中，光学测试仪器位置保持不动。

图7　九窗口信号测试点

3.2测量项目和方法

超高清电视中的平板LCD电视的光学显示性能参数如亮度、对比度、亮度均匀性、色域覆盖率、亮度可视角等的测量方法应与高清电视测量原理相同，因此上述参数项目的测量步骤等同SJ/T 11348—2006《数字电视平板显示器测量方法》[8]。而平板LCD电视应与曲面LCD电视和OLED曲面电视的测量方法不同，考量超高清曲面电视的项目也应依据曲面光学特点而不同。在表6中给出了超高清平板电视测量项目。在表7中给出了超高清曲面电视测量项目。

表6超高清平板电视测量项目

测试项目区域单位亮度中cd/m2对比度—倍亮度均匀性—%色域覆盖率—%亮度可视角—度清晰度—电视线像素缺陷——

表7超高清曲面电视测量项目

测试项目区域单位亮度左中右cd/m2棋盘格对比度左中右倍亮度均匀性—%色域覆盖率—%亮度可视角—度清晰度—电视线Mura(像素缺陷)——

上述超高清曲面电视测试项目中，除亮度均匀性外，亮度、棋盘格对比度、色域覆盖率、亮度可视角、清晰度和Mura项目的测试方法和信号均与SJ/T 11348—2006不同，下面提出超高清曲面电视的测量方法。

3.2.1超高清曲面电视的亮度

其步骤是：被测样机显示九窗口信号，测试图7中P0，P2，P4点的亮度值L0，L2，L4。图8是九窗口信号测试点位置注解图。

图8　九窗口信号

3.2.2超高清曲面电视的棋盘格对比度

(8)

(9)

(10)

图9　棋盘格信号测试点

图10　棋盘格信号

3.2.3亮度均匀性

是指测试样机屏幕中心与屏幕边缘图像之间的亮度差。测量步骤是：

1)显示九窗口信号，亮度计放置在图7所规定P0点相交的垂直线上保持不动，测试距离为1.5倍显示屏幕高度。

2)测试图7所规定的P0～P8各个点的亮度值分别为L0～L8。

3)用式(11)计算定点式亮度均匀性Pi

(11)

3.2.4色域覆盖率

国际电信联盟发布的ITU-R BT.2020标准，其定义的色域高达NTSC色域的133% (见图1)。但在对超高清电视的色域覆盖率测试的结果表示时，宜采用CIE 1976u′，v′均匀色空间中表示。将超高清电视还原的三基色(R，G，B)色度坐标组成的三角形色域面积，或多元色电视各元色色度坐标组成的多边形色域面积，占CIE 1976u′，v′均匀色空间谱色轨迹色域面积(0.195 2)的百分比。测量步骤是：

3)对三基色电视(显示器)，用式(12)计算三色色域面积S及色域覆盖率GP

(12)

(13)

3.2.5亮度可视角

亮度可视角是在屏幕左区域和右区域的亮度减小到1/3时的水平可视角。测量步骤是：

1)显示九窗口信号，在P0点正交垂直位置用亮度计测试图8所规定的P2点和P4点的亮度值L2和L4；

2)以电视的中心为轴线，旋转电视，当旋转方向为P2点位置靠近亮度计时，保持亮度计位置不变，测试P4点的亮度变为L4/3时得到右视角；

3)以电视的中心为轴线，旋转电视，当旋转方向为P4点位置靠近亮度计时，保持亮度计位置不变，测试P2点的亮度变为L2/3时得到左视角；

4)1/3亮度的水平可视角即为左视角和右视角之和。

3.2.6超高清电视清晰度

其应与高清晰度电视不同，图11是4K超高清晰度复合测试图例。

图11　超高清晰度复合测试图例

3.2.7Mura测试

Mura是将被测样机显示全屏白、全屏黑和全屏灰(30%、50%和70%灰度电平)，同时检查电视机表面，寻找从几个像素大小到小于屏幕对角线20%大小的任何会影响显示亮度均匀性的缺陷，譬如斑驳、亮点或暗点。在报告中注明所有发现的缺陷的大小、数量、位置等。

4超高清电视测试结果分析

本次送测样机均为4K超高清电视，平板送测样机共20台，曲面送测样机共30台(LCD曲面电视7台)。

4.1亮度测量结果

平板4K电视亮度结果统计见图12，黑粗线是SJ/T 11348—2006限值350 cd/m2，其中9台低于该限值，最高值为513 cd/m2，最低值为294 cd/m2；曲面4K电视亮度结果统计见图13，测量结果均高于300 cd/m2，最高值(L0，L2，L4)为523/455/467 cd/m2，其中22台OLED曲面电视亮度处于350～450 cd/m2区间内，说明OLED补偿电路对发光效率提高不少。

图12　平板4K电视亮度测量结果

图13　曲面4K电视亮度测量结果

4.2对比度测量结果

图14　平板电视对比度测量结果

图15　曲面4K电视对比度测量结果

4.3亮度均匀性测量结果

平板4K电视亮度均匀性结果统计见图16，黑粗线是SJ/T 11348—2006限值75%，最高值为88.0%，最低值为64.6%，其中8台低于限值；曲面4K电视亮度均匀性结果统计见图17，最高值为97.0%，最低值为70.6%(曲面LCD)，OLED曲面4K电视亮度均匀性大部分分布在80%～90%间，统计分析较为集中。

图16　平板4K电视亮度均匀性测量结果

图17　曲面4K电视亮度均匀性测量结果

4.4色域覆盖率测量结果

平板4K电视色域覆盖率结果统计见图18，黑粗线是SJ/T 11348—2006限值32%，均高于限值。最高值为36.6%，最低值为32.3%；曲面4K电视色域覆盖率结果统计见图19，最高值为47.6，最低值为33.9%，共26台高于40%，可以说明4K电视较HDTV电视的色域覆盖率提高很大，其中曲面OLED的4K电视尤为突出(超高清电视的色域覆盖率理论值为57.3%，见表3)。

图18　平板4K电视色域覆盖率测量结果

图19　曲面4K电视色域覆盖率测量结果

4.5亮度可视角

平板4K电视亮度可视角结果统计见图20，黑粗线是SJ/T 11348—2006限值120°，没有样机达到限值。最高值为100°，最低值为76°；曲面4K电视亮度可视角结果统计见图21，最高值为170°，最低值为140°。由于曲面的弯曲特点，本测量方法能够客观体现曲面可视角的能力，测量结果同时说明弯曲特性的4K电视的视角提高明显，尤其是采用OLED的4K电视。

图20　平板4K电视亮度可视角测量结果

图21　曲面4K电视亮度可视角测量结果

4.6清晰度测量结果

本次测量的平板和曲面4K电视的清晰度，均达到2 160电视线。而且主观测试清晰度时亦能够感受到细节画质的巨大提高。

4.7像素缺陷和Mura测量结果

平板4K电视的像素缺陷测量中，有2台各测出有1个像素缺陷点；曲面4K电视的Mura测量中，有3台各测出1个暗点，其中2台出现在左下角，1台出现在右下角。说明包括OLED在内的曲面电视的生产工艺仍需不断提高，在面板和背光模组弯曲化的同时，保证将Mura降低至最低限度。

5小结

本次送测样机是中国电子商会组织送样样机，品牌涵盖市场主要品牌，测量结果能够比较客观地反映目前超高清电视的显示性能。对于超高清电视中出现的平板和曲面两种技术和形态的产品，针对性地提出了不同的测量项目和方法，并进行了测量。大部分4K平板被测样机达到SJ/T 11348—2006限定值要求，且LED背光的4K平板LCD电视仍在技术提升；另一方面，曲面LCD电视测量结果与4K平板结果接近，而OLED曲面电视测量结果在亮度、对比度、亮度均匀性、色域覆盖率、亮度可视角方面均比4K平板有较大提高，但仍需提高生产良品率、降低缺陷点。从发展趋势看，多领域对高色域高分辨率的要求越来越高；从技术发展的角度看，OLED新材料的应用、OLED(红光、滤光、蓝光)发光器件的寿命效率的持续提高，保证了产品的稳定可靠性，不久市场将出现4K平板电视与OLED曲面4K电视齐头并进的趋势。

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[8]SJ/T 11348—2006，数字电视平板显示器测量方法[S].2006.

责任编辑：闫雯雯

Ultra high definition television(UHDTV)display technology and measurement research

LI Mo

(NationalTesting&InspectionCenterforRadio&TVProductsofChina，Beijing100015，China)

Abstract:In recent years， ultra high definition TV is rising， Ultra high definition television(UHDTV)display technology principle is introduced. The flat-panel backlight and surface backlight industry location， technical characteristics， advantages and disadvantages are analyzed in this paper. On this basis， leads to the main display performance measurement projects and method， and the test results of a part of ultra high definition TV are discussed. In the end， the development trend of the industry is analyzed and discussed.

Key words:ultra high definition television；display technology；color performance；measurement methods；development trends

中图分类号：TN948

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.06.012

收稿日期：2016-03-03

文献引用格式：李默. 超高清电视显示技术和测量研究[J].电视技术，2016，40(6)：57-67.

LI M. Ultra high definition television(UHDTV)display technology and measurement research [J].Video engineering，2016，40(6)：57-67.