超高清晰度電視系統視頻參數計算和選擇

李桂苓, 李 彥,2, 徐 巖

（1.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072；2.天津師范大學 電子與通信工程學院，天津 300387）

專 題 超高清電視

超高清晰度電視系統視頻參數計算和選擇

李桂苓1, 李 彥1,2, 徐 巖1

（1.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072；2.天津師范大學 電子與通信工程學院，天津 300387）

討論了超高清晰度電視系統（UHDTV）視頻參數的選定原則，由分析、計算中國SDTV和HDTV系統圖像格式、掃描特性、色度參數以及信號格式等視頻參數，引申到如何考慮和計算UHDTV系統的相應參數。較系統地說明了計算和選定這些參數所涉及的多種因素及對這些因素的權衡，并參考相關國際UHDTV標準，計算并給出了可供中國在選定UHDTV系統視頻參數中參考的數值。為便于比較和選擇，有的參數還給出了數種可選方案。由于選定UHDTV系統視頻參數涉及諸多方面，可有多種選擇，所以需要反復、多方論證，希望對此有一定的參考意義。

SDTV；HDTV；UHDTV；視頻參數

中國標準清晰度電視（SDTV）和高清晰度電視（HDTV）系統分別遵循GB/T 14857—1993《演播室數字電視編碼參數規范》[1]和GY/T 155—2000《高清晰度電視節目制作及交換用視頻參數值》[2]。前者等效采用ITU-R BT.601-3:1992。后者參照ITU-R BT.709-3中第二部分制定，但掃描格式修改為1 125/50/2:1并增加了1 125/24/1:1，還參照ITU-R BT.1361《未來電視和圖像系統的國際統一色度及相關特性》[3]增加了擴展色域系統相關參數。

廣播電視的數字化，特別是HDTV廣播的開通，極大地增多了電視頻道數量，提高了音視頻節目質量。但HDTV畫面的水平視角只有30°左右（表1），伴音至多兩個聲道，觀眾希望獲得更佳的視聽體驗，一些場所需顯示特大屏幕精細圖像和重現三維音響效果，超高清晰度電視（UHDTV）是其良好選擇，多視點自由立體顯示也需基于超高清顯示技術[4]。

超高清顯示技術發展迅速，國際上對UHDTV的基礎研究已相當深入，關鍵技術和設備研發已逐漸步入實用階段，一些國家和國際標準已制訂，有的國家開始試播。中國也正在大力研究其關鍵技術，制訂相關標準。為此，本文在分析、計算SDTV和HDTV系統視頻參數的基礎上，參考ITU Rec.ITU-R BT.2020-1（06/ 2014）[5]，討論了UHDTV廣播系統視頻參數的選定原則、計算原理和方法，希望對制訂中國相關標準有一定參考價值，促進中國UHDTV的發展。

1 選定參數的原則

選定UHDTV視頻參數至少應考慮：

1）視覺特性（生理和心理）；2）需求適應性（廣播、展示、多媒體應用）；3）質量及可行性（技術和設備、可分級性、成本）；4）兼容性及可擴展性（與現有電視系統、各種傳送方式、相關國際標準、節目交換、計算機、數字電影和藍光光盤等周邊技術的兼容性及技術、業務可擴展性）；5）知識產權。

2 圖像格式

選定UHDTV圖像格式需提高畫面臨場感，增大視角是重要因素之一。人眼的靜態水平視角接近180°，計及眼球、頭部和身體轉動，其值更大。加大屏幕，移近視距可展寬視角，但若不同時增多電視掃描行數，則會感到畫面粗糙。按正常視力可區分張角約1'～1'相鄰兩點，由畫面的高度和視距，從幾何關系即可算出所需垂直方向的有效行數，再由畫面幅型比和像素寬高比可導出水平像素數。

由于眼球水平方向轉動較垂直方向習慣，所以寬幅型比畫面與視野更匹配。電影銀幕、計算機顯示器、投影屏等也都在實現寬屏化。但它們的幅型比并不一致。考慮到HDTV畫面及已有UHDTV國際標準已將其定為16∶9，中國的UHDTV似也應選用此值。

因視細胞接近圓形，故像素寬高比為1的畫面視覺效果較好，HDTV、計算機、數字電影等也采用方像素，這表明UHDTV像素寬高比也應為1。

表1列出了按約1'視覺分辨力計算的中國電視系統部分畫面參數。表中SDTV和HDTV的參數值按中國相關標準計算。中國尚未發布UHDTV標準，表1所列為本文考慮多方面因素計算的可選值。

表1 中國SDTV，HDTV和UHDTV部分畫面參數

像素點陣是畫面的空間取樣，其構成為數字電視系統的基本參數，決定著系統的性能和實現難易程度等，其選擇與上節所列原則密切相關。表1按ITU-R BT.2020-1（06/2014）推薦的3 840×2 160和7 680× 4 320兩種級別UHDTV有效像素數計算了相關參數，并分別稱為UHDTV4K和UHDTV8K系統。這兩種畫面尺寸與HDTV成整數倍關系，不過與表2所列數字電影倡導聯盟（DCI）的數字電影畫面不盡相同。以表2中的DCI 4K Netive格式為例，其所稱的“K”真正為1 024（即210），而UHDTV4K和UHDTV8K畫面的水平像素數分別為3 840和7 680，分別稱4K和8K格式，是沿用了數字電影的簡稱。順便指出，表2所列數字電影畫面略寬于16∶9，像素為方形，由于數字電影更注重畫面質量而把每幀畫面都按靜止圖像編碼標準JPEG2000編碼，這與UHDTV受限于傳輸帶寬而按高效視頻編碼標準（HEVC）編碼不同[6]。這些異同在節目轉換時應予考慮，但采用與計算機一樣的方像素對便于計算機處理非常重要。

表2 UHDTV與數字電影畫面規格比較

如表1所列，UHDTV4K和UHDTV8K畫面的水平視角分別約60°和100°，仍遠低于視覺能力。進一步加大視角，不宜再單獨縮短表中的視距，否則還會顯現行結構，距屏太近觀看節目還會引起不適。

表1列出了中國數字電視系統由有效像素數限定的靜止圖像亮度信號清晰度理論值。數字電視系統按像素尋址方式工作，其垂直清晰度理論值即有效行數，但水平清晰度需將水平有效像素數按幅型比折算成電視線。順便指出，節目不按相應有效像素數攝制，包括接口在內的信道帶寬不夠，顯示屏物理像素數及顯示方式不對應相應標準，觀看距離遠等因素，均會使圖像清晰度達不到表1所列值。

3 掃描格式

數字電視系統仍按掃描方式工作。UHDTV較HDTV需有更好的圖像質量，而電視系統普遍采用的隔行掃描雖可縮窄視頻信號帶寬，但易造成行間閃爍、垂直分辨力下降、垂直邊緣扭動和閃爍等，還為數字視頻信號處理帶來不便。為此，現有國際標準均按逐行掃描構建UHDTV系統。

對逐行掃描系統，圖像幀是運動圖像序列的時間取樣，確定幀頻至關重要。視覺對越亮、亮度變化越大的圖像和亮度越高的顏色更易感到閃爍，且視網膜邊緣較中間黃斑區對閃爍敏感，這兩方面因素使得大屏、近視距、大視角、寬色域UHDTV系統的幀頻應比HDTV更高。中國SDTV，HDTV為隔行掃描系統，一幀圖像分為兩場，以略高于眼睛臨界非閃爍頻率的50 Hz場頻將幀頻降成25 Hz。那么逐行掃描的UH?DTV系統至少需把幀頻提至50 Hz以上，如表3所列。較高的幀頻不僅可降低閃爍，還會增強包括立體感在內的臨場感，不少國家主張將UHDTV系統幀頻提至120 Hz甚至300 Hz，中國若選定100 Hz幀頻，視頻質量會明顯提升，當然這會成倍提升像素率（見表3）。計及來自電影的節目，表3有可能還需設置其他幀頻。中國對提高幀頻問題在模擬電視向數字電視過度時曾被強烈提出，當時因幀頻涉及問題廣，已有節目素材使用和不同格式電視節目制作會遇到很大困難，最終未予改動。

表3 中國SDTV，HDTV和UHDTV系統部分掃描參數

幀由行組成，行頻等于幀頻與每幀總行數之積。選定行頻也要綜合考慮多種因素。每幀總行數為幀有效行數與幀消隱行數之和。UHDTV4K，UHDTV8K的有效行數分別為HDTV的2倍（2 160）和4倍（4 320），若總行數也分別選成2倍，則分別是2 250和4 500，由于UHDTV為逐行掃描系統，他們可以為偶數。這樣選定后，可算出相應的掃描參數。

本文論證了其他可選行頻值。以幀頻50 Hz的UHDTV4K為例，在每幀總行數為多于有效行數的整數，行頻為2.25 MHz的整數倍（見第5節）條件下，沒有低于112.5 kHz的可選值，而若將行頻提至125 kHz和150 kHz，則消隱行占比分別增至13.6%和28.0%。此外，本節論述演播室掃描參數，顯示端可不受其限。

4 色度參數

中國現在按常規色域播出SDTV和HDTV節目，紅（R）、綠（G）和藍（B）三基色及D65基準白的CIE 1931色度坐標列于表4。由這些值可算出色域覆蓋率，并導出亮度信號（E'Y）模擬編碼方程。前者為轉換到CIE 1976 UCS均勻色空間（u'，v'）坐標系色度圖上，基色三角形面積對可見光譜色軌跡內面積（0.195 2）的百分比。

表4 中國電視系統基色和基準白色度坐標、色域覆蓋率及模擬亮度信號編碼方程

中國GY/T 155—2000中的擴展色域HDTV系統參照ITU-R BT.1361制訂。ITU-R BT.1361與現行常規色域電視系統有良好兼容性，傳輸色域的擴展體現在圖1所示光電轉換特性，其非線性校正前的線性基色信號歸一化值可大于1，且可為負值。ITU-R BT.1361以Pointer色域為目標色域[7]。Pointer廣泛收集，實測了4 089種色樣本的色度參數，得物體“真實色空間”，其表面有576種顏色，稱“Pointer表面色”，界定的色域稱“Pointer色域”。Pointer色域不僅被ITU-R BT.1361定為目標色域，目前也將其作為一種UHDTV色域級別的趨勢。

中國尚未制訂UHDTV標準，表4和圖1按ITU-R BT.2020-1（06/2014）計算并給出相關參數。ITU-R BT.2020-1（06/2014）將基色選為可見光譜色，基準白仍為D65，模擬亮度信號編碼方程相應改變，光電轉換特性對10 bit，12 bit兩種色深度分別規范，前者同常規色域電視，后者有微小修改。基色選為譜色拓寬了色域覆蓋范圍，但目前只有激光光源可實現。

在CIE 1976 UCS色空間（u'，v'）坐標系色度圖上，以上三種系統的色域如圖2所示，色域覆蓋率計算值列于表4。

5 信號格式

由于視覺對圖像亮度細節比顏色細節敏感，所以基于三基色構建的電視系統可傳送一個寬帶亮度信號和兩個窄帶色差信號。三個色差信號中，G-Y色差信號幅度最小，傳送中易受干擾，所以應選B-Y（或表示成CB）和R-Y（或表示成CR）傳送。Y為單極性信號，歸一化幅度為1。模擬亮度信號（）編碼方程取決于基色和基準白色度坐標，已在表4導出。B-Y和R-Y為雙極性信號，為便于設計量化器，其歸一化幅度不應超過±0.5。由此按100/0/100/0規格彩條信號計算，B-Y和R-Y的壓縮系數及進而計算的模擬色差信號（，）編碼方程列于表5。表4、表5所列參與編碼的為，，信號，它們是經圖1所示光電轉換特性校正（γ校正）后的基色信號電壓，而校正前的歸一化基色信號電壓ER，EG，EB正比于光強。

圖1 光電轉換特性示意圖（L分別為ER，EG，EB）（截圖）

圖2 色域比較

為改善圖像質量和便于進行數字處理，對模擬信號的取樣點在畫面上應正交、固定分布。中國SDTV和HDTV為隔行掃描系統，取樣點在圖像上按行、場和幀重復，但鄰行相差半個像素，均分別保持正交。UHDTV為逐行掃描系統，取樣點在圖像上逐幀固定且正交。

擬實現像素樣點在畫面上固定、正交分布，取樣頻率需為行頻的整數倍。世界上原有行數和幀頻分別是525/（30/1.001）和625/25兩種應用較廣的電視系統，其行頻最小公倍數為2.25 MHz，為便于國際交換節目，取樣頻率還應選為該值的整數倍。表5中列出了中國SDTV和HDTV基色和亮度信號的取樣頻率，它們分別是表3所列行頻的864和2 640倍，即每行總樣點數分別為864和2 640，分別減去每行有效像素數可算出數字行消隱樣點數及其占空比。

中國尚未確定UHDTV系統標準，若采用前面各表所列參數，以幀頻為50 Hz的UHDTV4K為例，當保持HDTV數字行消隱占比為27.27%時，R，G，B，Y的取樣頻率為594 MHz，如表6所列。該值為2.25 MHz的264整數倍，可保證固定、正交取樣結構和便于國際交換節目。中國SDTV和HDTV采用27 MHz系統時鐘，594MHz為其22整數倍，也便于兼容接收SDTV，HDTV和UHDTV三種格式數字電視信號接收機的設計。

表6還計算出另兩組取樣參數。這些參數是在幀頻分別為50 Hz和100 Hz，行頻分別為112.500 kHz和225.000 kHz，R，G，B，Y取樣頻率是2.25 MHz和27 MHz的整數倍，每行總取樣數多于有效取樣數等條件下計算和選列的。這些條件滿足上述計算594 MHz時的考慮，但減小了行消隱取樣占比，在CCD攝像機等可正常工作條件下，選用這些參數可以降低取樣頻率。

表5按表6所列最低取樣頻率459 MHz繼續計算了其他視頻參數。其中，取樣定理限定的視頻信號帶寬為取樣頻率的一半，而視頻標稱帶寬還要計及CCD攝像機孔闌效應及低通濾波器等因素，因而較取樣定理限定的帶寬窄，通常可取取樣頻率的1/2.7～1/2.2。

表5還計算了不同色度格式色差信號的取樣參數。對4∶4∶4色度格式，CB，CR取樣頻率等于R，G，B，Y的取樣頻率，有效行數也與Y的有效行數相同。對4∶2∶2和4∶2∶0色度格式，CB，CR取樣頻率等于R，G，B，Y取樣頻率的一半，4∶2∶2色度格式的有效行數與Y的相同，而4∶2∶0色度格式則為Y的一半。

中國SDTV和HDTV系統中，R，G，B，Y，CB、CR的量化精度為8 bit或10 bit，前者用于傳輸，后者用于演播室節目制作。UHDTV應能傳輸、重顯更豐富的顏色，ITU Rec.ITU-R BT.2020-1（06/2014）建議采用10 bit或12 bit，級差均勻的線性量化，量化值編碼成PCM（脈沖編碼調制）碼。表5給出了相應的數字編碼方程和量化級分配。兩端的量化級用于傳送時基，中間的量化級分配給傳送Y或CB、CR數據。因CB，CR為對稱信號，0值對應中間量化級。如表5所列，視頻數據許用更寬的量化級范圍，這一方面是應對信號可能出現較大的瞬時值，也可用來傳送超過正常值范圍的寬色域信號。

表5 中國電視節目制作及交換用部分視頻參數

表6 UHDTV系統R，G，B，Y取樣頻率部分可選值比較

表7計算了中國SDTV，HDTV和UHDTV系統的視頻信號數據率。該表針對不同幀頻、圖像格式、色度格式和量化精度計算。表7數據表明，UHDTV視頻數據率遠高于HDTV，表明研究高效視頻編碼算法，制訂相應標準，提高系統信號處理速度，是UHDTV的關鍵技術之一。

表7 SDTV，HDTV和UHDTV系統視頻信號數據率Gbit/s

6 結束語

本文分析、計算了SDTV，HDTV系統視頻參數，提出了選定UHDTV系統視頻參數的原則，闡述了計算、選定UHDTV系統視頻參數涉及的多種因素及對他們加以權衡的考慮，并參考已有國際標準，對UHDTV系統圖像格式、掃描特性、色度參數和信號格式等參數進行了計算和比較，提出了相應的選擇建議。

筆者在進行這項工作時，深切體會到選定數字電視系統視頻參數需綜合考慮諸多方面，可有多種選擇，需反復、多方論證，難度很大，但影響深遠。希望本文給出的選定原則、計算原理、計算方法和建議的多組視頻參數值對中國確定UHDTV系統標準有一定參考意義，從而促進中國UHDTV的發展。

[1]GB/T 14857—1993，演播室數字電視編碼參數規范[S].1992.

[2]GY/T 155—2000，高清晰度電視節目制作及交換用視頻參數值[S].2000.

[3] ITU-R BT.1361.Worldwide unified colorimetry and related char?acteristics of future television and image systems[S].1998.

[4] 李桂苓，李彥，徐巖.超高清晰度電視技術及其標準化[J].信息技術與標準化，2012（12）：58-61.

[5] ITU Rec.ITU-R BT.2020，Parameter values for ultra-high defini?tion television systems for production and inter?national pro?gramme exchange[S].2014.

[6]ITU-R Rec.H.265|ISO/IEC 23008-2，High efficiency video coding [S].2014.

[7] POINTER M R.Gamut of real surface colours[J].Color Research and Application，1980，5（3）:145-155.

Calculation and Selection of Video Parameters for Ultra-high Definition Television System

LI Guiling1,LI Yan1,2,XU Yan1
（1.School of Electronic Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.College of Electronics and Communication,Tianjin Normal University,Tianjin 300387，China）

The principles of selection of UHDTV system video parameters are discussed in this paper.Then the video parameters of China SDTV and HDTV systems,such as image characteristics,picture scanning characteristics,chromaticity parameters and signal format et al,are analyzed and calculated.The calculation of UHDTV system parameters is further presented.Various factors related to the determination of these parameters and how to balance them are systematically explained in this paper.Based on the international UHDTV standards,the reference values of the studio video parameters for China UHDTV systems have been calculated and decided.For convenience of comparison and selection,several possible values are given for some parameters.As UHDTV system video parameters are related to various factors,and may have a number of options,the selection therefore needs to be carefully considered.A valuable reference is provided for parameter calculation and selection above.

SDTV；HDTV；UHDTV；video parameters

TN941

A

李桂苓，教授，博士生導師，主要研究方向為信號與信息處理、數字視頻與多媒體技術教學、科研工作。

?? 薇

2014-08-11

【本文獻信息】李桂苓，李彥，徐巖.超高清晰度電視系統視頻參數計算和選擇[J].電視技術，2014，38（18）.