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[討論] 4K,8K知多少:詳解超高清電視關鍵技術與發展趨勢

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發表於 2015-4-12 10:41:21 | 顯示全部樓層 |閱讀模式

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在過去的2014年,眾多4K解析度的超高清電視讓人耳目一新;日本、韓國、美國、法國等國家,也都在加緊建設4K電視直播平臺,並在一些世界性的集會上進行了實驗性的傳輸,這些都標誌著視聽行業即將邁入超高清時代。

超高清電視的發展,涉及到了整個視聽產業鏈的更新,內容涵蓋信源壓縮編碼、傳輸通道編碼、超高清數位電視的接收和解碼、顯示等領域。

以下將針對超高清技術的產業鏈成熟度、市場發展形勢和技術難題等方面進行深度剖析,幫助大家詳細瞭解超高清電視。
一、超高清電視的定義
超高清電視(UHDTV,Ultra High Definition Television),又稱為UltraHDTV、4320P及UHDV(Ultra High Definition Video),是HDTV的下一代技術,包括“4K解析度(3840×2160 圖元)”和“8K解析度(7680×4320圖元)”。我們經常提到的4K解析度電視即為超高清電視。

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UHD超高清電視具備了兩個優點:
第一、UHD超高清技術能夠最好地還原畫面的真實。觀眾在使用超高清技術觀看電視時,展現出4 倍于全高清的畫面信息量,畫質更加清晰細膩,細節表現更加充分,消費者可以得到更逼真的觀感,會產生與肉眼直接觀看類似的效果。

第二、UHD超高清技術打破了超大螢幕與超高清一直以來無法兼得的限制。超高清大尺寸,能夠真正地滿足消費者對電視畫質日趨日上的需求。

(一)超高清電視觀看距離
4K超高清電視尺寸大,許多人會產生家庭客廳縱深不夠,無法觀看等疑問。事實上,解析度、尺寸大與觀影距離之間並不是單純的線性關係。超高清電視的觀看角較大,具體的數值如下表:


                               
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觀看距離示意表
在計算觀看角(FOV)中,γ為幅型比,n為觀看距離與屏高之比。對4K超高清,γ=16:9,n=1.5;對8K超高清,γ=16:9,n=0.75。由此可知,4K超高清的最佳水準觀看角開度為58°,8K超高清的最佳水準觀看角開度為96°。而高清電視的最佳水準觀看角開度僅為31°。

(二)超高清的基帶圖像格式
超高清的基帶圖像格式為:
1. 幅型比:16 :9 ;
2. 採樣方式:逐行;
3. 取樣結構:正交;
4. 幀頻:支持多種幀頻,最高可達120Hz ;
5. 色度:依然以紅、綠、藍作為三基色,初步確定擬採用下表列出的色度參數;

超高清電視所採用的色度參數

                               
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6. 量化深度:超高清電視的推薦的量化深度為12比特,可表示(212)3 約687.2億種顏色,是10比特量化深度的64倍,8比特量化深度的4096倍。當觀眾觀看超高清電視時,能體驗到層次更豐富、色彩過渡更加平滑細膩、真實色彩還原度更好的畫面。

二、超高清電視關鍵技術
(一)視頻編碼
超高清電視相對於現有的高清電視,圖像的寬和高均擴大為原先的2倍,如果再考慮到幀率的提升,總數據量為原先的4倍以上,因此對視頻的壓縮編碼提出了很高的要求。在超高清視頻編碼關鍵技術方面,當前業界研究重點主要聚焦了HEVC編碼關鍵技術。

                               
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目前廣泛使用的MPEG-2和H.264/AVC壓縮編碼標準不能很好的滿足信源壓縮的要求。國際標準組織從2010年開始制定了面向超高清視頻編碼的高效視頻編碼(High Efficiencyvideo coding, HEVC)標準,並於2013年完成標準發佈,在ITU標準中命名為H.265。

                               
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H.265編碼壓縮方式覆蓋了從QVGA(320×240)到1080p和超高清UHDTV(7680×4320),還根據雜訊電平、色域和動態範圍,改進了圖像品質。

H.265與H.264、MPEG2相比

                               
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與H.264相比,在保持計算複雜度基本一致,主觀圖像品質相當的前提下,H.265將碼率下降50%。在稍微增加複雜度的前提下,還可以將碼率下降到25%;跟MPEG-2相比,同樣的內容,H.265可以減少70-80% 的頻寬消耗。
(二)音訊處理
杜比全景聲和Auro 3D是目前行業當中應用最多的兩種沉浸式音訊標準

                               
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目前業內普遍認為,杜比全景聲、Auro 3D或22.2聲道等沉浸式音訊系統將可能作為與超高清顯示系統配套的音響配置,將在今後的超高清電視產業鏈中得到廣泛普及。不過,目前超高清電視演示環境中多採用了5.1/7.1聲道音訊系統,想要大範圍普及完整的沉浸式音訊系統還有一定距離。

NHK為“超高清”影像用音響而開發的立體22.2多聲道系統

                               
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(三)信號傳輸
與目前1920x1080逐行掃描的高清電視標準相比,UHDTV1和UHDTV2的每幀資訊傳輸量分別提高到4倍和16倍。採用120Hz幀頻的UHDTV2,其每幀資訊傳輸量接近每秒40億圖元。

衛星傳輸試驗

                               
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傳輸資料量的成倍增長對超高清電視傳輸帶來了巨大壓力,目前,日本、韓國已經分別在衛星傳輸、地面數位廣播以及有線電視傳輸等領域開展了相關技術研究和傳輸試驗。

地面數位廣播試驗

                               
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有線電視傳輸試驗

                               
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這裡值得一提的是,近日,日本松下公司宣佈在CES2015大展上推出業內首款支持4K的藍光播放機,加入對4K解析度的支持。不過松下表示這款UHD的藍光機目前還只是原型,預計在今年年底之前推向市場。

                               
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(四)顯示終端
超高清電視顯示終端關鍵技術主要體現在顯示面板技術和圖形影像處理技術,其中圖形影像處理技術主要包括圖形影像處理引擎以及2K轉4K技術。

1、顯示面板技術
當前液晶電視產品面板主要採用了LCD、LED以及OLED三種技術。其中LED較LCD技術具有超薄、高透光率等優點,因此,Sony、夏普、康佳、TCL等電視廠商的4K產品均採用了LED顯示幕技術。

OLED具有自發光的顯示特性,在對比度及色域上都具有壓倒性優勢。2007年基本解決了三色發光的壽命問題,但由於技術尚不成熟,因此價格也就偏高。解析度上,OLED目前已經出現4K超高解析度產品,但尺寸仍受到製造技術的限制。

                               
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同時,目前一種全新的量子點QLED顯示技術也倍受業界關注。QLED是一項介於液晶和OLED之間的新型技術,其核心技術為Quantum Dots(量子點)。量子點是一些肉眼無法看到的、極其微小的半導體納米晶體,是一種粒徑不足10納米的顆粒。通常說來,量子點是由鋅、鎘、硒和硫原子組合而成。量子點QLED顯示技術便是通過藍色lED光源照射量子點來激發紅光及綠光,從而呈現精湛的畫面。

                               
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2、圖形影像處理技術
對超高清電視而言,顯示畫質效果除顯示面板這一因素外,很大程度上取決於圖像引擎所具備的性能和功能。

                               
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除了HDMI介面外,從色差分量、AV、S端子、TV及VGA介面進入的視訊訊號都要通過圖像引擎處理後,轉換成適合自身電視播放的信號,從而顯示到大家的面前。當前主流的電視廠商都研發了具有自身特色的圖形影像處理引擎技術。

各圖形影像處理引擎共通性處理技術方法

                               
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3、2K轉4K技術
當前,超高清電視終端市場發展迅速,而超高清電視節目準備則大大落後於終端市場的發展,因此,為彌補超高清電視節目內容的匱乏,絕大多數超高清電視廠商紛紛採用了2K轉4K技術,來應對4K節目內容的不足。

                               
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目前超高清電視廠商採用的2K轉4K技術主要有兩種:
單一補償技術:這種技術是通過4K電視搭載的影像處理器進行計算,對於正在播放的影片進行追蹤補償和渲染。簡單來說就是在原來的每個圖元點上直接插入四個圖元點,這樣2K影片的解析度就能達到4K,播放的影片不再是直接拉伸,而是點對點顯示。

                               
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關聯補償技術:通過對於2K信號進行即時分析,並將整個畫面分成200萬個區間,對於相鄰區間進行縱向橫向四個維度的色彩運算之後再插入圖元,這樣插入的圖元色彩就與周圍顯示的畫面可以匹配。轉化成4K解析度之後,圖像的精度也有了較大幅度的提升。

但需要注意的是,2K轉4K技術只是在4K片源匱乏情況下的一個應急和過渡技術而已,其效果離真正的4K影片肯定還是有明顯的差距。

(五)視頻界面
視頻界面方面,主要有兩種接入方式,其中一種便是HDMI。目前三星、LG、東芝、索尼等主流電視製造商的超高清電視主要採用HDMI1.4介面,雖然HDMI1.4可以支援4k超高清信號的傳輸,但是只能以不超過每秒24幀的幀頻播放超高清視頻。這雖然可以滿足大部分4K電影的播放需求,但是對動態高幀率內容動輒超過60幀的要求相去甚遠。

最新頒佈的HDMI 2.0標準支援的傳輸頻寬最高可達18Gbps,可以支援10bit量化精度的4k超高清視頻以每秒60幀的幀頻進行播放。

                               
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另一種介面技術是視頻電子標準協會VESA 發佈DisplayPort高清數字顯示介面標準。目前最新的DisplayPort 1.3支持全高清120Hz 3D立體顯示、4K超高清(幀頻30fps)、高色彩範圍等,音訊和3D立體顯示也得到增強,同時可以傳輸乙太網資料。

                               
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三、超高清電視認證規範
目前,國家廣播電視產品品質監督檢驗中心、中國電子商會已經發佈了4K超高清電視首個行業統一標準:《4K超高清電視選購標準》,首次從屏、晶片、系統、畫質提升技術等方面,對4K電視進行了全方位的嚴格規範。

中國4K超高清電視認證規範提出的要求

                               
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目前,國內4K電視五大《標準》規範主要包括5大方面:配備專業級UHD超高清顯示幕;具備四核及以上處理器且內置4K解碼晶片,搭載Android4.2及以上版本作業系統;應用成熟的2K轉4K畫質提升技術;具備USB3.0、HDMI1.4及以上版本的高速傳輸埠;搭載豐富智慧雲應用,實現家庭多終端互聯互通。此規範從清晰度、色域覆蓋度、重顯率、對比度及固有解析度五方面衡量4K超高清電視水準。
中國電子商會發佈的4K超高清電視認證標誌

                               
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四、超高清電視設備市場現狀
4K電視產業鏈涉及到專業器材、顯示終端、拍攝制播、片源播放、編碼標準等多方面。縱觀超高清電視設備市場發展現狀,SONY、松下、夏普、三星、TCL、創維、海信等終端設備廠商在經歷3D電視這一利潤增長點之後紛紛將重點投向了4K這一終端領域,並成功推動了4K終端設備市場的迅速發展。不過,在超高清技術的發展過程中,終端顯示裝置市場奇怪地走在了軟體發展的前面,導致出現片源不足,消費體驗差等問題。

面對終端市場的“來勢洶洶”,超高清電視節目拍攝設備市場發展也較為迅速,SONY、佳能以及RED公司也紛紛推出了不同價位面對不同用戶以及不同拍攝需求的拍攝設備。與此同時,為應對4K極大的碼率對後期製作系統的處理能力、生產流程中的網路頻寬和存儲都帶來的前所未有的技術和成本壓力,Quantel、AJA、BMD、Avid、Autodesk、Adobe、蘋果、索尼以及草穀都有相應的後期製作產品與軟硬體支援對4K原生格式的記錄、校色與編輯工作,國內主流廣電系統製造商大洋、索貝、新奧特也推出了各自支援4K製作的非編系統。

在編解碼設備方面,硬體編解碼設備的研發要稍微落後與軟體編解碼設備,但相關廠商也正在加緊硬體編解碼設備的研發,同時目前市面上已經有相對成熟的軟體編解碼產品可供選擇。

                               
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通過分析我們可以看出,超高清電視終端市場發展一馬當先,遙遙領先與節目拍攝、製作、後期處理等環節,因此當前制約超高清電視進一步普及的關鍵因素在於超高清電視節目拍攝、製作以及後期處理設備的完善以及相關介面標準的統一,一旦超高清電視節目準備充分,超高清電視整個產業鏈將得到迅速發展。

結論:完整的視聽體驗,不僅需要行業能夠推出一系列的先進、優秀的硬體設備,內容和服務也是非常重要的因素,硬體和軟體的齊頭並進才能讓市場快速發展。

                               
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目前,超高清產業鏈雛形已逐漸形成,在政策規範制定層面,國際標準已初步制定,國內標準仍在加緊制定中;在市場方面,4K超高清電視在整個產業鏈中趨勢明顯,儘管4K電視還面臨著一些挑戰,比如頻寬限制、片源製作、存儲、編碼、傳輸,配套硬體的升級等,但類比平臺的成功演示表明技術實現無大障礙,未來的市場佈局將取決於4K超高清電視是否真正具有成熟與完整的產業鏈。

隨著4K的普及,8K的到來也指日可待。“影音新生活”相信,超高清顯示技術必將成為視聽行業發展的新方向,值得我們期待!

以上文章由影音新生活提供,已得到許可和授權。
精研視務所編修

評分

參與人數 3名聲 +150 精幣 +150 收起 理由
小許 + 50 + 50 精品文章
Yeunong + 50 + 50 講解的很清楚
培根 + 50 + 50 筆記ing。有條理的敘述8K 4K,期待啊!.

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發表於 2015-4-13 11:00:18 | 顯示全部樓層
HDMI2.0不知道為什麼不直接對應8k 12bit 120p的流量需求做設定.以免過幾年又要重改一次
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發表於 2015-4-14 16:24:30 | 顯示全部樓層
這麼先進的技術
路過進來學習
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發表於 2015-4-14 17:17:37 | 顯示全部樓層
今天有了更深的认识。
现在设备不少,就差片源了。
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發表於 2015-4-16 02:43:43 | 顯示全部樓層
好文章,今天学习了!
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發表於 2015-4-16 07:33:31 | 顯示全部樓層
一直對2K轉4K 有所疑惑.這麼大的傳輸量.
畫質怎可能提高到多少.
西楓大 的發文
總算有了一些概念.
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