超高清数字电视关键技术及其发展探析

冯聪杰 李祖章

（作者单位：四川九州电子科技股份有限公司）

从4K概念正式提出，到2012年超高清电视国际标准ITU-R BT.2020的发布，超高清正式进入人们的生活。随着不同尺寸超高清电视的出现，超高清电视就成为关注的焦点。相比高清电视，超高清电视更加逼真、细腻，拥有更为准确的视觉信息和强烈的临场感，从而为电视技术发展开启了全新的篇章。

1 超高清数字电视的关键技术

1.1 视频处理技术

在4K模式下，按照4∶4∶4的模式，超高清数字电视信号的初始数据比为16 Gb/s左右。当处于8K模式下，能够达到24 Gb/s；按照4∶2∶2的样本，其4K数据为16 Gb/s，在8K模式下，初始数据为16 Gb/s。如在上述的数据量下进行传输，那么就无法有效地开展现有的压缩编码，还需要结合新的方式。所以，在2010年，有关视频编码的专家以及活动图像专家研发与超高清数字电视压缩编码目标实现，其作为“高校视频编码”的第三代标准。为了满足标准的要求，还需要在保证图像质量的同时，将码率降低50%。这就表示，处于4K模式下，30帧每秒的超高清视频可以满足H.264标准的使用要求，并且可以在40 Mb/s内实现压缩操作，如果按照HEVC标准，就可以处于20 Mb/s之内[1]。

1.2 传输技术

1.2.1 地面传输

利用电视台制高点天线，通过对外发射无线电视信号，就可以覆盖所有的电石用户，通过接收天线和电视机，用户可以随时观看电视节目，以满足高清数字电视信号的传输要求。

针对超高清电视的地面传输标准，主要包含了ISDB-T、ATSC3.0和DVB-T。而在超高清电视技术方面，日本是遥遥领先，其广播网络标准制式主要是利用OFDM的正交频分复用技术以及超高阶的调制4096QAM方式，并且使用了MIMO信号增强技术以及双极化天线。

1.2.2 网络传输

互联网技术的应用，通过电信宽带来支持互联网模式，利用光纤到户，就可以满足多种交互式传播IPTV，也就是通过交互式的网络电视为家庭用户提供数字电视在内的交互式多媒体服务。在IPTV应用中，主要包含了多媒体技术、通讯技术以及互联网技术等内容，用户利用个人电脑或者是网络机顶盒就可以直接接收对应的节目，在满足传统意义上的视频服务和网络浏览的同时，也能够满足互动点拨、在线交易、网络游戏等数字化的电视平台要求，进而满足不同层次的用户需求。例如，美国的YouTube公司就是通过VP9编码技术，满足互联网4K串流技术，从而进行超高清电视视频传输。4G技术持续发展，大幅度提高了网络传输宽带以及传输质量，这样也可以满足媒体融合的需求，也有利于资源整合，促进超高清电视的发展[2]。

1.2.3 有线与光纤传输

有线电视网络能够满足“一城一网”的企业化运营模式的实际要求，利用有限制式的机顶盒安装，用户就能够获取信号。有线信号传输主要是利用光纤网络，而光纤也是目前性能最好的一类传输介质。光纤传输本身拥有容量大、频带宽、传输效率高等一系列优点，一般作为原始视频图像的传输介质。另外，通过光纤传输的视频信号，其本身的数据是连续的，画面基本上不会出现延时，并且数据不会丢失，可以满足数据高保真需求。

现阶段，一路光纤只能够满足几路到几十路的无压缩高清视频图像的传输。光纤线传输带宽的进一步提高，可以满足一路单模光纤线中上百路甚至是上千路的高清视频信号传输。考虑到超高清图像占据的带宽是高清图像的4倍之多，所以光纤传输线路的敷设成本较大，在实际利用中，还需要将视频的压缩效率提高，可以利用H.265的高效视频编码标准。

1.2 音频处理技术

通过完整的空间立体声构建，具体见图1所示，就会直接形成3层的换声场下层两侧再增加2个低音声道，形成22.2的环绕声系统。与当前7.1省道的环绕声系统相比，最明显的特点在于生产能够完全三维化，其声音更具有现场感，更加真实，可以给人带来强烈的感官体验。

当然，其音频数据率也不能小看，基于每声道48 kb/s，以24 bit采样作为内容，可以达到28 Mb/s的音频数据率，在音频压缩处理之后，其数据率会超过2.8 Mb/s。当前，Dolby和DTS在进行多声道立体环绕声技术与系统的开发，并且MPEG也制定了多声道标准。如果是家用，22.2声道未必就可以满足所有的适用性要求。所以，在制定MPEG环绕声标准的时候，还应该考虑向后的兼容性，也就是兼容或者是更新已有的单声道系统和立体声系统。在编码中，SAC通过利用音源强度和声道之间空间相关联性，从而进行下混处理，就可以降低多声道音频的传输数据率，只需要增加少量的音源空间信息数据，就可以增强播放效果。

图1 空间布置示意图

2 超高清数字电视的发展趋势

在当前的硬件技术条件下，全社会已经逐渐普及4K超高清分辨率，并且更加细节的画面和精细的分辨率，也能提升消费者视觉感官体验。目前，国内外的电视品牌都注重4K超高清电视产品的阵营，也就是从原本的高清电视逐步朝着全高清电视过渡，而精致的画面就成为不断追求的目标，随着超高清片源的出现，超高清智能电视就会成为发展的必然。

在当前的软件技术条件下，集成化、功能丰富化、操作便捷化成为发展的主要目标之一。未来的智能电视不仅需要满足节目产品的观看需求，也要成为智能家居控制终端的显示系统，这就使得智能电视补给需要像现在一样，能够与外地的家人保持相互的视频通话，同时能够监视家里面空调、冰箱等产品的实际运行状态，甚至还可以观察孩子、宠物在家里面的情况。在未来的发展中，观看电视只是其中一个很小的功能，更多是要成为各种移动端信息的输出与控制终端，这才是未来发展的主流[3]。

3 结语

因为国内外超高清试验频道的存在，超高清电视已具雏形，受到标准推广进度、技术成熟度以及地理位置等因素的影响，要想大面积推广，还需要较长的时间去准备和试验。但是，可以清楚地了解到，随着有关超高清技术标准的制定与完善，超高清数字电视必定能走入人们的视野中，从而给人们带来全新的视听享受。