4K超高清電視關(guān)鍵技術(shù)解析

李玉忠

摘 要：本文研究了超高清電視技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對超高清電視系統(tǒng)的圖像關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析和解讀。

關(guān)鍵詞：分辨率;色域;動態(tài)范圍;轉(zhuǎn)換曲線

放眼全球，聚焦國內(nèi)，現(xiàn)代電視的發(fā)展已快步進(jìn)入4K超高清時代。超高清電視可以給觀看者帶來更好的視覺體驗，能夠展現(xiàn)更多的視頻信息，具有更強(qiáng)的真實感。相對于現(xiàn)行的高清電視，4K超高清電視不僅僅是分辨率的提升。4K電視比高清電視的優(yōu)勢有哪些呢？我們有必要了解4K超高清電視的關(guān)鍵技術(shù)。電視呈獻(xiàn)給觀眾的是活動的圖像，與活動圖像質(zhì)量密切相關(guān)的有以下幾個因素，如圖一所示：包括分辨率（空間分辨率）、色域（彩色分辨率）、量化（灰度分辨率）、幀速率（時間分辨率）、動態(tài)范圍（寬容度分辨率）。高清電視的分辨率是2K，到超高清有4K和8K，隨著分辨率的增加，呈現(xiàn)的圖像越細(xì)膩和清晰。色域影響的是圖像的色彩，色域越大，色彩就會越鮮艷。量化比特關(guān)系到圖像的灰度層次，對色彩的還原也有影響。幀率的高低對快速運(yùn)動的圖像，呈現(xiàn)不同的效果。動態(tài)范圍影響的是圖像同時呈現(xiàn)暗圖像和高亮圖像的能力。4K超高清在這幾個方面都有了相當(dāng)大的提高。

分辨率：按ITU-R BT.2020，定義4K超高清電視分辨率為3840x2160，畫面寬高比是16：9，相對于比4K電影少了7%的像素。標(biāo)清是720x576，寬高比是4：3，高清是1920x1080，寬高比是16：9，從圖二可以看出，4K超高清比高清提供了更多的像素，是高清的4倍，在同樣大小的畫面中，像素越多，必然清晰度越高。

色域：如圖三所示，按ITU-R BT2020建議書給出了一個參考白D65由紅綠藍(lán)三個點構(gòu)成的三角形，就是超高清電視的色域。高清和標(biāo)清的色域非常相近，4K比高清的色域大了很多，色域的增大能顯現(xiàn)更多的顏色，主要是綠色這一塊，并且色彩的飽和度比高清大了許多，色域增大給觀眾帶來更逼真的色彩效果。

量化比特數(shù)：按ITU-R BT2020建議書推薦的量化信號是R、G、B 或者Y、CB、CR，10比特或者12比特量化，當(dāng)前技術(shù)階段，大多采用10比特量化，對于相同的亮度范圍，量化比特殊的增加可以使亮度的層次更加清晰，可以使色彩更加豐富。

幀率：ITU-R BT2020支持多種幀率，考慮到我國電視制式和應(yīng)用需求，保留了50、100、120三個幀頻，逐行掃描，幀率高，畫面流暢。若幀率不高，高速運(yùn)動畫面呈現(xiàn)卡頓、閃爍現(xiàn)象。

動態(tài)范圍：回顧電視技術(shù)發(fā)展史，在傳送模擬電視、標(biāo)清和高清電視時，攝像機(jī)內(nèi)部都有γ校正信號處理過程。圖像采集器件，它的光電轉(zhuǎn)換特性是線性的，如圖四所示：

隨著入射光線的增強(qiáng)，圖像采集設(shè)備的輸出電平也是線性增加，入射光線隨著景物亮度成正比關(guān)系。我們希望圖像采集器件的線性關(guān)系，它輸出的信號經(jīng)過一系列的處理和傳輸，到達(dá)終端時，也能同樣成線性關(guān)系，呈現(xiàn)原來的亮度。但是在過去的年代，顯示終端是顯像管，然而顯像管它的電光轉(zhuǎn)換特性是非線性的，顯像管隨著輸入電平的增加，呈現(xiàn)的亮度是一個非線性的增長，因此需要在攝像機(jī)內(nèi)部預(yù)先做一個反方向的校正，叫做伽馬校正。顯像管的電光轉(zhuǎn)換特性是一個冪函數(shù)，γ等于2.2，攝像機(jī)預(yù)校正OETF（轉(zhuǎn)換特性）約等于0.45，這樣下來系統(tǒng)特性O(shè)OTF就是2.2乘以0.45約等于1，信號經(jīng)過總的鏈路傳輸?shù)竭_(dá)終端后，呈現(xiàn)的是一個線性關(guān)系。傳統(tǒng)的伽馬要匹配顯像管的特性，顯像管的峰值亮度只有100尼特左右。所以攝像機(jī)的伽馬也要迎合顯像管的這種特性。對于超過100尼特的亮度，攝像機(jī)的處理是滿切割。對于景物超過100尼特的亮度部分，失去了亮度的細(xì)節(jié)，在圖像中呈現(xiàn)的是一片白，這是過去的情況。

在超高清電視中也有這個轉(zhuǎn)換曲線，

在ITU-R BT.2020-2中

α=1.099， β=0.018（10位系統(tǒng)）;α=1.0993， β=0.0181（12位系統(tǒng)）

在ITU-R BT.709-6中

上邊這個式子在ITU-R BT.2020-2中，是超高清非線性轉(zhuǎn)換的公式，下邊這個在ITU-R BT.709-6中的轉(zhuǎn)換公式，對比著兩組公式，當(dāng)?shù)碗娖綍r，對應(yīng)圖像暗部的時候，有一個4.5的線性關(guān)系，對于其它高亮部分，是一個指數(shù)關(guān)系，它的冪是0.45，其實ITU-R BT.2020-2建議書中的非線性轉(zhuǎn)換曲線和ITU-R BT.709-6中的高清是一樣的。按照ITU-R BT.2020-2建議書得到的這個動態(tài)范圍叫作標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)范圍簡稱SDR（Standdard Dynamic Range）。

斗轉(zhuǎn)星移，科技日益進(jìn)步，顯示終端多樣化，亮度有了較大幅度的提高，能顯示到1000尼特，我們有必要把動態(tài)范圍擴(kuò)大，以達(dá)到更佳的顯示效果。在2016年7月，國際電信聯(lián)盟發(fā)布了BT.2100建議書，定義了高動態(tài)范圍制作圖像，簡稱HDR（High Dynamic Range）。在該建議書中，規(guī)定了兩種實現(xiàn)高動態(tài)范圍的技術(shù)方案。一種叫做PQ，利用人類視覺特性來感知量化編碼，另一種叫作混合對數(shù)伽馬HLG，柔和了傳統(tǒng)伽馬和對數(shù)轉(zhuǎn)換曲線，HLG實現(xiàn)了傳統(tǒng)顯示技術(shù)和現(xiàn)代顯示技術(shù)的一種兼容，該建議書介紹了HLG和PQ兩種曲線之間的轉(zhuǎn)換方法。

圖五畫出了幾種轉(zhuǎn)換曲線的對比，1是傳統(tǒng)的伽馬，是ITU-R BT.709-6所規(guī)范的一種伽馬曲線，2是HLG，定義的是動態(tài)范圍擴(kuò)展到1200尼特，4是PQ轉(zhuǎn)換曲線，支持的動態(tài)范圍高達(dá)10000尼特顯示，由圖可見這三者之間動態(tài)范圍存在天壤之別。還有一些廠家推出了自己的轉(zhuǎn)換曲線，3這條曲線就是索尼公司的，介于PQ和HLG中間，作為一種中間形式。

高動態(tài)范圍會帶來什么視覺效果呢？在自然光中，亮度的范圍很寬，從10-6～109尼特，對比度高達(dá)1015比1，拍攝這么大動態(tài)范圍的圖像會遇到什么問題呢？首先是光圈調(diào)整，以圖像的高亮區(qū)域為基準(zhǔn)，圖像的暗部因為曝光不足，圖像的細(xì)節(jié)看不清了。如果把光圈放大使暗部合適的時候，圖像的高亮部分作了切割，失去了圖像的細(xì)節(jié)，在圖像呈現(xiàn)的是一片白，沒有了層次感。

如果采用HDR高動態(tài)技術(shù)，采用了新的轉(zhuǎn)換曲線，把較大亮度范圍的圖像都得以呈現(xiàn)，高亮部分和暗部圖像都能較好的呈現(xiàn)出來，這就是HDR制作的優(yōu)異之處。

下表為標(biāo)清、高清與超高清的參數(shù)比較：

通過參數(shù)比較，4K超高清比高清圖像質(zhì)量有較大幅度的飛躍，在此基礎(chǔ)上再加上HDR技術(shù)，采用4K技術(shù)能呈獻(xiàn)給觀眾更加逼真的圖像質(zhì)量。我國也在積極開展超高清電視的研究和試驗工作。隨著未來超高清電視相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善，超高清電視將為人們帶來嶄新的視覺體驗。