4K 超高清電視關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢分析

唐駿飛

（北京廣播電視臺，北京 100089）

1 4K 超高清電視應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，4K 超高清電視技術(shù)的概念已經(jīng)得到落地，以大屏幕、遠距離投像、寬色域等為主要特點的4K 超高清電視顯像技術(shù)，已經(jīng)進入消費者家中。與此同時，政府也不斷出臺各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為超高清電視技術(shù)的發(fā)展保駕護航。超高清電視技術(shù)憑借著高清晰度、高穩(wěn)定性的電視成像技術(shù)，實現(xiàn)了性能的大幅優(yōu)化、技術(shù)的全面突破，電視分辨率提升至3 840×2 160，頻率已經(jīng)高達120 Hz。4K 超高清電視技術(shù)為觀眾帶來了前所未有的超高像素、超大空間體驗和視距感受，所以4K 超高清電視越來越受到歡迎。

2 4K 超高清電視關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)組成

總體來看，4K 超高清電視的關(guān)鍵技術(shù)共分為四大類：一是4K 超高清視頻像素處理技術(shù)，二是4K 超高清音頻信號處理技術(shù)，三是4K 超高清電視傳輸技術(shù)，四是4K 超高清電視顯像技術(shù)。這四大類技術(shù)是組成4K 超高清電視的核心技術(shù)，組成了實現(xiàn)4K 超高清電視功能作用的核心架構(gòu)[1]。

2.1 超高清視頻處理技術(shù)

4K 超高清視頻信號處理技術(shù)，作為4K 超高清電視的核心技術(shù)，承擔(dān)著超高清電視視頻生成和信號傳輸?shù)闹匾饔肹2]。在大容量的高清視頻信號傳輸過程，4K 超高清電視經(jīng)常應(yīng)用高級壓縮編碼技術(shù)來壓縮視頻信號。國際電信聯(lián)盟在2010 年發(fā)起了超高清視頻信號編碼技術(shù)準(zhǔn)則，對4K 超高清視頻信號規(guī)定了高效視頻編碼——HEVC 編碼技術(shù)。使用該編碼技術(shù)，4K 超高清電視得以將源碼進行大幅度的信號容量壓縮，使得源碼編碼容量壓縮率下降了50%。這種HEVC 編碼方式大大優(yōu)化了超高清視頻信號的傳輸信號容量，使原來大容量的超高清視頻信號實現(xiàn)小型化傳輸。后來，國際電信聯(lián)盟進一步研究發(fā)布了第二代超高清電視視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)即H-264 編碼準(zhǔn)則。這一編碼準(zhǔn)則相對于傳統(tǒng)的標(biāo)清、高清視頻編碼而言，其對編碼視頻信號的壓縮率進一步大幅下降75%，使得4K 超高清電視視頻信號經(jīng)過壓縮之后，最高可以達到每秒30 幀到50 幀的超高信號傳輸速度。H-264 編碼標(biāo)準(zhǔn)將HEVC 編碼壓縮標(biāo)準(zhǔn)進行了大幅的優(yōu)化，實現(xiàn)了最高40～60 MB·s-1的視頻壓縮信號傳輸速度。通過超高清視頻信號壓縮處理，4K 超高清視頻得以在光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中高速運行，實現(xiàn)了信號的極速傳導(dǎo)和清晰畫質(zhì)的保留[3]。

2.2 超高清電視音頻處理

高清音頻技術(shù)是4K 超高清電視核心技術(shù)的重要組成。一般標(biāo)清或高清電視音頻的處理是以11聲道為最多的聲道傳輸，而4K 超高清電視音頻處理最高能夠達到22 個聲道處理空間[4]，能夠在電視屏幕周圍及正前方形成環(huán)繞的3D 立體式聲音感知，從而實現(xiàn)22.2 全空間環(huán)繞聲系統(tǒng)，使觀眾對聲音的捕捉更加全面，收聽到的聲音信號更加真實，體驗感更加強烈，能夠得到極致的感官享受。

4K 超高清電視音頻處理系統(tǒng)對于22 聲道分配的音頻傳輸速率也進一步得到大幅度提升。每一個單聲道傳播的音頻速率能夠增強至48～60 kB·s-1。而更高級的24 聲道音頻分布系統(tǒng)，可以達到最高30 MB·s-1的音頻傳輸速率。這些大容量的音頻傳輸速率在普通的信道傳輸過程中必然會面臨著信號承載量過多、信號傳輸擁擠等問題[5]。然而現(xiàn)代光纖技術(shù)的引進，使得4K 超高清電視信號經(jīng)過信號源的源碼壓縮之后，可以在高清電視傳輸系統(tǒng)中成型，進行高速的信道流通。最大的音頻信號傳輸速率在被壓縮之后，最低也能夠達到3 MB·s-1以上的速率[6]。

當(dāng)前，韓國三星、日本索尼等公司都在積極開發(fā)高容量、多聲道的立體環(huán)繞高清電視聲道控制系統(tǒng)。而國際電信聯(lián)盟也針對超高清電視信號系統(tǒng)的設(shè)置提出了一系列技術(shù)指導(dǎo)。例如，在國際電信聯(lián)盟的幫助下，當(dāng)前4K 超高清電視聲道規(guī)制形成了環(huán)繞聲空間分配標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了聲音信號的兼容接口，增強了立體環(huán)繞聲音的單通道和多通道之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，可以及時地使高速率傳輸?shù)囊纛l信號進行信號轉(zhuǎn)碼和源碼壓縮，這樣就會將原來高存儲量的信號進行加壓壓縮，減小了各類信號在高清電視信號傳輸系統(tǒng)中的空間占用，提高了高清電視信號傳輸?shù)乃俣群托省Ｔ谶@種情況下，音頻信號只需要增加少部分的空間，就可以實現(xiàn)遠距離、大容量的音頻信號高速穩(wěn)健傳播。4K 超高清電視音頻信號系統(tǒng)的構(gòu)建，使得4K 超高清電視的聲音信號得以完全、保真、快速傳播[7]。

2.3 超高清電視傳輸技術(shù)

4K 超高清電視技術(shù)中的傳輸指的是信號源的發(fā)射與信號傳輸、信號解碼、編碼、信號成型等一系列信號轉(zhuǎn)化過程。4K 超高清電視中，傳輸系統(tǒng)主要由信源編碼、信道解碼、信號傳輸、信號轉(zhuǎn)制及碼元成型等一系列過程構(gòu)成。它是實現(xiàn)4K 超高清電視實時信號傳輸?shù)妮d體。而光纖傳輸系統(tǒng)、微波多路傳輸系統(tǒng)（Microwave Multipoint Distribution Systems，MMDS）是超高清電視傳輸技術(shù)較常使用的傳輸信道通路。

一般4K 超高清電視傳輸系統(tǒng)的傳輸流程大致如下：聲音和圖像等信號編碼，通過信號編碼壓縮形成源碼；源碼進入數(shù)字有線電視傳輸系統(tǒng)，經(jīng)由節(jié)目流與傳輸流分別進行信號傳輸，由信道編碼對內(nèi)部的圖像編碼與聲音編碼進行解制，解制之后形成全新的信號，在信道系統(tǒng)中進行快速傳播；當(dāng)達到4K 超高清電視接收終端時，聲音圖像信號會經(jīng)由信道解碼系統(tǒng)及時進行信號源的解調(diào)，實現(xiàn)音頻視頻的解碼；4K 超高清電視終端直接接收解碼后的信號源，從而呈現(xiàn)出清晰的電視聲音圖像信號。從整個流程可以看到，由計算機控制的自動化數(shù)字傳輸系統(tǒng)會自動地將聲音、圖像等編碼進行壓縮和解碼，從而使整個信號能夠在傳輸系統(tǒng)中高速穩(wěn)定地運行。這是4K 超高清電視傳輸系統(tǒng)形成穩(wěn)定信號源的關(guān)鍵。

2.3.1 光纖傳輸系統(tǒng)

光纖電纜是顯著區(qū)別于同軸電纜傳輸特性的新的傳輸系統(tǒng)。在光纖傳輸技術(shù)中，由于所采用的光纖具有高敏感性、高容量性和信號穩(wěn)定性，所以其傳輸功率較大，傳輸設(shè)備能夠適應(yīng)的環(huán)境條件較廣泛。當(dāng)前許多4K 超高清電視信號傳輸過程中，進入設(shè)備終端時，都會采用入戶光纖的形式進行信號接入。一般房屋施工時，工程建設(shè)都會配套家庭光纖通信裝置預(yù)埋，如建筑體內(nèi)入戶光纖采用固定式的線路走位，通過細化光纖直徑，加密光纖芯數(shù)，從而實現(xiàn)大容量信號的傳輸。因為光纖傳輸過程中信號具有完全的反射能量，所以光纖信號傳輸過程中能量損耗較少，能量傳輸速度較快，是當(dāng)前應(yīng)用于4K 超高清電視傳輸系統(tǒng)的主流傳輸架構(gòu)之一。

2.3.2 微波多路MMDS 傳輸系統(tǒng)

MMDS 傳輸系統(tǒng)指的是微波多路傳輸系統(tǒng)。微波多路傳輸系統(tǒng)是與光纖傳輸系統(tǒng)、同軸電纜傳輸系統(tǒng)明顯不同的一種傳輸系統(tǒng)。這一傳輸系統(tǒng)主要采用微波點對點發(fā)射的形式進行信號的傳播。微波多路MMDS 傳輸系統(tǒng)必須以衛(wèi)星中繼站作為信號傳輸?shù)闹欣^系統(tǒng)，以衛(wèi)星中繼站為載體進行廣播電視信號發(fā)射。經(jīng)過信號發(fā)射，將聲音圖像信號全面壓縮、碼元加碼，傳輸給衛(wèi)星中繼站；衛(wèi)星中繼站依靠MMDS 系統(tǒng)進行信號接收。這些信號在空間傳輸?shù)念l率在2 500～2 800 MHz。微波多路系統(tǒng)接收到聲音、圖像等壓縮信號之后，會以高能量信號射頻向地面空間的4K 超高清電視接收終端進行信號的發(fā)送。總體來看，微波多路MMDS 傳輸系統(tǒng)具有速度快、無物理線路、施工相對容易等優(yōu)點，中繼衛(wèi)星的應(yīng)用容量也相對較大。

2.4 超高清電視顯示

在4K 超高清電視的關(guān)鍵技術(shù)中，顯示技術(shù)是至關(guān)重要的技術(shù)。這是因為，超高清電視顯示決定著畫面的清晰度，要想得到極致的高清觀感體驗，必須由超高清電視顯示系統(tǒng)加以呈現(xiàn)。

在4K 超高清電視顯示系統(tǒng)技術(shù)中，液晶面板是至關(guān)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。當(dāng)前，為進一步實現(xiàn)4K超高清的目標(biāo)，液晶面板的分辨率已經(jīng)逐步達到3 840×2 160。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，三星、海力士、LG以及京東方等企業(yè)都沿著各自的產(chǎn)業(yè)路徑實現(xiàn)了超高清液晶面板的生產(chǎn)[8]。

總體上，不同的生產(chǎn)企業(yè)將4K 超高清液晶面板劃分為兩大類不同的應(yīng)用模式，一種是VA 屏，一種是IPS 屏。超高清電視液晶顯示屏幕具有高度的屏幕分辨率敏感性，其尺寸面板在39～85 英寸。在這些尺寸中間進行各種型號的4K 超高清電視顯示屏應(yīng)用，都可以有效地構(gòu)成4K 超高清電視液晶顯示屏。此外，4K 超高清電視顯示屏還有接線驅(qū)動接口，接線驅(qū)動接口的信號傳輸速率和信號刷新速率，決定著4K 超高清電視顯示屏的屏幕圖像顯示效果[9]。

當(dāng)前，不同的企業(yè)在4K 超高清電視顯示屏的驅(qū)動接口上設(shè)置了LVDS 接口和V-by-One 接口。這兩種不同的驅(qū)動接口的傳輸速率各有不同，其中，LVDS 驅(qū)動接口的傳輸速率為1.05 GB·s-1，V-by-One驅(qū)動接口對高清電視信號的傳輸密度較大、容量較高，最高傳輸速率可以達到3.75～4.75 GB·s-1。二者在刷新頻率方面最高的頻率跳閃為240 Hz，處理的色彩度可以達到12 bit。總體來看，V-by-One驅(qū)動接口的傳輸速率較高。

超高清電視中芯片的應(yīng)用，也是4K 超清電視顯示技術(shù)的核心。當(dāng)前的4K 超高清電視芯片都是以雙芯形式存在。4K 超高清電視的芯片內(nèi)部共兩個芯片，其中一個芯片專門用來完成圖像信號的接收、轉(zhuǎn)制、成像及輸出，另一個芯片則專門用來對4K 超高清電視顯示屏幕中的圖像進行補充性信號處理與聲音信號的處理。

3 4K 超高清電視關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢分析

當(dāng)前，隨著新一代信息科技的全面加速創(chuàng)新，圍繞著4K 超高清電視形成的新技術(shù)也正在持續(xù)迭代發(fā)展。

在超高清視頻處理方面，越來越多的超高清視頻壓縮、容量存儲技術(shù)正在快速發(fā)展，以邊緣計算和云存儲為核心的大容量存儲技術(shù)、高速視頻信號傳輸技術(shù)、壓縮信號傳輸技術(shù)等，都推動著4K 超高清電視視頻信號的處理向大規(guī)模、集成式、高速率方向發(fā)展。

在4K 超高清電視音頻處理方面，隨著音頻解碼技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，音頻載荷量持續(xù)增大，音頻傳播速度也持續(xù)提高。在聲音傳輸系統(tǒng)中，基于高分辨率的立體環(huán)繞聲道正在持續(xù)擴容。據(jù)媒體報道，已經(jīng)有28 聲道的MPG 環(huán)繞聲道實驗成功，所以在未來，4K 超高清電視音頻技術(shù)必然會向著更加立體化、真實體驗感和高速傳播的方向持續(xù)演化。

在4K 超高清電視傳輸系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)和推廣方面，越來越多的光纖傳輸系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)超高清傳輸系統(tǒng)、5G 信號傳輸系統(tǒng)和中繼衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)也都持續(xù)構(gòu)建著更高傳輸速度、更穩(wěn)定的傳輸通道，驅(qū)動4K 超高清電視傳輸能力進一步增強。此外，信號傳輸源碼更加便于壓縮處理，對聲音圖像的傳輸編碼混合壓縮與碼流復(fù)接都形成了更加創(chuàng)新的技術(shù)。

在4K 超高清電視顯示技術(shù)方面，更大存儲容量、更快運行速度的超高清電視顯示芯片正在持續(xù)研發(fā)。液晶顯示屏的生產(chǎn)制造也逐步向大規(guī)模、集成式生產(chǎn)方向前進，其規(guī)模效應(yīng)逐步凸顯，這會進一步壓低液晶顯示屏的市場價格，有利于超高清4K電視的市場推廣。而在4K 超高清電視顯示屏的接口技術(shù)開發(fā)方面，以V-by-One 接口為核心的驅(qū)動式接口也逐步擴大了應(yīng)用覆蓋率，更多的企業(yè)在開發(fā)4K 超高清電視屏幕驅(qū)動接口時，越來越多地選擇使用這一接口模式進行信息接口應(yīng)用。

4 結(jié)語

本文詳細介紹了4K 超高清電視的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，并對其未來發(fā)展趨勢、技術(shù)演進方向、系統(tǒng)集合創(chuàng)新方向進行總體的歸納分析判斷，能夠有效提高其發(fā)展的可持續(xù)性。4K 超高清電視的關(guān)鍵技術(shù)在各個方面都在進一步加大創(chuàng)新力度，加大對市場的推廣力度，其在未來的發(fā)展中也越來越多地向著大容量、快速性、穩(wěn)健性的方向發(fā)展。