超高清電視發展與應用

鄒峰

（國家廣播電視總局安全傳輸保障司，北京 100866）

1 引言

國際上，最早開展超高清電視研發的機構是日本NHK 廣播電視研究所。從2012年起，日本、韓國、英國、法國、美國等西方主要國家陸續制定了4K 超高清電視的研發及播出計劃，并在地面、有線、衛星以及IPTV 等傳輸網絡開展了不同程度的試驗播出。在國內，央視、上海、江蘇、湖南、廣東等電視臺從2013年開始，陸續開展了4K 超高清電視的節目制作和有線電視網中的傳輸試驗。中國電信、中國聯通于2015年開始，在IPTV中推出了4K超高清電視點播節目。

2017年廣東省基于信息產業發展的總體考慮，在我國率先提出了正式開播4K 超高清電視頻道，2018年10月16日獲得國家廣播電視總局批準正式開播。2018年10月1日，CCTV-4K 超高清頻道正式開播以來，廣東、北京、上海和杭州陸續開始了超高清電視播出，其中：中央廣播電視總臺播出兩套4K 超高清節目和一套8K 超高清節目；廣東廣播電視臺播出一套4K 超高清節目，廣州市廣播電視臺播出一套4K 超高清節目；北京廣播電視臺播出一套4K 超高清節目和一套8K 超高清節目；上海廣播電視臺播出一套付費4K 超高清節目；杭州廣播電視臺播出一套付費4K 超高清節目。

2 國際超高清電視發展現狀

2.1 國際電信聯盟（ITU）標準

2012年國際電信聯盟（ITU）對超高清晰度電視格式的主要參數值進行了規范，發布了相關的ITU-R BT.2020 標準，對超高清晰度電視傳輸系統技術參數的規范提供了重要參考［1］。同時指出在選擇超高清晰度電視廣播傳輸技術參數值時，需要綜合考慮到節目制作本身的參數和限制性因素：即提供超高清晰度電視服務的時間表、商用化解碼器的可用性、與本地接收機終端設備相關的成本限制。

ITU另一個大的貢獻是對圖像增強型的動態范圍曲線進行了展望［1］，其前提是假設每個人都對將要實際使用的一條或若干條曲線持贊同態度。該解決方案的相關術語是“Extended Image Dynamic Range for Tele‐vision（面向電視的圖像動態范圍擴展）”或者更為直接、簡單的“HDR（High Dynamic Range，高動態范圍）”。對于未來的超高清晰度電視機而言，這些新的動態范圍或曲線將帶來更逼真的視頻圖像再現——其將具有更高的“峰值亮度”（下一代電視機終端的發展趨勢）。在未來，最暗的黑景色與最亮的白景色時間的亮度范圍將會增大許多，從而使得電視視頻圖像給人的主觀感覺更為逼真。具有高動態范圍的電視視頻圖像看上去會更為生動、閃耀。因此，“高動態范圍”被視為UHD-1中“DVB UHD-1 Phase 2”格式的重要技術特征。

ITU 與MPEG 一直對相關的候選方案進行評估。相關的候選解決方案包括兩大類：PQ（Perceptual Quantizer，感知量化）及 HLG（Log-Gamma 對數伽馬）。在視頻圖像質量、節目制作的便捷程度、與現有系統的后向兼容性等方面，這兩類候選解決方案均具備一定的優勢。

2.2 歐洲

歐洲數字電視標準組織（DVB）于2015年8月19日出版的DVB SCENE 9月刊（總第46 期）刊登了“Dynamic Progress：Towards the Next Phase of DVB UHDTV”［2］——《動態進展：面向下一階段的DVB 超高清》一文，介紹了DVB 對于UHD-1（4K 超高清晰度電視）廣播傳輸標準兩個階段DVB UHD-1 Phase 1 與DVB UHD-1 Phase 2 的工作進展和相關展望，是歐洲發展超高清電視的參考性文件。

2012年國際電信聯盟（ITU）對超高清晰度電視格式的主要參數值進行了規范，發布了相關的ITU-R BT.2020標準后，DVB啟動了UHDTV Phase 1（超高清晰度電視第一階段）的標準化工作，聚焦于低于800萬像素數的超高清晰度電視廣播格式規范。

DVB 對超高清晰度電視廣播傳輸格式的初步規范被正式命名為“DVB UHD-1 Phase 1”，2016年，UHD-1系統具備商用化能力，開始為其用戶提供相關服務。

DVB UHD-1 Phase 1 采用ITU-R BT.2020 UHD-1中所規 范 的 格式之一：3840×2160p、60fps。由于UHD-1終端設備的規模普及尚需時日，既可對超高清晰度電視原色信號進行解碼，又可對ITU-R BT.709所規范的高清晰度電視原色信號進行解碼。DVB 建議終端設備制造商生產這樣的顯示器產品：將ITU-R BT.2020 的原色映射至ITU-R BT.709 顯示屏。此外，面向下一代的傳輸格式，DVB還對通過附加方式提供更高幀率、具備臨時可擴展能力的信號處理方式進行了建議。

歐洲“DVB UHD-1 Phase 1”的下一個發展階段是“DVB UHD-1 Phase 2”，其具備 ITU-R BT.2020 標準中所規范的更多技術特征，2018年已具備初步商用的能力。

“DVB UHD-1 Phase 2”標準所考量的另一大問題是 HFR（Higher Frame Rates，更高幀率）。ITU-R BT.2020標準中對超高清晰度電視節目制作與交換所規范的最大幀率為120 Hz。雖然具備高幀率特性的電視視頻圖像（UHD-1 廣播圖像）可提高運動物體再現時的清晰度，但是卻增大了用戶終端側解碼器的實現復雜度——與幀率60 Hz 的解碼器終端相比，其需要兩倍的內存帶寬。

DVB 計劃超高清電視發展分三步走：UHD1 Phase1?UHD1 Phase2?UHD2（8K 超高清晰度電視3200萬像素圖像系統），具體參數要求如表1所示。

表1 DVB超高清電視發展規劃

DVB 以及日本韓國等國家都在為于2020年之后正式商用UHD-2服務而努力。

2.3 日本

超高清電視已經從研發階段轉向應用推廣階段。2014年2月NHK 舉行了4K/8K 發展藍圖后續會議，討論了關于如何加速4K/8K 發展藍圖的應用。2014年9月發布的臨時報告《推動4K 和8K 發展的新發展藍圖》公布了“2016年開始使用廣播衛星（Broadcast Sat?ellite,BS）的4K/8K 測試廣播”的目標，并在2018年通過衛星廣播和其他方式發起4K/8K 商業廣播。同時成立了超高清電視的“全日本”促銷機構的下一代電視和廣播促進論壇（NexTV-F）。

2020年東京奧運會正式播出8K 電視，開發和研制了涵蓋內容制作、播出、傳輸、接收的一系列功能的4K/8K 超高清設施，其中包括多種型號8K 演播室攝像機、8K 記錄產品、8K 顯示面板、8K 電視機以及基于IP 架構的8K 轉播車，并對包括巴西世界杯、里約奧運會開閉幕式在內的多場重大活動進行了8K 實況錄播試驗。

2.4 韓國

在兩大政府機構KCC（Korean Communications Commission，韓國通信委員會）以及MSIP（Ministry of Science,ICT and Future Planning，韓國科學、信息通信技術與未來規劃部）的強力推動之下，2012年，韓國在全球首先進行了基于地面數字電視廣播網絡的超高清晰度電視傳輸試驗，并進行試驗廣播。為此，KBS、MBC、SBS 與EBS 等韓國主要的地面電視廣播商還簽署了MOU（Memorandum Of Understanding，諒解備忘錄）。2014年 4月 10日，韓國 4K 超高清頻道“UMAX”正式開播，成為全球首個正式播出的有線4K超高清頻道。

通過近幾年的相關試驗，韓國廣播電視機構解決了很多于單個6 MHz物理信道內傳輸4K超高清晰度電視節目內容的技術問題。另外，KBS、MBC、SBS與EBS等主流廣播電視臺制作4K超高清晰度電視節目的能力也大為提高，目前可以達到實時制作4K超高清晰度直播電視的水平。韓國超高清電視發展規劃如表2所示。

表2 韓國超高清電視發展規劃

3 中國超高清電視發展政策

中國發展4K 超高清電視是貫徹落實中央創新驅動發展戰略、促進文化與科技融合、深化廣播電視供給側結構性改革的重要舉措，對于滿足人民群眾日益增長的精神文化需求，提升廣播電視傳播力、影響力和輿論引導力，促進和推動文化產業與民族工業發展都具有重要意義。圍繞超高清高質量發展的目標，國家有關部門堅持從實際出發，通過多方協同，發布了一系列規范和促進4K 超高清發展的相關政策，為推進4K 超高清電視技術及產業健康有序發展營造了良好的政策環境和發展氛圍。

3.1 聯合制定印發《超高清視頻產業發展行動計劃（2019?2022年）》

為推動產業鏈核心環節向中高端邁進，加快建設超高清視頻產業集群，建立完善產業生態體系，2019年2月，工業和信息化部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺聯合制定并印發《超高清視頻產業發展行動計劃（2019-2022年）》（簡稱《行動計劃》）。《行動計劃》提出按照“4K先行、兼顧8K”的總體技術路線，大力推進超高清視頻產業發展和相關領域的應用。堅持市場主導、企業主體；堅持系統布局、統籌推進；堅持整機帶動、重點突破；堅持應用牽引、融合創新；堅持開放發展、合作共贏。《行動計劃》指出到2022年我國超高清視頻產業的發展目標：超高清視頻內容資源極大豐富，網絡承載能力顯著提高，超高清視頻產業總體規模超過4萬億元。4K產業生態體系基本完善，產業發展支撐體系基本健全，8K關鍵技術產品研發和產業化取得突破，形成一批具有國際競爭力的企業和技術、產品、服務、應用協調發展的良好格局［3］。

3.2 組織編制《超高清視頻標準體系建設指南（2020版）》

為近一步落實《行動計劃》，工業和信息化部和國家廣播電視總局共同組織國內相關研究機構，編制了《超高清視頻標準體系建設指南（2020 版）》，包括產業發展綜述、總體要求、建設內容和重點工作等4個部分。介紹了超高清視頻的技術、產業發展現狀和產業生態體系的構成。明確了“系統布局，統籌推進；急用先行，應用牽引；開放發展，合作共贏”的基本原則。提出了到2020年，初步形成超高清視頻標準體系，制定急需標準20 項以上；到2022年，進一步完善超高清視頻標準體系，制定標準50 項以上。規劃了超高清視頻標準體系框架由“基礎通用”、“內容制播”、“網絡與業務平臺”、“終端呈現”、“安全與監管”和“行業應用”6個部分組成（圖1），涉及安防監控、文教娛樂、醫療健康、智能交通、工業制造等行業應用。在重點工作部分，提出加強統籌協調、實施動態更新、加快標準研制、加強宣傳培訓、推進國際合作等5 項措施，統籌推進標準的制定、實施和國際化工作［4］。

圖1 超高清視頻標準體系

4 超高清電視技術研究與應用

自2012年起，我國的企業、科研和播出機構就一直在跟蹤研究超高清電視技術。特別是2018年中國超高清電視正式開播以來，結合實際播出、產業生態建設和產品制造，進行了大量研究工作，為中國超高清發展和國際超高清標準化建設做出了貢獻。

4.1 確定超高清和高清電視節目同播流程

超高清播出成本較高，探討超高清和高清電視節目同播一直是各國廣播電視技術工作者的研究課題。中國廣電工作者經過幾年的探索解決了這一難題。超高清和高清電視節目同播流程包括錄播流程和直播流程。

錄播流程分為兩種方式，一種是在播出端采用固定參數下轉換為高清信號進行播出（圖2）。前期制作時，采用SDR調光方式對超高清HDR信號進行拍攝和收錄。后期制作時，將高清SDR素材采用固定參數上轉換為超高清HDR，并與前期制作的超高清HDR信號一起進行調色、渲染等后期制作得到用于播出的超高清HDR信號。對于超高清頻道，直接進行播出。對于高清頻道，采用固定參數下轉換的方式得到高清SDR信號后進行播出。

圖2 固定參數下轉換

二是使用在媒資系統通過動態參數下轉換的方式進行轉碼的文件進行播出（圖3）。與固定參數下轉換的方式不同，采用動態參數下轉換的方法，可以根據內容特性進行動態轉換，獲得更加精細的轉換效果。

圖3 動態參數下轉換

直播節目制播流程：前期制作采用SDR 調光，對于高清信號或素材，要在前期系統或者總控系統按照固定參數上轉換的方式轉換成超高清信號后，進入直播制作系統；4K/8K HDR信號直接用于超高清頻道播出，高清頻道的播出信號，是使用超高清頻道信號在播出端采用固定參數下轉換而來（圖4）。

圖4 直播流程

4.2 優化了HDR 與SDR 的電平映射關系，并成為ITU標準

在超高清和高清電視同播時，為了同時保證超高清和高清的播出質量必須兼顧HDR 與SDR 的電平。以中央電視臺為代表的科技工作者，進行了大量實驗工作和理論分析和比較（表3、表4），對HDR 與SDR的電平映射關系進行了優化調整，明確4K HLG75%亮度電平對應HD SDR90%亮度電平，即79%HLG 對應100%SDR，將HDR 參考白電平定為79%HLG，在1000 尼特監視器上，參考白亮度為260 尼特（圖5），確保4K HDR 與HD SDR 同播時，均獲得良好的節目技術質量，統一了消費端電視圖像觀感，使消費端電視在超高清電視和高清電視上顯示超高清節目和高清節目時獲得統一的觀感。同時提高了HDR 圖像的平均亮度，使HDR效果更加明顯。

圖5 4K HLG75%亮度電平對應 HD SDR90%亮度電平

表3 HLG到SDR信號映射關系

表4 SDR到HLG信號映射關系

考慮到當前同播流程基于SDR調光，由于攝像機拐點位置不一致及拐點之上處理不同等原因，實際操作中會存在較大偏差，故將映射關系中SDR基準調整為90%，處于拐點之下，便于調光參考（圖6、圖7）。

圖6 不同EOTF曲線對比

圖7 SDR基準調整

4.3 提出HDR 視頻制作使用“HLG（窄范圍）+超白”電平

為使超高清節目大動態范圍的場景下更好地展現高對比度的光影效果，保留更多HDR 信息，ITU-R BT.2100 規定了“窄范圍”和“全范圍”兩種不同的信號表示法。窄范圍被廣泛使用，是默認值。中央電視臺在實踐基礎上，考慮到HLG 不需要元數據和向后兼容SDR 的特點，以及在高清時代臺內采用的是窄范圍。同時考慮到使用超白，能夠利用窄范圍之外更多的比特位，提高視頻信號的動態范圍，提升視頻質量。最終提出臺內使用“HLG（窄范圍）+超白”電平，可以保留更高的亮度范圍。圖8 是具體參數設置。

圖8 信號電平

4.4 實現 8K VR 視頻（7680×4320，50/60fps）實時編碼

國家廣播電視總局廣播電視科學研究院與北京大學等單位，在深入研究VR 視頻FOV 編碼關鍵技術基礎上，實現了8K VR 視頻（7680×4320，50/60fps）實時編碼。該項成果的出現，節約了大量傳輸帶寬，與現有的HEVC 80Mbps 視頻傳輸碼率相比，終端同等觀看體驗下，本系統傳輸碼率為20Mbps左右，實際節約70%左右的碼率，大幅領先國外相關方案。并且用戶視角切換MtHQ（Motion to High Quality，VR視角高低清畫質內容切換延時）小于160 ms。

4.5 超高清視頻圖像質量主觀評價用測試圖像

中央廣播電視總臺和國家廣播電視總局廣播電視規劃院共同研究、設計、拍攝、制作了具有我國自主知識產權的超高清測試圖像。測試圖像包括特殊制作的演播室靜物、人物、外景、夜景、HDR場景，還包括體育比賽、晚會綜藝等常見的節目類型。在設計制作測試圖像時，既考慮到測試圖像的功能性，又考慮到畫面的藝術性，并體現了特有的中國文化元素。可以用于對超高清電視系統和設備的性能檢測和質量評估。對提高超高清視頻節目圖像質量、規范超高清系統建設、引導超高清視頻設備的研發和生產起到重要作用。

目前4K 超高清測試圖像已經發布為我國行業標準，8K 超高清測試圖像已立項作為行業標準正在編制過程中。同時，已經完成的4K/8K 超高清測試圖像被提交至ITU 國際標準組織，成為國際標準的一部分，填補了國際上視頻格式為50P 的超高清測試圖像的空白。

5 超高清電視產業發展現狀

超高清電視發展必將帶動巨大的產業發展。工信部超高清“三年行動計劃”估計到2022年底，我國超高清產業將達到4萬億元。相關產業分四大部分，如圖9所示。

圖9 超高清產業鏈組成

5.1 超高清產業鏈——視頻采集部分

超高清視頻采集需要記錄的信息量和所產生的數據量巨大，對采集設備的要求極高。目前主要有攝像機、監視器、切換臺、5G 背包等設備用于超高清視頻采集，其中8K攝像機、監視器、切換臺通常基于4鏈路12G SDI 基帶傳輸，5G 背包采用8K 深壓縮編碼格式傳輸。這些年來，國內廠商正逐步推出一系列的8K 超高清視頻采集產品，有效支撐了越來越多的8K超高清視頻內容生產需要。作為移動化5G+超高清采集設備，5G 背包在超高清現場直播、遠程制作、現場信號回傳等場景有著比較廣泛的應用前景。

5.2 超高清產業鏈——視頻制作部分

超高清視頻制作編輯作為超高清內容素材最主要的生產手段，涉及到的產品主要包括快編生產系統、非線性編輯系統、視覺效果包裝系統、視頻剪輯軟件等，國內相關企業實力較強，研發重點放在8K 視頻編輯系統上。

超高清節目制作過程中切換臺是必不可少的環節，從輸入和輸出接口方面，目前主流的8K 切換臺以12G-SDI 接口為主，并通過 4 鏈路 12G-SDI 方式進行信號的輸入和輸出，同時配置8K 切換制作過程中輔助功能，包括Tally 系統、CG 劃像音頻模塊、色彩校正功能等，完成8K直播節目的切換制作。

編解碼算法作為音視頻制作處理的核心，在整個制作流程中主要涉及到的設備有編碼器、解碼器和轉碼器，負責音視頻的壓縮編碼、解析、格式轉換、同時也作為一種底層能力是其他編輯播出錄制等環節和設備的有力支撐。產品產業化方面，目前參與8K 編解碼器支持國產化編碼標準AVS3 的廠家偏少，已有一些基于AVS2/H.265 算法的8K 編解碼器實現產品化。在產品架構方面，以嵌入式硬件編解碼和X86 服務器產品為代表。

5.3 超高清產業鏈——終端呈現

超高清視頻的終端呈現設備主要包括機頂盒、電視機、投影儀等設備，涉及到的核心元器件主要有解碼芯片及顯示面板等產品。當前階段，4K 超高清電視已逐步普及，8K 超高清終端呈現設備已經取得較大成果，特別是8K 電視機，可選擇的國產化品牌較多，價格也逐步降低。以京東方、康維訊等為代表的國內廠商已經具備了8K 超高清監視器的自主設計和制造能力，近兩年均推出了8K 超高清監視器產品，主要應用在8K 視頻的拍攝、制作、監測等環節，能夠較好地呈現出原始8K 超高清視頻的畫質與參數，滿足畫面監視要求。

6 超高清電視發展趨勢

目前，超高清電視在技術、標準和產業應用方面都取得了一定的進展，我國在超高清電視領域也實現了多項技術的突破，特別在8K超高清電視領域開展了技術試驗，并開播了8K試驗頻道，積累了豐富的經驗。隨著超高清技術的不斷迭代和升級，未來超高清電視在內容供給、節目制播、編碼傳輸等領域將進一步突破。

（1）超高清優質內容供給逐步加強。隨著超高清拍攝、制作、存儲等技術的發展與應用，越來越多的超高清內容制作機構能夠制作出符合超高清技術標準的高質量超高清內容，向用戶提供高品質的超高清節目服務，不斷增強超高清節目內容的吸引力和競爭力。

（2）超高清節目制播體系IP化轉型升級。傳統的SDI 制播體系布線復雜、傳輸距離有限、維護成本高，難以滿足超高清電視節目制播需求。目前，超高清節目制播體系正逐步向IP化制播技術架構轉變，制播流程更加優化。

（3）超高清視頻編碼效率不斷提升。超高清視頻數據量顯著提升，需要更加高效的視頻編碼技術，在保證視頻質量的前提下提升壓縮效率，降低傳輸帶寬。在現有編碼技術的基礎上，結合深度學習技術，突破傳統編碼效率瓶頸，進一步提高超高清視頻編碼效率。

（4）超高清制作設備成本需進一步降低。目前電視臺要播出一套超高清節目，一年制作成本將增加1.5億，從另一個層面阻礙了超高清電視的發展。因此需要進一步降低制作設備的成本，突破關鍵技術，實現全國產化。

7 結束語

全球超高清電視在飛速發展，我國是世界上最大的超高清電視消費國。但相對于消費電子領域的生成強國，如歐洲、日本等，我們還需要突破一些關鍵技術，如光電轉換器件（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）等，才能變成超高清領域生產和應用強國。目前生產攝像機的CMOS需要進口，特別是生產8K攝像機的CMOS還被禁運，我國只能用4個4KCMOS代替一個8KCOMS生產8K攝像機。因此必須根據自身實際情況制定一份詳盡的超高清發展計劃，快速豐富超高清視頻內容資源，加快建設超高清視頻產業集群，推動產業鏈核心環節向中高端邁進，建立完善產業生態體系，縮小在核心技術方面差距，形成技術、產品、服務和應用協調發展的良好格局，早日實現超高清電視的全民普及。