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超高清数字电视关键技术探讨

2020-12-29蒋海炎

卫星电视与宽带多媒体 2020年22期
关键词:数字电视关键技术

蒋海炎

【摘要】伴随着社会的进步和经济的发展,超高清数字电视成为当前发展的主要趋势,有利于为用户提供更加优质和清晰的画面。在如今的电视行业中,超高清数字电视凭借其优质画质,展现出了无比寻常的发展潜力,且在竞争激烈的市场中具有较好的发展前景。鉴于此,本文简要概述了超高清数字电视,并就其关键技术进行了详细介绍,最后分析了4K超高清数字频道的发展情况,具体如下。

【关键词】超高清;数字电视;关键技术

中图分类号:TN94                     文献标识码:A                     DOI:10.12246/j.issn.1673-0348.2020.22.006

4K这一概念于2004年被首次提出,2012年国际电信联盟发布了超高清电视国际标准ITU-RBT.2020,自此宣示了超高清的问世。近年来,国内外均推出了尺寸不同的超高清电视,在这一行业的发展过程中极具热门。相比于高清电视,超高清电视更易于给用户一种更加清晰和逼真的画面,且增强观众的体验感,满足其视觉感受,较好的弥补了大屏幕电视的不足之处。为了深入了解超高清电视,增强其普遍适用性,完善其功能和不足之处,还需加强研究超高清电视的核心技术,本文为此作了具体介绍,以供参考。

1. 超高清电视概述

超高清电视是由NHK公司最先提出的,它作为一种改良的数字电视技术,旨在为用户提供一种优质的电视图像,国外多个国家对其展开了研究和探索。结合超高清数字电视涉及到的技术参数,可将其定义为:具有120Hz的帧频,3840×2160(4K)或7680×4320(8K)分辨率的一种数字电视技术。结合主观视听感受,可将其定义为作为一种数字电视技术,可确保观众在视频图像方面能得到较宽的观赏角度、较高的像素,在视听感受方面能得到丰富多彩、逼真的图像及丰富的声音。

相比于高清电视及标清电视,超高清电视具有相对较高的分辨率。例如当像素密度相同时,4K超高清电视比高清电视的可视面积多3倍,比标清电视多19倍。另外,不同于标清电视与高清电视,超高清电视在实际应用中还涉及到了一些关键性技术,具体如下。

2. 超高清数字电视关键技术分析

2.1 超高清电视视频处理

例如4:4:4采样,4K和8K模式的超高清數字电视信号图像分别具有6Gbit/s和24Gbit/s的原始数据率。采取4:2:2采样,4K模式的原始数据率为4Gbit/s,8K模式的原始数据率为16Gbit/s。为了提升对大数据量的传送,还需进一步研究,创建出新型的压缩编码方式。2010年,ISO/IEC活动图像专家组(MPEG)联合ITU-T视频编码专家组,共同创建了视频编码联合小组,以此来开发出一种更加高效和正规的视频编码标准(HEVC)。标准指出,相比于H.254高档次,确保其计算复杂程度大致相同,主观图像质量也基本一致的基础上,降低其码率(bitrate),使其下降50%。ITU-T视频编码专家组认为,随着复杂度的升高,码率还可继续下降到25%左右。

与H.264混合编码相比,HEVC所使用的编码技术与其具有相似的编码结构。HEVC则是下一代数字电视图像压缩编码的发展标准,覆盖率涵盖了标清、高清和超高清,并结合噪声的色域、电平及动态范围等,对图像质量进行改观。作为H.264的下一代标准,HEVC又被称为“H.265”。联合视频编码小组计划表明,将在之后的几年,分别完成HEVC的标准草案、国际标准草案及国际标准最终版等。

倘若将颁布于1995年的MPEG-2标准作为第一代信源压缩编码标准,2003年的H.264作为第二代标准,HEVC最为第三代编码压缩标准,可知相比于第一代,第二代视频编码标准降低了50%。而相比于H.264,HEVC降低的码率则不小于50%。由此可知,针对超高清视频,采取H.264标准,压缩的码率不大于40Mbit/s,而采取HEVC标准,则可将其压缩至20Mbit/s以内。

2.2 超高清电视音频处理

超高清22声道在顶层、中间层和底层,分别安排了9个、10个和3个声道。完整的空间立体声共包含3个环绕声场(上、中、下)。将2个低音声道,增加至该3层环声场的下层两侧,可得到22.2环绕声系统。相比于7.1声道环绕声系统,其具有三维化的声场,声音更加真实,且更易于带给人一种感官上的享受。此外,22.2声道的音频数据率同样较大,例如以48kb/s,24bit采样,其音频数据率为28Mb/s,经音频压缩后,具有大于2.8Mb/s的数据率。当前,关于多声道立体环绕声技术及系统的开发较多,MPEG也对此制定了相应标准。22.2声道播出系统在家用方面,并不具备完全适用的声道布置。为此,MPEG在环绕声标准SAC的制定方面,需将后向兼容考虑在内,即可对现有的立体声或单声道系统进行兼容或者更新。SAC在编码时采取下混处理,可将多声道音频本身的传输数据率降低,该方式通过对音频空间信息数据增加的方式,来提升现有音频系统的播放情况。

2.3 超高清电视显示

为了真正实现超高清电视的相应功能,还需确保其可对信号进行接收、处理等。

第一,4K超高清面板的分辨力需为3840×2160。当前国内外一些主流面板集团均可达到,而面板则包含两种类型,即VA软屏和IPS硬屏。超高清电视需借助大屏幕显示,因此,其对固有分辨力具有相对较高的要求,面板尺寸为55~65in。

第二,驱动接口。驱动接口的刷新率和传输速率,可影响到显示屏的显示情况。当前,LVDS和V-by-one是两种常用的驱动接口。其中,LVDS的接口形式依据低压差分信号技术,可支持1.05Gb的数据传输速率;V-by-one支持240Hz的刷新频率和3.75Gb的数据传输速率。在使用LVDS处理240HZ、30bit的色彩时,耗费的LVDS信号线为48对。因此,大都采取V-by-one驱动接口,从而达到节省资源的目的。

第三,芯片。芯片在超高清画质中非常重要。它具有图像解码、编码及显示等功能。当前阶段,超高清电视采取的运行方式为双芯片,其中一个芯片可用于处理图像,另一个则需完成运动补偿操作。依据图像解码功能,图像处理芯片可随意交换各种图像的格式,并围绕1920×1080格式的图像,对其在进行运算的基础上,转换其格式为3840×2160。上变换技术使用的方式包含两种,即主芯片内置和处理芯片挖外挂。当前MTK、MSTAR等为芯片技术相对较高的企业。

3. 4K超高清频道发展概述

伴随着超高清电视终端的使用和发展,超高清传输测试的成功,一些国家加强了对4K超高清试验频道的研究。

2014年4月,U-max作为全国首个超高清有线电视频道,于韩国上线,并播放了多达100个超高清节目内容,包含动画、体育赛事、纪录片等。且于2016年在超高清内容制作方面,投入了400亿。同年的6月份,韩国的KT SKYlife公司又相继推出SkyUHD4K超高清频道,传输格式为H.265。2014年6月,日本在CS卫星电视对4K节目进行了试播,并在2016年展开对BS卫星电视4K节目的试播。此外,日本还提出了第一个4K电视频道Hikari TV,并为4K视频提供VoD服务,在商用4K/60p VOD方面,为世界之首。在2014年12月,美国有线运营商DirecTV发射了4K卫星,其信号覆盖的面积相对较广。该卫星使用的波段为Ka,信号为“反向”DBS,传输格式为4K,用于播放电影或者纪录片等。

在有线5G双超网的基础上,中国创建了大连天途有限超高清频道,其作为首个有线4K超高清频道,于2014年8月至9月进行了试播。有线5G双超网的前端载体为云业务平台,传输渠道为光纤,入户方式为光纤同轴复合缆,具有大于5G的广播推送宽带,可传输更加高清和广泛的信号。期间主要对纪录片、超高清电视等内容进行了试播。

4. 结语

综上,当前超高清电视在国内外均得到了广泛关注,且取得了较为显著的研究成果。然而,相比于一些先進国家,我国在建设和发展超高清数字电视方面,仍具有较大的差距,纵观当前,虽然超高清试验频道已取得了一定进展,但其还未取得广泛应用。为此,国家需加大对财力和人力的投入,为我国的专家学者提供外出交流和学习的机会,并设置专项开发和研究资金,鼓励学者打破局限,开拓进取,积极创新。此外,还需加强对超高清数字电视关键技术的研究,从而在视频、音频和图像显示几方面,全面了解超高清数字电视,使其更具智能化和现代化。

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