超高清晰度電視與三維電視進展

李 超

(中原顯示技術有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

早在20世紀70年代，日本NHK就在世界上率先開始了HDTV的研究，世界上第一個模擬HDTV制式為日本MUSE制［1］，而此制式隨著美國全數字HDTV制式ATSC制的發布逐漸退出歷史舞臺［2-12］。緊接著，NHK不甘心失敗，隨即開始了超高清晰度電視(UHDTV)的研究［13-16］。同時，各國對于三維電視的研究也有一定的進展。

就分辨力而言，顯示器的最高境界到底怎樣，人類視覺的極限到底怎樣，一直存在爭論［17］。三維和二維的關系怎樣，將來的電視系統在清晰度方面又怎樣?在高清晰度顯示以及電視廣播成為現實后，人們把目光瞄準了超高清晰度電視、三維電視和三維顯示技術，更有業內專家認為，超高清加三維就是人類視覺的極限，這對不對呢?

1 超高清晰度電視的發展

1.1 超高清的提出

NHK將超高清系統稱為 Super Hi-Vision(SHV)［14］。在2006年通過的ITU1769號建議書中對于超高清的使用名稱是“LSDI(Large Screen Digital Imagery)［13］”，并且從建議書中可以看到全文沒有強調是“電視”，強調的是在需要比HDTV清晰度更高的各種特殊場合的顯示，也就是說，當時還不明確這種超高清的技術是不是可以應用于廣播電視。在后來通過的SMPTE 2036(2007)標準［16］中，明確了以上3種說法都是指超高清晰度電視(Ultra High Definition Television，UHDTV)。ITU1769 建議書［8］則列出了超高清晰度電視的基本規范。

圖1～圖5示出了UHDTV的基本概念。有人認為，UHDTV只是在清晰度上比起HDTV提高了，這種說法未必完整，因為即便是在清晰度上，兩者的差別比起HDTV和標清電視SDTV的差別要大得多。而UHDTV的音頻系統更是有很大的提高。在超高清晰度系統中，采用了以SMPTE標準為基礎22.2高標準現代化立體音響系統(見圖6)，使之得以和高標準的視覺系統相配合。另外，由圖7也可以直接看出就分辨力而言，UHDTV和HDTV之間的差別遠比HDTV較傳統SDTV的差別更大。

圖1 日本JVC 8192 ×4320 像素(SHV:7680 ×4320 )超高清投影機

ITU1769建議書［13］中還明確了UHDTV和HDTV的水平視角關系如表1所示。

具體操作中，有些文獻將表1中的31°略為30°，58°略為 60°，96°略為 100°。

1.2 超高清發展的意義、現狀及問題

表1 UHDTV和HDTV的水平視角關系

對于UHDTV的研究和開發，由日本放送協會(NHK)、英國廣播公司(BBC)及意大利廣播電視公司(RAI)等機構所倡議推動，其主要目的確實是為下一代電視技術的發展。事實上，至今為止，真正卷入或者實施UHDTV研究的僅有NHK。2006年底，NHK借由IP網絡將紅白歌合戰(紅白歌合戦)UHDTV畫面從東京傳送到500 km遠的大阪;2010年9月，NHK與BBC合作，由倫敦向日本傳輸節目。NHK認為，UHDTV的最終目標是能普及入每一家庭，并預計于2016年至2020年間實現［14-15］，但是也有許多人對此表示懷疑，畢竟事實上HDTV的進展速度比起早期的預期慢了很多。現在已經進入2011年，就目前情況而言，筆者認為NHK普及UHDTV的目標很難實現。

NHK最近的研究發布了在以下方面的新進展。

1)色度［11，13，18］

在保持標準白不變的前提下，NHK發布了具有更大還色范圍的三基色坐標(見表2)［18］，根據這些新坐標得到CIE1931色度圖如圖8所示，實際上，由于NHK提出的新三基色都坐落在CIE 1931色度圖的邊緣上，所以僅可以用激光器產生，這些新的坐標無疑將產生大得多的還色范圍。但是，NHK的新研究也引起了許多同業人士的疑問，這些問題包括但是不限于如下方面:

(1)NHK剛剛全力通過了ITU1769號建議書和SMPET 2036(2007)標準，確認了所有色度標準和白坐標完全按照和709號建議書［2］相同的1361號建議書標準［11］，也就是說，UHDTV除了分辨力的主要指標外，其他的主要參數和HDTV相同，現在又提出新的說法意義何在?

(2)這些高飽和度的更大的還色范圍無疑必須使用激光器得到，那么一般的家用平板電視不能采用激光技術，將如何解決這一矛盾?

(3)這兩種標準中的色度還原范圍相差甚大，新提出的高飽和度三基色僅僅在可發出單一波長的自發光體才會出現，而這種情況占據攝像機可能的景物范圍的比例微乎其微，而標準的交叉顯示必然帶來很大的色彩失真，有沒有必要必須考慮?如果有必要，是不是必須使用兩種標準的攝像機來應對兩種標準?

(4)如果用兩種標準的攝像機，是不是在將來所有的家用平板電視機上增設轉換呢?

對于以上疑問，目前尚無定論。

表2 NHK新近提出的專用于UHDTV的色度標準

圖8 NHK新近提出的UHDTV新色域［18］及其和709號建議書［2］、SMPTE 431-2號、Adobe三基色標準的比較

2)臨界非閃爍頻率(CFF)［18］

這是在UHDTV得到發展后發現的新問題，由于分辨力大大提高，視場角由原來對于HDTV的30°變為對于UHDTV的100°，在60 Hz下原本不閃爍的圖像發現又有閃爍感了，NHK發布的顯示占空比和臨界非閃爍頻率的關系以及視場角和臨界非閃爍頻率的關系分別如圖9和圖10所示。

NHK發布的這兩個圖表明，顯示占空比越小，所需臨界非閃爍頻率越高;屏面亮度越高，所需臨界非閃爍頻率也越高。視場角越大，所需臨界非閃爍頻率越高;相同視場角下，亮度越高，所需臨界非閃爍頻率也越高。由于圖像顯示占空比是一個變數，屏面亮度也是一個變數，對于UHDTV究竟需要多高的頻率，NHK沒有定論結果，但是已提出這個頻率應該在80 Hz以上。

由以上可見，UHDTV尚有很多的問題需要討論。筆者認為，盡管如此，發展是肯定的。

2 三維電視和三維顯示

在高清晰度電視和超高清晰度電視技術得到高速發展的同時，各種3D顯示和3D電視也得到了高速發展。以下重點討論目前較主流的左右雙圖像型3D廣播電視。

2.1 各種可能的三維圖像編碼方式

2.1.1 雙路編碼順序傳輸

如圖11所示，3D順序傳輸結構特點是:3D水平像素數和與2D相同;3D垂直像素數是相應2D像素數的2倍;因此3D的時鐘頻率也為相應2D的2倍，這樣一定要采用雙路編碼。在前面論述中已經提到，ITU709［2］和1120號建議書［3］都同時規定了雙路編碼的參數，這就給采用雙路編碼完全不丟失信息的逐行HDTV奠定了技術基礎，SMPTE也規定了雙路編碼HDTV的參數(如SMPTE 372M標準)［19］。因此，采用雙路編碼是完全可能的，但是和普通的2D雙路編碼不同的是，在2D傳輸中，解決的是1080 p問題，而在3D傳輸中，解決的則是雙1080 i，即左右眼圖像問題。

圖11 3D順序傳輸結構

2.1.2 雙路編碼相間傳輸

如圖12所示，雙路編碼相間傳輸特點是:3D水平像素數和相應2D相同;3D垂直像素數是相應2D的2倍;因此3D的時鐘頻率也為相應2D的2倍;和以上不同的是，3D在每幀有一個垂直同步，而2D則在每場都有垂直同步。和以上比起來，可以明顯看出其幀結構在每幀內部又做了分割，相當于每幀內部有奇偶場，而每場又分為左右眼信息數據。

圖12 3D相間傳輸結構

2.1.3 左右分

如圖13所示，其特點是:3D的水平、垂直像素數均和相應2D相同，因此3D和相應2D的時鐘也完全相同。使用單路編碼，3D圖像的像素數在水平方向上丟掉了一半。最簡單的解碼器解碼時僅僅需若干行FIFO即可，實用的解碼器仍采用場存儲器。據悉，此種格式已經在國內南方某些城市進行廣播電視開播實驗。

圖13 3D傳輸左右分結構

2.1.4 上下分

如圖14所示，其特點是:3D的水平、垂直像素數均和相應2D相同，因此3D和相應2D的時鐘也相同。使用單路編碼，3D圖像的分辨力在垂直方向上丟掉了一半。解碼時需要場存儲器進行差補還原。

圖14 3D傳輸上下分結構

2.1.5 逐場輪換

如圖15所示，這種格式實際上是延續下來的格式，當使用單路編碼傳輸時犧牲的是時間軸，結構簡單，易于操作，適合于早期的電子快門眼鏡，使用單數場傳輸左眼圖像信息數據，使用偶數場傳輸右眼圖像信息數據。與前述第1種不同的是，對于傳統的標清CRT彩電而言，此種可以實現最簡單的解碼，對于HDTV而言，可以實現最大分辨力，但是要同時得到t軸的動態平滑顯示，需要多幀插補，并不能夠節省存儲器。

圖15 單路編碼逐場輪換

2.1.6 隔行排列

如圖16所示，除了隔行結構外，還可以有隔列排列，只是編碼、解碼更加復雜，分別是在水平方向上或者垂直方向上舍去了一半內容信息數據。隔行顯示和隔點顯示在顯示終端都是可能的，但是，如果作為傳輸結構，就不得不著重考慮數量巨大的家用接收機的解碼器，而且在傳輸端對于數據進行深度壓縮時，在左右圖像數據可能發生的串擾是個嚴肅的問題。

圖16 隔行傳輸結構

2.1.7 奇偶陣式

圖17所示的奇偶陣結構是和早先的MUSE模擬HDTV有類似之處，由于每行、每列都有信息傳送，而未傳輸的像素則可以通過查補運算來恢復，起碼可以實現部分恢復，當顯示相對靜止的圖像時，可以用最少的碼率來傳送最大的圖像信息量。這樣的編碼傳輸方法的復雜性對于發送端帶來的問題并不大，但是對于接收端，毫無疑問會帶來每一臺解碼器的復雜性，這一點正是歷代工程技術人員所避忌的，而且在傳輸端進行深度壓縮時，在左右圖像上可能發生的串擾也是個重要的問題。

圖17 奇偶陣結構

實際上，圖16和圖17分別示出的隔行傳輸和奇偶陣結構，廣播電視節目在存儲時，為了節約資源，一般都采用壓縮深度很大的MPEG-2/4，對于圖像而言就是H.261/4。在表 3中，示出了 ISO/IEC頒布的全部MPEG標準，其中在各國HDTV中，僅有ATSC音頻標準使用了AC3，其他3種HDTV的音頻均使用了MPEG-2，而全部4種HDTV標準的視頻壓縮標準均為MPEG-2。在UHDTV中，由于信息量太大，采用H.264來進行壓縮。那么，如果3D的傳輸采用圖16和圖17所示結構，深度壓縮下，在解碼端是不是能夠正確還原就成了問題。

表3 各種可能的3D圖像傳輸格式［3，19］

2.2 對于各種可能編碼方式的考慮

對于廣播電視而言，雙路編碼和單路編碼傳輸解決的是不同的問題，雙路編碼2D傳輸和雙路編碼3D傳輸解決的也是不同的問題，那么是不是需要同時考慮雙路編碼和單路編碼傳輸3D圖像也是個問題。

再考慮到解碼端的簡單易行以及深度壓縮時可能會引起左右眼圖像數據串擾的問題，表3中第6～7項也就不是優選項了。筆者提出，如要成為我國3D廣播電視編碼傳輸標準，應該在第3～5項中考慮。在這3項中:第3項和第5項是在國內曾經試播過或正在試播的方式，但是如果分析優缺點，第4項也是一個值得考慮的方式，這是因為人眼的寬高比為4∶3，水平方向上較大，加之人的兩只眼睛在水平方向上生長，這就決定了人眼的水平分辨力要大于垂直分辨力。對于可能的水平方向上像素點數少一半(第1項)以及垂直方向上顯示行數少一半(第2項)這兩種情況，理論上傳輸的圖像總像素數都是少了一半，但是在視覺上的直觀感覺可能并不相同。觀察認為，如果對于前者確實感到少了一半，而對于后者則可能是感覺少了約25% ～30%。以圖17為例，也是丟掉了一半像素，但是在顯示端如果采用此型，無疑會得到較高的“感覺分辨力”，因為這也是另一種類型的“共享像素”，這是由于在每一行、每一列對于左右眼圖像都有取樣。但是上述第7項如果需要用于終端大屏幕顯示是很好的，如果用于傳輸則會很麻煩，而且壓縮和解壓的麻煩可能會很大。這樣，就第3和第4項而言，第3項應該是首先排除考慮的，因為其對于資源的浪費最大。但是比較起來，以上第5項和第4項畢竟是先丟掉了一半像素，第5項雖然可能在時間軸上需要處理，但是當代電子技術是可以解決的，因此，以上第5項逐場輪換制如果壓縮和解壓問題可以得到很好的處理，則是有希望作為國內首選的3D廣播制式。

筆者還要特別提出，比較起來，可以在上述第1項的“雙路編碼順序傳輸”上優先考慮，由于每一場都可以有左右眼圖像，這樣可以單數場傳輸左右眼的奇數行，而偶數場又可以傳輸左右眼的偶數行，分辨力也就不再是問題了，這樣左右眼圖像可以分別壓縮、解壓和插補，國際間節目交換(比如50 Hz，60 Hz的轉換)也變得很容易了，使用相對比較簡單的辦法可以實現較為復雜的問題。但是，此方法在下面的問題上需要注意:

1)雙路編碼需要2.97 Gbit/s碼率，對于芯片的要求較高，這是需要事先縝密思考的。

2)由于信息量比單路編碼大了一倍，采用何種壓縮標準進行壓縮和解壓應該首先得到確認。

3)節目錄制和存儲有額外的復雜性。

就發展的眼光看，將這個雙路編碼方案作為首選方案可能會事半功倍。

我國在天津三維顯示技術公司主持下，曾經在電視臺多次試播過模擬標清的逐行輪換制三維廣播電視;在HDTV開播后，深圳電視臺又試播了左右分制三維電視;2010年5月，由廣州市科技和信息化局宣布在廣州亞運會上，專門研發的三維電視播放系統將同期與廣州市民見面，系統采用AVS壓縮技術。中國三維科技產業園已經落戶揚州，不久的將來，產業園將決定更先進的三維廣播電視播出技術。

3 小結

論述了高清晰度、超高清晰度電視技術的發展，其中對于超高清晰度電視技術，國內尚沒有應對措施，而這可能是下一步的發展項目。本文也介紹了目前可能的3D電視廣播的各種形式，提出了在我國3D廣播電視標準制定上可能會遇到的各種問題，以及筆者自己認為的應該優先選擇的方式，希望能夠在不久的將來制定出應用于我國的超高清晰度電視和3D廣播電視編碼傳輸標準。

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