8K超高清复合测试图与测量方法研究

吴蔚华，孙 三，陈 宇

（北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司，北京 100015）

0 引 言

当前，超高清晰度电视（Ultra High Definition Television，UHDTV）已经得到广泛应用，尤其是在广播电视领域。UHDTV可以提供更高分辨率、更大可视角以及更广色域的图像显示，包括4K超高清和8K超高清，可以为用户带来更具临场感和逼近真实场景的感官体验。

我国依托电子信息整机制造和应用优势，已基本具备超高清系统发展的产业基础和市场条件，迎来发展的战略机遇期。随着电子技术的发展，超高清显示终端环节已具备全球领先优势，目前的显示设备无论在显示屏的固有分辨力，还是在产品数据接收和处理的数据量方面，已经迈入UHDTV 8K时代。

8K超高清显示系统与4K系统相比，从信号的采集、制作、处理、传输到接收和显示，均属于全新的系统领域。对于8K超高清显示设备而言，面板分辨率需达到7 680×4 320，具备HDMI2.1版本接口，具备8K超高清视频解码和处理能力。

1 8K超高清显示系统技术现状

8K超高清图像的有效像素数为7 680×4 320，帧率为120 Hz、100 Hz或50 Hz，扫描模式为逐行扫描；图像信号的取样结构包括4∶4∶4、4∶2∶2或4∶2∶0，编码格式为10 bit或12 bit，显示设备需采用HDMI2.1版本的输入接口。与4K超高清图像相比，8K超高清图像的分辨率是4K图像的4倍，数据率达到48 Gb·s-1，显示设备接收接口从HDMI2.0升级为HDMI2.1。

8K超高清电视需要具备7 680×4 320的固有分辨力，具备HDMI2.1接口，可以接收、处理并显示BT.2020色度空间的7 680×4 320P、场频为120 Hz、100 Hz或50 Hz图像格式的视频信号。8K超高清电视较4K超高清电视而言，图像清晰度显著增加，给消费者带来身临其境的感官享受。

目前，国内外缺乏针对UHDTV（8K）超高清电视重显率、清晰度、色度视角及色度体积等关键评价指标的标准测试信号和测评方法。北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司根据UHDTV（8K）的特点与性能指标要求，设计并生成了UHDTV（8K）复合测试图，研究面向8K超高清显示设备显示性能的测量方法。

2 8K超高清晰度复合测试图设计

根据GY/T 307—2017《超高清晰度电视系统节目制作和交换参数值》规定的有效像素数7 680×4 320的图像空间特性和时间特性要求[1]，在复合测试图中设计了用于重显率、静态清晰度、色度可视角以及色度体积等多种标准测试信号元素。8K超高清晰度复合测试图如图1所示。

图1 8K超高清晰度复合测试图

8K超高清复合测试图单帧图像的平均图像电平（Average Picture Level，APL）为50%，背景以格子信号为主，水平方向有36个白格，垂直方向有20个白格（幅型比为16∶9）。复合测试图的信号设计主要包括5个方面的内容。

（1）重显率。测试图的上部、下部、左部及右部区域设计了黑白相间的边框。重显率测量刻度在90%～100%，有刻度标记，步进为1%。

（2）清晰度。8K复合测试图中心区域有一个大圆，半径为1 664个像素。圆内包含4组楔形电视线。测试图可面向8K超高清显示设备测量静态清晰度，包括水平清晰度和垂直清晰度，测量范围从1 080电视线到4 320电视线，同时有多个清晰度电视线刻度标记。

水平清晰度测试区域为大圆内垂直方向2组楔形电视线簇。下方楔形电视线簇的清晰度从1 080电视线到2 160电视线连续变化，上方楔形电视线簇的清晰度从2 160电视线到4 320电视线连续变化。

垂直清晰度测试区域为大圆内水平方向2组楔形电视线簇。右侧楔形电视线簇的清晰度从1 080电视线到2 160电视线连续变化，左侧楔形电视线簇的清晰度从2 160电视线到4 320电视线连续变化。

同时，测试图还具备单独的清晰度典型值测试区域，分布在中心大圆外部区域的左上部、右上部、左下部及右下部4个小区域。每个小区域有5个方格，共20个方格。左上小区域的5个方格内分别为水平清晰度4 320和2 880电视线刻度，垂直清晰度4 320和2 880电视线刻度以及45°斜向清晰度6 110电视线刻度；右上小区域的5个方格内分别为水平清晰度1 730和4 320电视线刻度，垂直清晰度1 730和4 320电视线刻度以及135°斜向清晰度3 055电视线刻度；左下小区域的5个方格内分别为水平清晰度4 320和1 440电视线刻度，垂直清晰度4 320和1 440电视线刻度以及135°斜向清晰度2 445电视线刻度；右下小区域的5个方格内分别为水平清晰度2 160和4 320电视线刻度、垂直清晰度2 160和4 320电视线刻度以及45°斜向清晰度4 075电视线刻度。

（3）灰度等级。8K复合测试图的正下方水平分布21个方格，方格中的平均图像电平APL从0%～100%变化，步进为5%。

（4）色度体积。色度体积用于测量8K超高清显示设备显示的亮度和色度坐标形成的立体图形体积占据在CIELab色度空间内的体积大小。8K复合测试图大圆的左右两侧区域设计了4组色度块，基于自然界不同色彩和不同明暗度的考虑，色度块有不同的色调和饱和度。每组色度块包含9个方格块，按照从左到右，从上到下的顺序依次编号为1～9，4组区域色度块的RGB值如表1～表4所示。

表1 红色区域RGB值

表2 红绿区域RGB值

表4 蓝色区域RGB值

表3 蓝绿区域RGB值

（5）背景格子。背景格子信号可用来检查8K超高清显示设备显示图像的几何失真、非线性失真、会聚误差及色纯等指标。

3 8K超高清显示设备测评方法研究

为了对8K超高清显示设备的画质进行客观评价，北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司针对8K超高清显示设备性能的测试系统、测试信号、关键指标及测量步骤进行了测评研究。

3.1 测试系统

8K超高清显示设备性能的测试系统主要由标准测试信号发生设备、信号传输及终端显示设备以及性能测试仪器组成。标准测试信号发生设备需具备8K超高清信号发生功能，支持HDMI2.1接口，支持外接测试信号的输入。

结合8K超高清显示设备的分辨率和显示尺寸，考虑人眼可观看的最小视觉分辨率，研究确定，测试系统中光学测试设备与被测显示设备之间的距离应为显示设备屏幕高度的0.75倍。

3.2 测试信号

结合8K超高清显示技术的特点和优势，重点研究8K超高清显示设备性能中清晰度、重显率、色域覆盖率、色度视角以及色度体积的测评方法。

图2 8K超高清显示设备测试系统

3.2.1 清晰度和重显率

清晰度和重显率的测量采用研制的8K超高清复合测试图进行。

3.2.2 色域覆盖率

色域覆盖率的测量应采用位数为10 bit，格式为7 680×4 320的静态测试信号：全红（1023，0，0）/全绿（0，1023，0）/全蓝（0，0，1023）。

3.2.3 色度视角

色度视角的测量采用8K超高清复合测试图中的9种颜色信号，色彩包括红、绿、蓝、黄、品红、青、深肤色、浅肤色以及灰色。

3.2.4 色度体积

色度体积的测量采用8K超高清复合测试图中的色度体积颜色信号。

3.3 测量步骤

根据如下步骤进行测量。

（1）将被测8K超高清显示设备的图像设置恢复到出厂位置。

（2）8K标准测试信号设备输出8K超高清复合测试图。

（3）观察复合测试图四周与被测显示设备的显示区域边界的重合位置，直接读取水平重显率和垂直重显率；调整待测显示设备的重显率，在重显率达到100%时，观察清晰度典型值区域，判断是否能清晰分辨一黑一白两个相邻像素；观测中心区域的楔形线簇，判断能否清晰分辨一黑一白两个相邻像素的半径位置，对应各半径位置的电视线数，读取水平清晰度和垂直清晰度的最大值；如果重显率无法达到100%，应记录此时的重显率，再测试清晰度。

（4）8K标准测试信号设备分别输出色域覆盖率、色度视角和色度体积测试信号。

（5）用亮色度计测量屏幕中心区域的色度坐标，之后计算三色色域面积S及色域覆盖率GP：

（6）用亮色度计观测色度视角测试信号，记录色度坐标，保持亮色度计与被测显示设备的距离不变，水平旋转亮色度计，以5°为步长，测试每个角度下的色度坐标；之后测量其他8个色块的色度坐标以及偏移角度后的每个角度下的色度坐标，绘制每种颜色的角度与色差的关系曲线，体现待测8K超高清显示设备的可视角度与色度的变化关系，考核产品的色度视角能力。

（7）测量时色度体积时，用色度计分别测量色度体积区域各色块的亮色参数X、Y、Z，利用公式计算在三维均匀色空间中形成的四面体的体积。

式中：、a*、b*为 CIELAB三维色空间L*、a*、b*值；XP、YP、ZP为各元色Q的三刺激值。XD50、YD50、ZD50为参考白点的三刺激值。

4 结 语

原有复合测试图不能测评8K超高清显示设备的显示性能，该技术方案可以满足8K超高清显示设备显示性能的清晰度测量的需求，准确获取8K超高清显示条件下的重显率和清晰度值，同时采用主观评价的方法，可以评价8K超高清显示设备的性能，提供标准测试条件和方法。