用于大型LED顯示屏的超高清視頻質量評價要點

李 農 / 朱 斌

(南京洛普股份有限公司，江蘇 南京 210061)

0 引言

隨著LED顯示屏技術(特別是小間距屏幕)的高速發展，LED顯示屏在交通指揮室、作戰指揮室、大型會議室及調度中心等場合擁有巨大的市場。由于這些大屏幕的分辨率高(動輒都在4K以上)、面積大，對視頻細節、拼縫、色差等方面的要求苛刻，所以對視頻存儲、解碼及播放也需要很高的要求。對此，本文重點討論高于4K分辨率的視頻文件在大型顯示屏上的播放質量評價。

1 常見的RGB和YUV編碼方案

RGB和YUV都是色彩空間，用于表示顏色。YUV通常通過RGB輸入信號來創建，YUV通過運算也可以還原出RGB。YUV主要用于優化彩色視頻信號的傳輸，且向后兼容黑白電視。YUV中“Y”表示明亮度，“U”和“V”表示色度。“U”是藍色差值，“V”是紅色差值。圖像處理時，一般會把RGB圖像轉成YUV圖像(因為圖像壓縮利用了人對亮度比較敏感，但對色彩信息相對不太敏感的生理特性，把色度的分量減少)之后，才開始進行其他壓縮算法的編碼，比如目前的主流壓縮算法H.264。最常用的YUV的采樣格式有 YUV 4∶4∶4、YUV 4∶2∶2、YUV 4∶2∶0 和YUV 4∶1∶1。

圖1所示為YUV示意圖，圖中，黑點表示“Y”，空心圓圈表示“U”和“V”。三張圖片(從左至右)分別表示：YUV 4∶4∶4、YUV 4∶2∶2、YUV 4∶2∶0。

圖1 YUV示意圖

日常生活中常見的DVD、家用攝像機及數碼相機拍攝的視頻所采用的編碼方式為YUV 4∶2∶0。

YUV 4∶4∶4是無壓縮、效果好、最能反映原始影像的編碼格式，隨著技術的更新和變革，YUV4∶4∶4的需求越來越廣泛(如電影樂園、電影院及各種視頻秀等)。筆者所在單位曾做過一些使用無損壓縮視頻格式的項目，如JPEG 2000、PNG序列幀等，這些視頻在制作的時候就采用YUV 4∶4∶4進行采集，然后再進行編碼，場景的顯示效果、細節和顏色的還原都非常清晰、準確和精致。

若追求無損的視頻質量、準確的顏色展示和極致的細節處理，YUV 4∶4∶4的無損壓縮格式無疑是非常好的選擇，但若視頻容量巨大，視頻碼流一般的播放器難以處理，需要頂級配置的視頻服務器。相對來講，YUV 4∶2∶2編碼格式是在高品質視頻中應用比較多的一種，兼顧了高品質和視頻服務器的處理能力。

2 視頻的幀頻

目前常規的視頻幀頻都在30幀左右，達到60幀的較少。相對于30幀的視頻，60以上幀頻的視頻質量(特別是快速運動畫面)有極為明顯的提升，成本也有成倍地增加。目前已經有支持60幀視頻的播放器、處理器及拼接器等相關視頻處理設備。

在普通的電視機或者尺寸不大的視頻屏幕上，幀頻的差異并不明顯，但當把快速運動的視頻在一塊幾十、幾百甚至上千平方米的顯示屏上進行顯示時，運動畫面會有明顯的卡頓，除通過視頻處理可以進行運動補償外，其實通過提高幀頻就可以改善這種卡頓。

舉個例子說明。比如畫面上是一輛汽車從攝像機前方開過，參照物是路邊的一棵樹，鏡頭里面的景寬約22m，車的速度是60km/h，可以計算得出，其每秒移動17m，如果幀頻是30，那么每幀移動就是0.55m，對應于4K的超高清畫面，其大概移動了96個像素，如果是P1.25的產品，其每幀要在屏幕上移動120mm。如果幀頻提高一倍，那么每幀在屏上移動的距離只有60mm。這樣就能改善視頻畫面的動畫效果，變得流暢。

3 使用10bit甚至更高位數進行編碼，成片和播放

使用高于8bit的編碼有3個好處：提高灰度、視頻轉換精度高、同等視頻質量碼流更低。這里首推10bit。

1)色彩級數

10bit視頻是指一種視頻編碼的特征，每個顏色通道的色彩級數是1 024級，可以細致地表達顏色，漸變色更細膩。10bit由于顏色級數是8bit的4倍，不容易出現色塊，同時由于相鄰顏色區別更小，人眼也難以看出色塊之間的界限(圖2)。

圖2 8bit和10bit圖像對比圖

2)10bit編碼轉換精度高

通常RGB(8bit)=> YUV(8bit)=> RGB(8bit)轉換的結果，R,G,B三個通道的錯誤率最高會達到40%，最小的藍色也有接近20%。而 RGB(8bit)=> YUV(10bit)=> RGB(8bit)轉換錯誤率為0，這是10bit的主要優點。這里用一個通俗的比喻就是，在進行圓方面的計算時，雖然要求保留兩位小數點，但是使用3.1415926得到的結果將更為準確。

3)數據量

直觀上感覺10bit比8bit多占用25%的數據量，但在實踐中10bit往往能帶來更高的壓縮率。所以，雖然顯示終端大多數是8bit處理設備，但是由于有以上這些優點，在條件允許的情況下，使用10bit視頻仍然是一個最優的選擇。

4 多臺設備的播放幀同步和鎖相

按照目前的視頻播放機性能，想要進行超過4K分辨率無損視頻播放是很困難的，所以必須對視頻進行分割，用多臺視頻播放器進行同步播放。對此，一個最基本的功能就是要能夠多臺設備幀同步輸出。目前幀同步技術有兩種，一種是通過網口同步，好的播放器會使用萬兆網，另一種是使用同步卡。經過實際測試和主觀評價，超過3ms的幀時間差就能夠用肉眼分辨出來。如圖3～4，分別表示相差3ms的左右拼接和上下拼接效果圖。

圖3 相差3ms的左右拼接效果圖

圖4 相差3ms的上下拼接效果圖

5 視頻接口

目前，如果需要支持4K分辨率、YUV 4∶4∶4、10bit、60幀的視頻輸出，就需要一個能夠承載此碼流的數據接口進行視頻傳輸。目前主流的超高清視頻接口主要有HDMI和DP，在超高清和甚高清領域，DVI已被淘汰。

1)HDMI接口

HDMI接口作為電腦電視常用的高清顯示信號源輸出/輸入接口，常用的標準是HDMI1.3和1.4版本。HDMI 2.0標準于2015年4月公布。

2)DP接口

2006年5月，視頻電子標準協會(VESA)確定了1.0版標準，2008年升級到1.1版。DP 1.1最大支持10.8Gb/s的傳輸帶寬，目前新版的DP 1.4的帶寬達到了32.4Gb/s，足以支持10bit色彩的4K 120Hz輸出，也可以支持8K 60Hz輸出。

雖然收費的HDMI 2.0b的規范傳輸帶寬最高達到18Gbps，可以支持高質量的10bit、60幀、YUV 4∶4∶4 視頻的傳輸，但相較于免費的DP 1.4規范的32.4Gbps帶寬，仍顯得技術落后，所以支持高質量視頻輸出的設備大多會選擇DP口。

6 結束語

超高清視頻這種數據龐大的文件對播放器的軟件和硬件要求非常高。目前市場上有一些在秀場和電影院、劇場應用的高端視頻播放器可以使用，比如D3、BSM等都是很好的頂級播放器。

LED顯示屏在全世界得到了廣泛應用，越來越多的場景特別是創意顯示等項目上出現了巨型顯示屏，這些顯示屏的視頻都是經過特別定制，如果按照上面的評價指標的上限進行制作，再通過上述的播放器進行解碼還原，將會得到一個非常接近原始素材的視頻畫面，最大限度地滿足片子導演和投資方對視頻質量的需求，給人的視覺感受將極其逼真和極具震撼效果。

[1] 瓦崗薩斯.數字圖像處理[M].北京：電子工業出版社，2007.8.

[2] 桃樹仙.播放高清視頻時畫面撕裂問題的解決及其原因分析[EB/OL].百度文庫,2013-7-25.