三種“4K超高清顯示”傳輸方式的比較分析

陳緯寧，吉 祥

上海廣播電視臺，上海 200041

?

三種“4K超高清顯示”傳輸方式的比較分析

陳緯寧，吉 祥

上海廣播電視臺，上海 200041

摘 要對“4K超高清顯示技術”的定義和標準做簡單介紹，以其編碼格式分析采用該顯示技術的優點和其發展瓶頸之一的“傳輸技術”為著眼點，詳細分析了現有三種“4K超高清顯示”傳輸方式的優缺點。

關鍵詞4K；傳輸技術；SDI；HDMI；HDBaseT

廣播電視技術，尤其是彩色電視顯示技術已向“2屏、3D、4K”方向縱深發展，所謂“2屏”指的是“第二屏幕”，即除電視機以外的移動客戶端，“3D”指的是立體的顯示效果，而“4K”則指的是“4K分辨率”，是一種超高清（UHDTV）清晰度顯示技術。

彩色電視顯示技術的發展經歷了“標清”“普通高清”“全高清”和“2K超高清”等階段，其分辨率分別為720×576、1 280×720、1 920×1 080 和2 048×1 152，而“4K超高清（4K UHD）顯示技術”則是新一代彩色電視顯示技術，其分辨率高達4 096×2 160。表1為各視頻清晰度的等級劃分表。

表1　各視頻清晰度等級劃分表

“4K超高清顯示技術”尚未真正普及到千家萬戶，其在畫面的傳輸問題上使用的是H.265/HEVC視頻編碼技術，畫面的數據量極大，傳統的電視信號傳輸方式無法支持“4K超高清”畫面的傳輸，利用既有的電視網絡傳輸“4K超高清”顯示畫面的設想不太實際。因此，亟需找到一種安全、可靠、穩定的“4K”信號傳輸方式。現就“4K超高清顯示技術”的定義、標準、編碼格式和幾種傳輸方式的優缺點進行具體分析。

1 “4K超高清顯示技術”定義

“4K”的名稱源于其橫向水平解析度約為4 000像素，而“4K”超高清顯示技術的像素分辨率為4 096×2 160，是現今高清電視分辨率的4倍，屬于超高清分辨率。目前業界普遍公認的標準是國際電信聯盟頒布的超高清電視國際標準：ITU-R BT.2020，標準對超高清電視的分辨率、色彩空間、幀率、色彩編碼等進行了規范。在色彩方面，ITU自定義有BT.709和BT.2020兩個標準版本，在色彩深度方面，BT.709標準為8 bit，而BT.2020標準則提升至10 bit，此外，BT.2020采用了比BT.709更寬廣的色域空間如可顯示高密度橘色，深綠色等。

2 “4K超高清顯示技術”編碼格式

“4K超高清顯示技術”的圖像數據量巨大，不能使用目前的MPEG-2和H.264/AVC標準來實現信源壓縮編碼。而業界普遍采用的“4K超高清”視頻壓縮標準是“HEVC/H.265”標準。與現有的視頻壓縮標準H.264/AVC相比，后者能將壓縮效率提高1倍以上。

HEVC/H.265編碼技術承襲現有的H.264/AVC編碼技術，包含幀內預測、幀間預測、轉換、量化、去區塊濾波器、熵編碼等模塊，全新HEVC編碼技術為提升壓縮率，將這些模塊整合成3個單元，分辨率是編碼單元、預測單位和轉換單位。

相比H.264/AVC編碼中每個宏塊為16×16像素的固定編碼單位，HEVC/H.265技術的編碼單位較為靈活，最小可以實現8×8像素編碼，最大可以實現64×64像素編碼。H.264/AVC幀內預測模式支持8種方向調節，而HEVC/H.265幀內預測模式支持多達33種方向調節，且提供比H.264編碼技術更好的矢量預測計算方法和動態補償處理效果。此外，HEVC/H.265還具有樹狀結構的預測和殘差塊分割、基于模式依賴正弦/余弦變換、基于空間和時間的運動矢量預測、多幀運動補償預測和高精度運動補償插值等多種編碼技術。

表2　三種“4K超高清”傳輸技術優缺點分析

HEVC/H.265編碼技術旨在有限帶寬下傳輸更高質量的視頻，一部高清分辨率（1 080P）的文件若采用HEVC/H.265編碼后，其容量僅為采用H.264/AVC編碼后容量的一半，這就意味著僅需原先的一半帶寬即可播放相同質量的視頻。

3 “4K超高清顯示”傳輸方式

3.1 HD-SDI

數字分量串行接口“SDI”是目前演播室各設備普遍采用的傳輸標準，目前“HD-SDI”的傳輸速率為1.485 Gbps，但“4K超高清顯示技術”要求傳輸最高3 Gbps的無壓縮基帶信號，采用“HD-SDI”顯然無法傳輸，現在最普遍的解決方案是采用4根“HD-SDI”線纜，分別標記為“A、B、C和D”來傳輸“4K”信號。

其優點是花最小的成本、最大程度利用現有“HD-SDI”線材，可選用轉接件進行演播室升級改造；其缺點是對于“4K”設備的要求具有4個“HD-SDI”接口，傳輸線材粗大笨重，且4個“HD-SDI”口順序不能接錯，示波器等檢測儀器測試檢驗較為繁瑣。

3.2 HDMI

高清晰度多媒體接口“HDMI”是一種數字化視音頻接口技術，經歷過6個版本的變遷，目前HDMI2.0的最高數據傳輸速度高達18 Gbps，完全可以滿足“4K超高清顯示”畫面數據的傳輸。

采用HDMI進行傳輸的優點是易用性，其在單線纜中集成視頻和多聲道音頻，從而消除了當前演播室系統中使用的多線纜的復雜性，第二是高保真，HDMI2.0標準完整支持BT.2020的色域空間標準，符合超高清影音技術未來的發展趨勢，HDMI2.0標準在視頻方面還支持2條不同的視頻信號傳輸，實現雙屏顯示，同時也支持21︰9寬屏顯示規格。而音頻傳輸方面，HDMI2.0最高可以支持32聲道的音頻信號傳輸。

3.3 HDBaseT

HDBaseT并沒有像HDMI和DP一樣重新設計一個新的接口，其利用超五類或者六類雙絞線、網絡水晶頭和網絡接線的接法，實現了速率高達20 Gbps的視頻信號傳輸性能，確切的說，HDBaseT是一種協議規范。目前HDbaseT 1.0支持最高20 Gbps的傳輸速率，能完美地支持“FULL 3D”和“4K超高清“顯示技術視頻格式，其傳輸距離達到了100 m。

采用HDBaseT的優點是無需專用接口，只需要標準的RJ-45連接器接口，也無需專用的線纜，只需要現有的超五類或者六類雙絞線，成本低廉，其傳輸距離可達100 m。此外，HDBaseT還提供了以太網功能、供電能力（PoE）和其他控制信號通道。其缺點是目前基于HDBaseT的設備較少，市場仍處于觀望狀態。

4 總結

“4K”超高清技術的發展，已經歷了約三年的技術積累和沉淀，發展過程中遇到了不少的問題和瓶頸。本文從“4K超高清顯示技術”的定義和編碼格式入手，對“HD-SDI”“HDMI”和“HDBaseT”三種傳輸方式進行研究和探討，其傳輸特點和優缺點如表2所示。

從表2中可以看出，三種“4K超高清”傳輸方式各有優缺點，但權衡利弊和綜合考量后可以看出“HDBaseT”以其獨有的接口易用性、傳輸高速率和可擴展的功能具有成為“下一代超高清影音”線纜標準的潛力，相信再經過若干年傳輸技術的發展，“4K”超高清電視定會走入尋常百姓家。

參考文獻

[1]萬帥，楊付正.H.265/HEVC：原理、標準與實現[M].北京：電子工業出版社，2014.

[2]朱秀昌，劉峰，胡棟.視頻編碼與傳輸新技術[M].北京：電子工業出版社，2014.

作者簡介：陳緯寧，工作單位為上海廣播電視臺。

中圖分類號TN94

文獻標識碼A

文章編號2096-0360（2016）04-0019-02