超高清数字电视关键技术及其发展趋势探讨

李东山（山东省招远市广播电视台，招远 265400）

超高清数字电视关键技术及其发展趋势探讨

李东山
（山东省招远市广播电视台，招远 265400）

本文首先对超高清电视进行了简要介绍，然后对超高清数字电视涉及到的视频处理、音频处理、传输形式和显示等关键技术进行了详细分析，最后对国内外4K超高清频道发展情况及国内超高清科研和推广计划进行了阐述。

超高清电视；视音频处理；信号传输；4K频道

1　引言

自2004年4K概念首次被电影行业提出，到2012年国际电信联盟对超高清电视国际标准ITU-R BT.2020的发布，超高清逐步进入人们的视野。近年来，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。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。

2　超高清电视简介

超高清电视最先由NHK公司提出，是一种旨在为用户提供更高质量的电视图像的数字电视技术，日、韩、英、美、俄等国均对其展开了积极的研究。如果以技术参数来定义的话，超高清电视是指分辨率为3840×2160（4K）或7680×4320（8K），帧频高达120Hz，量化深度12比特的数字电视技术。如果以主观视听感受来定义的话，超高清电视是指可为观众提供超高像素、超大屏幕、超宽观看角视频图像并令观众获得逼真图像、丰富色彩、丰满声音等视听感受数字电视技术。

与标清电视和高清电视相比，超高清电视的分辨率有了很大提高。例如在同等像素密度下，4K超高清电视的可视面积是1920×1080高清电视的4倍，是720×576标清电视的20倍。此外，超高清电视相比于标清电视和高清电视，还采用了一系列关键技术。

3　超高清电视关键技术

实现超高清显示需要超高清系统，超高清数字电视系主要包括信源压缩编码、传输信道编码、超高清数字电视的接收和解码、显示等。

3.1超高清视频处理

以4︰4︰4采样为例，4K模式超高清数字电视信号图像的原始数据率为(3840×2160bit/帧)×(24bit/ pixel)×(30帧/s)，即大约6Gb/s，8K模式的原始数据率则大约为24Gb/s。以4︰2︰2采样，4K和8K模式的数据率也要分别达到4Gb/s和16Gb/s。要将如此之大的数据量进行传输，必须研究新的压缩编码方法。2010年，ISO/IEC活动图像专家组（MPEG）和ITU-T视频编码专家组（VCEG）联合成立了视频编码联合小组（JCT-VC），来开发一个称之为“高效视频编码（HEVC）”的下一代标准。该标准的要求是，与H.264高档次（High Profile）对比，在保持计算复杂度基本一致，主观图像质量相当的前提下，将码率（bitrate）下降50%。ITU-T视频编码专家组表示，在稍微增加复杂度的前提下，还可以将码率下降到25%。

如果把1995年颁布的MPEG-2标准看作是数字电视的第一代信源压缩编码标准，经历8年后，2003年颁布的H.264可以看作第二代视频编码标准，H.264的码率比MPEG-2下降了50%。HEVC标准可以看作是第三代编码压缩标准，HEVC的码率将比H.264再下降50%或更多。这样，对于4K模式30帧/s的超高清视频，采用H.264标准可压缩至40Mb/s以内，而采用HEVC可望压缩到20Mb/s以内。

3.2超高清电视音频处理

超高清22声道的布置如图1所示，顶层安排了9个声道，中间层安排了10个声道，底层在电视屏幕下方布置了3个声道。上、中、下3个环绕声场，构成了完整的空间立体声。

图1　22声道的空间布置

这样组成的3层环声场的下层两侧再增加2个低音声道，构成完整的22.2环绕声系统，与目前流行的7.1声道环绕声系统相比，最为突出的是将声场完全三维化，声音更真实、更具现场感，能带给人更强烈的感官享受。

当然22.2声道的音频数据率也不可小视，以每声道48kb/s，24bit采样为例音频数据率达到约28Mb/s，经过音频压缩后数据率也将超过2.8Mb/s。目前，Dolby和DTS都在开发类似的多声道立体环绕声技术和系统，MPEG也在制定相关的多声道标准。对于家用来说，22.2声道播出系统的声场布置要求未必普遍适用。因此，MPEG正在制定的环绕声标准SAC（Spatial Audio Coding）考虑了后向兼容，即可以兼容或更新已有的立体声或单声道系统。SAC在编码时利用音源的强度和声道之间的空间相关性进行下混处理（Downmix），这样既可以减少多声道音频本身的传输数据率，只需要增加较少的音源空间信息数据，又可以增强已有音频系统的播放效果。

3.3 超高清电视传输技术

超高清的高分辨率意味着数据容量的倍增，超高清电视系统带来的最大挑战在于传输。当前的超高清电视传输实验主要有卫星广播、地面传输、光纤及其他新兴传输方式等。

（1）卫星传输

卫星传输具备大带宽、高速率、广覆盖等多种独特优势，多数运营商比较倾向于采用该方式来传输超高清信号，部分领先的卫星运营商完成了相关测试。

日本SKY Perfect JSAT公司先后于2012年10月和2013年3月分别直播和转播了4K格式的足球联赛。2014年3月，中国航天数字传媒发布了基于卫星传输的4K整体解决方案，该方案确保可以稳定地以实时64Mb/s的传输速率向用户推送4K视频内容。2014年6月，马来西亚卫星运营商Measat与比利时卫星运营商Newtec，在亚洲移动通信展上演示了DVB-S2X卫星信道传输4K超高清视频，为广播商实现高效率低成本4K分发提供了可能。

卢森堡卫星运营商SES已在2013年4月进行了首次超高清卫星传输测试，并从2014年11月开始，利用C波段和Ku波段在巴西境内传输4K超高清节目。德国天空广播公司也在2014年4月通过卫星信号采用HEVC编码以超高清格式转播了德甲联赛，传输速率可达50f/s（帧/秒）。2014年12月，捷克公共广播Ceske Televize（CT）联合斯洛伐克广播电视公司RTVS以及捷克国家传输公司CRa，通过位于东经23.5°的Astra2B卫星进入超高清测试阶段。

（2）地面传输

超高清地面传输测试采用标准区域性差异明显，主要集中于日本ISDB-T、欧洲DVB-T和美国ATSC3.0三种标准。

日本地面电视广播网络主要采用ISDB-T标准制式。2014年2月，日本NHK已完成了8K超高清电视的长距离（约27km）的无线传输试验。试验采用了OFDM传输体制及超高阶调制方式——4096QAM，并使用双极化天线和MIMO信号加强技术。同年5月，日本商业广播机构Kansai TV采用HEVC格式通过ISDB-T地面信道传输4K超高清内容的测试。

在欧洲，地面电视传输主要采用DVB-T标准。2014年3月，捷克国家通信传输公司CRa进行了DVB-T2地面信号4K传输测试，测试中采用的DVB-T2，HEVC允许移动电视接收，并实现电视与网络服务的互联。同年5月，法国HD Forum通过DVB-T2地面信道，采用HEVC编解码格式，传输测试4K信号，并计划在2018年正式运营国内第一个地面超高清频道。6月，英国BBC采用DVB-T2解调器，以DVB-DASH格式通过DTT地面信道和IP基础设施向封闭的环境传输4K内容。并在此后对世界杯赛事和联邦运动会进行了超高清转播。

2014年10月，美国Tech n icolor集团使用ATSC3.0规范成功完成了4K超高清电视无线传输测试，首次实现了可伸缩的HEVC（SHVC）视频编码、MPEG-H音频和MPEG的MMTA/V传输标准的技术性融合，支持“普通”天线、手机以及移动的地面用户的信号接收。

（3）光纤传输

光纤最大的特点是大容量传输，这对于高数据率的超高清电视信号非常有利。日本NHK已经采用光纤做了多种形式的传输试验，开发了用于短距离传输10Gb/s的光接口传输设备。采用光网络（全部采用光放大器，没用电放大器）在长达260km的距离上现场直播传输超高清信号。

（4）新兴传输途径

除广播电视传输通道之外，一些领先企业也逐渐开始探索其他新型超高清传输途径。一方面，通过互联网进行超高清传输的测试开始兴起。2013年，日本OKI Electric Industry公司基于IPTV IPv6网络成功地将4K超高清电视节目从新加坡传输至东京与菲律宾，接收点处的视频码率达120Mb/s。同年4月，中国天津网络广播电视台也在积极探索利用IPTV宽带网络实现4K节目播出技术，搭建了百兆传输速率到60in（1in=2.54cm）的4K电视机的测试环境，以高性能电脑作为“机顶盒”流畅输出4K电视画面。

此外，基于互联网的4K串流技术进入了小范围的试验与应用阶段。2014年1月和3月，美国YouTube 和Elemental Technologies公司先后展示了分别采用VP9和HEVC编码技术的基于互联网的4K串流技术，进一步提升了互联网传输超高清的效率。另一方面，2014年10月，波兰公共广播机构TVP另辟新径，在欧洲首次试验了经由HbbTV传输4K信号，至此，混合广播成为又一种新兴的超高清传输途径。

3.4超高清电视显示

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。

固有分辨力达到3840×2160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、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55in和65in，其他尺寸包括39in，50in，58in，60in，84in和85in。

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，另一种是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1.05Gb/s。而V-by-One的最高数据传输速率为每对3.75Gb/s，支持刷新频率240Hz、色彩12bit。如果采用LVDS处理30bit色彩（每个色彩10bit），240Hz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。

芯片是超高清电视实现真正超高清画质显示的重要器件，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。

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1920×1080格式的图像通过运算、估计，上变换至3840×2160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。

4　4K超高清频道发展概况

随着超高清电视终端逐渐进入用户家庭，超高清传输测试不断取得成功，超高清逐步走向应用，部分国家开始开设4K超高清试验频道。

2014年4月，全球首个超高清有线电视频道U-max在韩国上线，播出纪录片、动画、现场音乐会和体育赛事等100个超高清节目内容。并在2016年将投资400亿韩元用于超高清内容制作。同年6月，KT Skylife公司推出韩国第2个4K超高清频道SkyUHD，采用H.265 （HEVC）影片格式无缝传输，并计划于2015年正式全面实现商用。

2014年6月，日本开始在CS卫星电视试播4K节目，并将在2016年启动BS卫星电视的4K节目试播。同年10月，日本IPTV服务商NTT Plala正式推出了旗下的首个4K电视频道Hikari TV，提供4K视频的VoD服务，是世界上首个商用4K/60p VoD服务。此外，日本SKY Perfect JSAT公司也将于2015年开设两个专门播放4K电视节目的频道并首次实现商用，提供日本职业足球联赛等体育赛事直播、电影及音乐现场直播等。届时，日本将有3个4K电视频道。根据日本超高清计划，2016年里约奥运会之际，日本还会再发射新的卫星，用来传输4K电视信号。

美国有线运营商DirecTV已于2014年12月正式发射4K卫星DirecTV-14，信号覆盖区域约占美国领土的1/2。该卫星使用Ka波段和“反向”DBS信号，传输4K格式的电影和纪录片。此外，DirecTV还计划于2015年在美国推出首个4K频道。

2014年8月，基于有线5G双超网，中国首个有线4K超高清频道—— 大连天途有线超高清频道在2014年8月11日至9月30日期间进行试播。有线5G双超网以云业务平台为前端载体，以光纤为传输干线，采用光纤同轴复合缆入户，广播推送带宽达到5G以上，实现超高清、超宽带的信号传输。试播阶段的主要内容包括超高清电影、纪录片、风光片。

5　国内超高清科研和推广计划

目前，DVB，ATSC等国际标准都各自进行了技术演进，我国也已经对下一代数字电视标准进行了布局，科技部“863”项目“新一代数字电视关键技术研究与验证”即将进入项目验收阶段。

在超高清电视的国内科研与推广上，通过该项目的支持，已经形成了一套4K超高清无线数字电视全链路样机演示系统。该系统主要包括6个部分，分别为：4K超高清的内容采集，4K超高清的内容制作，4K超高清的信源编解码4K超高清的无线信道传输，以及4K超高清的显示呈现。该样机演示系统是继1998年我国第一代（地面）数字电视样机演示系统后面临超高清业务的新一代（地面）数字电视样机演示系统，通过该样机演示系统的实现，标志着我国的主要科研单位已经掌握了4K超高清地面数字电视广播系统的核心技术。该项目的主要研究成果目前已经被国家广电总局NGB-W工作组选为广播电视行业标准草案的主要内容。作为NGB的试验示范区，上海计划在2015年下半年采用NGBW行业标准开展超高清电视的实验播出，超高清电视广播将在产业化上迈出坚实的一步。

6　结束语

国内外已有多个超高清试验频道，超高清电视已具雏形，受到技术成熟、标准推广进度、片源匮乏等诸多因素影响，超高清在广播通道上的大范围商业推广仍需要一段时间的试验和准备，但可以预见，随着未来几年超高清相关技术和标准的逐步完善和制定，超高清数字电视也将逐步进入市场，为人们的视听感受带来全新的体验。

Discussion on Key Technologies and Development Trend of Ultra High-definition Digital Television

Li Dongshan
(Zhao Yuan Television Station, Zhaoyuan, 265400)

First to ultra high definition television were briefiy, then for super HD digital TV related to video processing, audio processing, transmission and display key technologies are analyzed in detail, finally 4K of domestic and foreign Ultra HD channels and the development of domestic Ultra HD research and promotion plan are described.

UHDTV; video and audio processing; signal transmission; 4K channel

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.02.009

TN949.197

A

1672-7274（2016）02-0048-05

李东山，1967年生，助理工程师，主要从事广播电视技术工作。

[1] 卢英锁．虚拟演播室[J]．中国有线电视，2002 (16):52-60

[2] MoshkovitzM．虚拟演播室技术[M]．北京：清华大学出版社，2005