4K超高清电视技术特点研究

王东

【摘要】本文对4K超高清电视技术的优势和特点进行了探讨，对4K超高清电视应用的具体技术展开了分析，应用了视频处理技术的4K超高清电视具有色域更广、量化精度更高、帧率和动态范围更高的特点，应用了音频处理技术的4K超高清电视具备更加立体的音频效果，4K超高清电视还应用了网络传输技术和光纤传输技术使数据传输更加高效。

【关键词】4K超高清;电视;技术

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.06..004

科技的发展使电视技术水平不断提高，电视技术在清晰度上实现了从标清到高清再到超高清的转变，通过超高清电视技术使模拟电路发展成为数字电路，在超高清电视音视频技术不断升级优化的过程中为超高清电视的画面和音效带来了更好的显示效果，4K超高清技术涉及到各个方面的技术，需要通过全方面的研究来提高超高清电视技术的水平。

1. 4K超高清电视技术的优势和特点

1.1 色域更广、量化等级更高、音频效果更好

首先，4K超高清电视具有色域更广的优点。色域指的是设备可以显示的色彩空间，电视的色域是电视能够显示的全部色彩范围，电视4K超高清电视的色彩空间范围更广。在CIE1931XYZ划定的色彩空间的基础上，高清电视的ITU-R BT.709色域仅能达到CIE1931的35.9%，但超高清电视BT.2020色域可以达到CIE1931的75.8%，4K超高清电视色域更广的特点使图像更具有真实感。其次，4K超高清电视具有量化精度更高的优点。标清电视和高清电视的量化精度为8bit，而4K超高清电视具备10bit的量化精度。更高的量化精度使电视具有更高的色深，也让电视画面更加平滑和精细。最后，4K超高清电视具有音频效果更加立体和真实的优点。标清电视在左右声道作用下的音频为立体声，高清电视的音频则是5.1环绕声，而超高清电视的音频在5.1环绕声的基础上发明的音频技术为5.1.4三维声，比高清电视多了4个音箱，在播放音频时更具有真实感和沉浸感。4K超高清音频技术可以利用不同的声音轨迹使声音更加立体，通过立体的声床和声音轨迹让人们听到不同方位发出的特定声音。

1.2 具有更高的帧率

4K超高清电视具有帧率更高的优势和特点。最初的电视使用的扫描方法为隔行扫描法，隔行扫描就是将每一帧的画面变为两个部分，先对画面的奇数行进行扫描，再对画面的偶数行进行扫描，然后将两个部分汇合到接收端，形成一帧画面。这种扫描方式存在较多的问题，当两部分扫描出现同步的情况时，两部分扫描的画面内容就会出现重合的情况。当垂直运动的物体在扫描中出现的时间与在显示屏中出现的时间相一致的时候，两部分扫描的画面就会相同，较低的帧率使电视图像不够清晰。高清电视对标清电视有所改进，使用了50i的格式，将帧率提高为50fps，但因为高清电视使用隔行扫描的方法，所以每部分画面的数据仅仅是总画面数据量的一半。4K超高清电视应用了更为先进的技术提高了电视画面的帧率，显示屏部件和芯片的制造以及编解码等技术的出现和应用满足了4K超高清电视的分辨率对帧数的要求。4K超高清电视较高的帧率解决了高速运动物体在显示画面中的不连续和画面跳跃等问题，用逐行扫描的方式代替了隔行扫描的方法，使电视的画面更为流畅和清晰。

1.3 具有更高的动态范围

高动态范围又叫作HDR，HDR的最小数量级为星光10-6，最高数量级为109的太阳直射光，也就是说在自然界环境中，所有物体的亮度范围可以达到1015：1。通常人们在瞳孔不调节的情况下可以看到的范围是105：1。最初的电视只能显示103：1的亮度范围，这时的电视图像的动态范围在0.1-100nit之间，这个动态范围值也可以叫做标准动态范围，可用SDR表示。目前有部分电视虽然能够显示较高的亮度，但如果电视的信号源未使用HDR技术，同样不具有HDR的显示效果。人们观看电视时能观测到的亮度范围非常有限，实际上电视的亮度范围比自然环境中的范围要小得多。例如，当自然环境的亮度较暗时，很有可能在电视图像上显示一片漆黑，而自然环境的亮度较高时，也有可能在电视屏幕上出现一片白光。为了解决电视画面中的暗度较低和曝光严重等问题，HDR技术对自然环境中的物体进行了全面的采集，使電视画面的亮度范围从原来的103：1扩大为105：1，尽可能在电视画面中显示出更暗和更亮的自然环境场景。4K超高清电视通过HDR技术的应用使画面具有更高的动态范围，人们在观看电视的过程中会看到更加明亮的画面。

2. 4K超高清电视技术分析

2.1 4K超高清电视的视频处理技术分析

4K超高清电视与2K电视相比具有更高的分辨率，4K超高清电视对分辨率的要求和规定为3840×2160，使用逐行扫描的方式使电视画面帧率可达到50帧/秒，超高清电视的量化数值需要达到10bit，根据4K超高清电视对各项数据的基本要求和传输的数据量进行计算，可以得出在未经压缩情况下每秒钟的传输数据量为4.15Gbps。庞大的传输数据量对视频处理技术提出了更高的要求，需要压缩4K超高清电视的信号并对其进行编码处理。在视频压缩编码技术的应用中，成功将H.264编码升级为H.265编码，扩大了电视图像的压缩比，通过更强的压缩将传输数据量降低到了25Mbps。为了满足高分辨率的要求，4K电视在应用视频编码技术的时候需要不断提高技术水平。根据4K超高清电视的发展需求，需要将电视的运行信号速度保持在16Gb/s。当前的超高清电视视频编码技术应满足传输的标准，保证电视画面更加高清。4K超高清电视在发展中逐渐应用了新一代的HEVC技术，HEVC视频编码技术的基础性技术为H.264/AVC技术，新型的技术使视频结构更加灵活，确保各个框架里的各部分内容都可以在范围内进行。保证各个小组具备更高的预测能力和变换的能力。4K超高清电视对HEVC视频压缩技术的应用促进了图像压缩和编码技术的发展，为超高清电视的应用带来了巨大的发展价值。

2.2 4K超高清电视的音频处理技术分析

4K超高清电视在应用音频处理技术对三维空间的声音进行立体化处理的时候，能够形成三层换声场，还会在最下面一层的两边区域额外添加两个低音声道，构成22.2的电视音频声音环绕系统。22.2自然声环绕系统和7.1声道系统在应用中的不同之处在于，22.2系统可以播放出三维立体化的环绕声音，使电视的声音更加真实和立体，带给人们强烈的听觉冲击。音频数据率的处理技术可以保证4K超高清电视音频系统中单独一个声道的音频数据率达到48kb/s。如果根据24bit的量化精度进行处理，电视音频的数据率会提高为28Mb/s左右，利用音频压缩技术对音频数据率进行压缩，可以使音频数据率超过2.8Mb/s。4K超高清电视的音频处理技术对Dolby和DTS进行了研发和试用，该技术是一种多声道环绕声立体技术，但在应用的过程中可能会使某些性能无法达到预定的标准。在研发MPEG环绕系统的时候要保证系统的兼容性，使单声道系统和立体声具有更好的音频效果。在对超高清电视音频数据进行编码的过程中应当注意声道和声音的关系，尽可能避免多声道音频出现问题，最大程度提高超高清电视的声音效果。

2.3 4K超高清电视的网络传输技术分析

信息技术在4K超高清电视的发展中起到了非常重要的作用，信息技术可以为4K超高清电视的网络传输提供技术支撑，利用电信宽带的优势支持4K超高清电视的互联网发展模式，通过网络传输技术的应用和光纤到家的方式在电视中形成各种各样的交互方式，不同用户只需要通过交互式网络就能够看到各类的交互式服务。4K超高清电视在应用IPTE的时候融合了通讯和多媒体等技术手段，用户只需要通过机顶盒就可以接收到相应的电视节目。网络传输技术能够让超高清电视在同一时间进行视频和提供网络服务，用户可以通过该技术在在电视中实现交易、点播和游戏，满足用户的各方面需求。在具体应用网络传输技术的时候需要对网络宽带和调制方法进行分析和计算。各个网络因其容量和数据量的不同会形成不同的编码方法和编码率。4K超高清电视视频会扩大视频的码率和需要使用的宽带种类，提高工作人员编辑量，通过更高级的编辑方式和数据压缩锁率提高传输的速度。在超高清电视网络传输技术的研发和应用中要充分重视网络传输的信号质量，对超高清电视信号传输质量中的信号电平、误差率和误码率进行调整和控制，可以尝试使用256QAM的调制方法来提高数据容量和接收端的信号质量。

2.4 4K超高清电视的光纤传输技术分析

信息技术在4K超高清电视传输技术中的应用还体现在光纤传输技术上，不同的电视用户对超高清电视的功能和使用有着不同的需要，可以通過安装带有一定限制作用的网络机顶盒来满足各个用户对超高清电视的需求。传输超高清有线信号最重要的方法就是光纤网络传输，光纤传输是一种非常好的传输手段，在4K超高清电视中应用光纤网络能够获得更大的信号数据容量。超高清电视的光纤传播具有更宽的频带范围，与其他的传输方式相比，光纤传输具有更高的传播效率。光纤传输在超高清电视传输中是一种图像和传播介质，能通过光纤来传输电视图像的信号，让电视传输的数据更加稳定、有序和科学，利用光纤传输让超高清电视的信息数据更加真实。目前，超高清电视光纤传输中的一路光纤具有较高的优势，能够有效保证几路和几十路光纤的视频数据在没有压缩机的情况下的数据传输效果，所以要加强研究和提高光纤传输技术的传输效果和传输应用，保证一路单模光纤里的所有线路都能够实现有效的传输，保证超高清电视中的数据信号在没有压缩的情况下完成传输。4K超高清图像的带宽约为普通高清电视带宽的4倍，具有较高的传输成本，在应用光纤传输技术的时候要调整电视的压缩率，使4K超高清电视的编码在光纤传输的作用下更加高效和快速。

3. 结论

在4K超高清技术的改进和应用中，用户可以获得更加优质和多样化的服务，编码技术在超高清电视音视频中的应用使电视需要处理的数据量越来越少，传输技术在超高清电视信号传输中的应用使电视编码具备更高的传输速度，4K超高清电视技术在发展中受到成本、资源、技术、政策的影响，需要在各个方面进行完善以促进4K超高清电视的发展。

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