4K超高清電視的機遇與挑戰

朱海濤

【摘 要】 討論4K電視的優勢及其對市場的意義，闡述盡快推出實時4K電視廣播的必要性，探討4K電視發展中面臨的技術問 題及解決方法。

【關鍵詞】`4K超高清電視；視頻編碼；分辨率；幀頻

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.09.013

【Abstract】The advantages and significance of 4K high-definition for the market were discussed； the necessity of launching the real-time 4K TV broadcast as soon as possible was elaborated； several technology problems and solutions in the development of 4K television were also approached.

【Key Words】4K high-definition TV； video coding； resolution； frame frequency

1 引言

4K超高清電視（以下簡稱4K電視）是近年消費電子領域的一個高頻詞。隨著主流家電廠商相繼向市場推出4K電視機，這一技術所蘊含的市場潛力和巨大商機已經吸引了各界人士的熱切關注。但迄今為止，即便在美、日等技術領先的國家，4K電視服務，尤其是最具價值的實時4K電視廣播都只是處于試播及市場培育階段。限制4K電視迅速普及的因素包括：制造成本高、節目庫有限及廣播傳輸技術不支持等。而隨著相關技術的日臻成熟，可以預料4K電視市場競爭將迅速升溫。

2 4K超高清概念

超高清是一個與電視分辨率有關的概念。

簡單地說，一幅電視圖像畫面的最小顯示單元是像素。畫質的細膩度就是由像素點距來決定的。單位面積內像素數目越多，即分辨率越高，畫面也就越清晰。在數字技術普及之前，不管電視屏幕的尺寸有多大，其圖像包含的像素數目都是約30萬個，這就是所謂的“標清”電視。對于一個小屏幕電視機來說，這樣的畫面質量已經相當清晰了。不過，如果電視屏幕尺寸增大，觀看者就需要離屏幕更遠些才能看清圖像。于是，電視技術工程師開始致力于研究如何獲得更為清晰的圖像，尤其是在較大屏幕的電視機上。目前最常用的高清分辨率為1080p（即垂直方向1 920線×水平方向1 080線，標準分辨率通常用水平和垂直方向的像素數表示，參見電子行業標準SJ/T 11324—2006《數字電視接收設備術語》），或俗稱的1080p標準垂直像素點（等同水平掃描線）。200萬左右像素的高清分辨率電視機，相當于“標清”D1為480i格式的6.5倍，這也是目前市面上技術最為完善的高清電視標準。

近兩年來，不少電視制造企業已相繼開發并推出4K電視。作為取代1 920 ×1 080的新一代分辨率標準，4K電視的分辨率為高清的4倍（即3 840×2 160），相當于4幅高清畫面拼成一幅4K超高清畫面。對于1080p高清顯示屏，坐在離屏幕很近處的觀眾仍會看到像素與像素之間的一個個小正方形空白；而在4K超高清顯示屏上，像素將會變得更加細小，以至于在正常觀看距離上，人們必須利用放大鏡才能看到上面所說的那些正方形空白。這意味著觀眾即便在距離屏幕很近的地方也能看到清晰的圖像。當然，僅僅有4K超高清顯示器未必保證有更好的畫質，因為電視的畫質還取決于信號源的質量和畫面實際內容等其他因素。

3 4K電視的優勢

3.1 更高分辨率、更大尺寸屏幕

盡管影響電視觀看體驗的因素眾多，但是在視頻設置正確的情況下，分辨率提高所帶來的優越性還是顯而易見的。4K電視最主要的好處是消費者可以在現有房間內擺放尺寸比原先大很多的電視機，例如目前剛好能擺放42英寸1080p高清電視機的某房間，如果主人要更換4K電視機，那么，電視機屏幕可以增加至65英寸、70英寸甚至84英寸，也不致影響收看的效果。要實現這一好處，最重要的一點是依據觀看位置與電視機之間的距離選擇合適的屏幕尺寸。如果安排得當，那么，4K電視可以提供電影般的視覺感受，其意義不亞于IMAX（Image MAXimum，一種能夠放映比傳統膠片更大和更高解像度的電影放映系統）為電影觀眾所帶來的視覺沖擊。一般來說，高清電視的適宜觀看距離為屏幕高度的3倍，在這個距離上，觀眾看不到像素與像素之間的空白。而對于4K電視來說，適宜觀看距離可縮短至屏幕高度的1.5倍，在這么短的觀看距離上，觀眾可以有極其巨大的視野，從而獲得身臨其境的視覺感受，同時又不會令圖像質量受到任何損失。

3.2 完美呈現35 mm電影膠片畫質

4K電視的另一個優勢在于，它將成為消費市場上第一種能夠呈現35 mm電影膠片影像之顆粒和品質的數字格式。一些經典老電影如《阿拉伯的勞倫斯》、《亂世佳人》等以及不少新發行的影片正在被轉換和優化，以便能夠以4K超高清格式放映。

除了能夠在更大尺寸的屏幕上播放相比1080p電視更為清晰的影像之外，4K超高清電視還具有更高幀率和更寬闊色域。幀率的提高可使快速移動的物體看起來更加流暢；更寬闊的色域則有助于4K超高清顯示器呈現比傳統高清電視更為鮮明和真實的色彩。對于體育賽事、現場活動甚至數碼照片等各種形式的視頻內容，都可以帶來一種更為逼真的圖像。

3.3 實時4K電視廣播市場潛力巨大

4K電視機最早出現于2013年1月的美國拉斯維加斯CES消費電子展上，一經發布，便震驚業界，但隨即而來的問題是如何實現把4K超高清視頻內容傳輸到消費者家中，這要求更高的數據傳輸系統。內容提供商（如電視臺、有線電視公司、網絡視頻提供商），藍光及DVD等光盤制造商，以及業界其他參與者都在努力開發把視頻內容傳送至4K超高清電視機播出的最佳和最高效的方式，并予以標準化。幾個月之后，名為HEVC（高效視頻編碼）的壓縮標準便正式發布，從而極大地推動4K超高清電視內容的處理與傳輸。endprint

4K超高清電視真正的價值在于重大體育比賽及事件性活動的現場直播報道。雖然4K超高清電視內容并不要求特殊的壓縮算法，但目前只有HEVC技術可以提供在現有廣播網絡上傳輸4K超高清電視廣播內容所需的壓縮效率。

隨著4K電視機價格的不斷下降，越來越多的消費者將愿意付費收看優質的4K超高清節目，如現場直播的體育節目。盡管隨著時間推移，已在4K電視領域搶占先機的網絡視頻提供商不排除有提供實時4K電視內容的能力，但傳統電視廣播機構在體育比賽、重大事件報道等方面仍然具有無法比擬的優勢。從行業現狀來看，注重創新的互聯網流媒體視頻提供商很可能成為最早的商業性4K電視服務提供者，如美國Netflix公司、我國的樂視網等。

4 發展4K電視廣播的技術難點分析

在市場對4K電視認可度日益提高、4K電視機及機頂盒相關制造成本逐漸下降、節目庫不斷豐富的前提下，實時4K電視廣播服務將成為市場的必然趨勢。4K視頻信號的傳輸要求巨大的帶寬（10 Gbit/s），這對電視廣播及網絡的基礎設施提出了較高要求。一個成功的4K電視傳輸系統在設計和建設過程中需要注意和克服以下5個技術難點：

4.1 不同畫面寬高比的匹配問題

在4K電視出現之前的各種高清電視格式702p、1080i或1080p所采用的畫面寬高比都是16：9。然而4K電視格式（分辨率為3 840×2 160）在用來播放4K電影的時候會出現寬高比不匹配的問題，這是因為早于4K電視格式出現的4K DCI數字電影格式（分辨率為4 096×2 160）的寬高比約為17：9。許多4K攝像機和視頻源裝置分別具有與兩種分辨率匹配的功能設置，因此，在實際操作中，工作人員需要預先對顯示器和視頻源進行仔細匹配設置，以避免畫面出現不必要的壓縮或拉伸。

4.2 對數據傳輸速率（帶寬）的要求更高

幀頻為60 f/s（幀/秒）的1080p視頻信號所要求的數據傳輸速率為4.46 Gbit/s，依此類推，同樣幀頻的4K電視信號要求4倍于前者的數據傳輸速率，即17.78 Gbit/s。但由于目前最普及的高清多媒體接口電纜HDMI 1.4版本最高只支持10.2 Gbit/s的數據傳輸速率（含損耗），因此，目前的4K視頻裝置所采用的幀頻最高僅為30 f/s。這一幀頻用于播放24 f/s的電影畫面不成問題，但是對于電視視頻和電腦游戲而言，需要注意的幀頻被降低了一半。因此，4K電視傳送系統的設計需要滿足幀頻分別為24 f/s、25 f/s、30 f/s、50 f/s、60 f/s的視頻內容。

采用HEVC壓縮技術的幀頻為30 f/s的4K電視所需的傳輸帶寬將是現有1080p高清電視廣播的兩倍，如果幀頻提高到對體育比賽和超高清視頻更為理想的60 f/s，則需要三倍于現有高清電視的傳輸帶寬。

4.3 信號的保真與增益

4K電視對信號保真的要求大大高于現有高清電視，這是4K電視傳輸系統遇到的問題。國外研究人員曾利用目前最先進的檢測設備（安捷倫12 GHz高性能示波器）進行過對比測試。他們發現，用一條3英尺（約91 cm）的HDMI高清電纜傳輸幀頻為60 f/s的1080p高清電視信號，其傳輸過程產生的抖動和衰減并不明顯，表示該電纜的帶寬足以支持1080p，但在把電視信號改為幀頻為30 f/s的4K視頻信號之后，則終端波形出現了明顯的抖動和衰減；如果再把HDMI傳輸電纜的長度延長至30英尺（約9.1 m），此時4K電視信號在終端的抖動和損耗更為明顯，甚至無法實現正常的傳輸。由此可見，4K電視信號在傳輸過程中必須解決信號增益的問題。

4.4 對電纜長度的限制

雙絞銅質電纜是支持4K電視信號傳輸的最基本的廣電級電纜。即便在4K電視信號的幀頻降低以及經過色度抽樣操作后可能實現的增益，4K電視信號的傳輸仍然需要巨大的帶寬。因此，相對于1080p高清電視傳送系統，被用作4K電視基本傳輸電纜的雙絞銅質電纜所能使用的最大長度將會大大縮短，這給4K電視傳輸系統的設計帶來新的挑戰。美國多媒體技術公司快思聰（Crestron）的工程師在經過長期實驗后給出的建議是：在1080p多媒體傳輸系統中常見的DM 8G或CAT5e電纜可有效使用的長度極限都是100 m，而在4K系統中，這兩種線纜的長度極限需要分別降低至70 m和50 m。

在模擬系統中，電纜過長會使電視畫面質量下降，有時這種質量下降是觀眾察覺不到的。但在數字系統中，電纜過長甚至可能導致畫面完全消失；更有甚者，它可能會使視頻源設備與顯示終端之間的不兼容問題變得更加嚴重。某些裝置在較長電纜上測試正常，并不能保證系統中隨后加入的所有裝置都能正常工作。在實踐中，4K電視的高帶寬對HDMI電纜的要求可能更高。

4.5 視頻源設備與顯示終端的兼容問題

作為一項剛剛問世的新技術，4K電視尚未形成統一標準。如何解決不同廠家開發生產的視頻源設備和顯示終端、甚至是同一廠家生產的不同設備之間的不兼容，成為系統設計者需要克服的又一個難題（或面臨的有一個挑戰）。

2013年10月27日，日本在大阪馬拉松賽期間進行了世界上第一例4K超高清電視現場直播的演示。技術人員用兩臺攝像機通過4組3G-SDI接口向HEVC格式實時視頻處理系統提供現場的4K超高清視頻素材（30 f/s），經過處理后的實時視頻信號通過日本K-Opticom電信公司的光纖網絡傳至安裝在大阪國際展覽中心內的一臺84英寸4K電視上。2014年6月，日本開始在全國范圍內免費試播4K電視節目，成為世界上第一個提供定時4K電視廣播的國家。

5 我國4K電視的現狀

目前我國盡管尚未開始4K電視實時節目的試播，但在電視臺及專業領域日常使用的視頻采、編、播設備已經全面支持4K超高清格式，配套的4K電視編輯、制作的編碼解碼格式（如索尼XAVC、松下AVC ultra等）已經成熟，用于傳輸4K信號的新一代編碼解碼格式HEVC（美國Elemental公司開發）也得到芯片廠商、編碼及傳輸設備廠商的廣泛支持，可以說啟動最具商業價值的實時4K電視服務的條件已經基本成熟。而這一服務的盡早推出，對于我國4K電視產業的發展將具有重要的拉動作用。另一方面，互聯網視頻服務商則早已敏銳地嗅到了4K電視的巨大商機，樂視網已發布其4K內容平臺并推出了4K電視終端，預計2014年內還有多個省級網絡電視運營商也將跟進4K電視業務。

4K電視機從2013年初上市以來，隨著產量的增加，目前價格已經逼近高清電視水平。預計2014年全球的4K電視機出貨量將達到1 200萬臺。在其他技術條件相對成熟的情況下，4K機頂盒及4K電視機的制造成本成為制約4K電視服務的一個主要因素。

在電視分辨率方面，一種順理成章的預測是：具有3 300萬像素的8K電視（其分辨率是4K電視的4倍）不久后將替代4K電視。但8K分辨率是現有顯示技術無法實現的，而且目前世界上只有日本NHK一家廣播機構公開表示有意于8K電視的商用化。事實上，8K分辨率已接近人類肉眼分辨率的極限，而8K電視的分辨率優勢只有在84英寸及更大尺寸的顯示屏上才能被人眼明顯察覺，因此，目前大多數廣播機構和電視制造商對8K電視的商用前景表示懷疑。

對分辨率的無止境追求最后很可能面臨無人喝彩的結局，因為歸根到底，消費者的多媒體需求和體驗才是推動電視市場的最大動力。筆者預料，未來4K分辨率將成為家用平板電視機的必備功能之一，而決不是人們購買電視機的主要原因。未來的4K（甚至8K）電視機將具有更高分辨率，能支持更高的幀頻和更廣闊的色域和精度，并利用一系列成熟的銳化濾波器來使大量現有的1080p高清節目呈現接近于超高清的視覺效果。這對于電視運營商將是一個福音。

（編輯 張冠華）endprint