UHDTV技術及應用前景展望范文

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《無線互聯科技雜志》2014年第四期

1、uhdtv的技術發展

NHK無疑是UHDTV標準制定、設備研發上的先鋒軍，其不懈努力的結果就是今天我們已經可以在市面上看到實用化的UHDTV產品，雖然它們價格高昂，但隨著生產技術愈發成熟，UHDTV成為主流技術需要的只是時間。UHDTV體系包括與之對應的高清采集、編解碼、壓縮、傳輸、存儲和應用終端幾個子項，下面筆者將就已有的資料來窺探一下UHDTV技術。ITU早在2006年就在ITU-RBT.1769建議書中對UHDTV的圖像格式進行了標準化。需要注意的是ITU將UHDTV表述為LSDI（LargeScreenDigitalImagery),而NHK的UHDTV被稱作SHV（SuperHi-Vision)，在07年通過的SMPTE2036號標準中，最終明確了UHDTV為超高清晰度電視的標準名稱，為了表述方便，下文中筆者也統一使用UHDTV這一技術名稱。UHDTV作為一種圖像技術，圖像采集無疑是重中之重，現代圖像采集技術歸根結底就是光電轉換技術，從這個角度出發，UHDTV圖像采集與現有的HDTV圖像采集有什么不同呢？對比HDTV與UHDTV在ITU建議中的相關文件，我們發現二者在幀頻、取樣格式、取樣順序、取樣結構、圖像結構、色度標準等參數上基本是一致的，而二者區別主要體現在分辨率、像素寬高比(標清和高清為15：16，而超高清為1：1）。由這兩個區別可以看出UHDTV圖像采集相比HDTV圖像采集需要解決的關鍵問題是提高圖像采集分辨率。更高的分辨率意味著我們需要更精致的光電轉換陣列，解決這一問題依賴的是材料科學和制造技術。實際對比HDTV與UHDTV標準參數，二者的每像素比特位數也是不同的，前者為每像素8位或10位，而后者為每像素10位或12位。之所以沒有重點提及這一問題是因為UHDTV的量化編碼過程與HDTV同樣為PCM（脈碼調制），以現有的技術條件二者在軟硬件過渡方面并不存在難點。

在這里我們不妨做一個簡單的數學題：7680×4320×12bit×25=9953280000bit≈1187MB這就是傳輸一秒8K標準UHDTV無損信號所需要的帶寬，這一數據，即使以2009年NHK使用的百兆信道標準來看也是不可承受的。那么我們如何利用有限的信道資源實現UHDTV信號傳輸呢?方案有兩種，一是擴展信道容量，二是進行編碼壓縮。方案一，擴展信道容量。利用窄帶信道傳輸寬帶信號最簡單直接的解決方案就是物理堆疊，這里筆者提出一個基于IP網絡的相對簡單的模型，從網絡接口層來看，HDTV與UHDTV在量化編碼后的數據形式都是二進制編碼，因此其傳輸媒介無需做出調整。當然問題并沒有就此解決，物理堆疊原理上是一種并行傳輸模式，既然是并行傳輸模式，實現這個模型就必須解決數據拆分、數據重組和數據同步的問題。網絡接口層是不具備拆分數據的功能的，即使在其之上的網絡層和傳輸層也只能保證數據傳輸過程的穩定。因此這個數據切分的任務必須在應用層來實現，必須有這么一個軟件模型，其分為發送與接收兩個模塊，在發送模塊，UHDTV數據被拆分為可以在已有傳輸媒介上傳輸的數據塊，每個數據塊會在拆分的同時加上同步標記，之后數據塊被分別送到堆疊的媒介端口傳輸。在數據抵達接收方的堆疊端口后，數據塊在接受模塊被重組成完整的UHDTV數據。前面筆者提到了數據塊上必須添加同步標記，這是因為如大家所知，網絡傳輸并不是完全可靠的，任何傳輸過程中的錯誤都會導致延遲，而屬于同一數據的數據塊如果不能在同一時間抵達接收方，那么必然導致屬于不同數據的數據塊的沖突，因此我們引入同步標記，這樣就可以在應用層通過校驗同步標記來保證數據塊組合的正確性。另外，為實現這種同步，傳輸質量策略也必須被引入，每個數據有自己的傳輸時間，通常稱之為窗口，如果相應數據不能在自己的窗口時間內抵達目的端口，傳輸質量策略會在必要時強制丟棄超時的數據，避免前后數據間的干涉現象發生，而對于未超過窗口時間的數據傳輸錯誤，可以要求數據重傳。

方案二是建立在視頻壓縮和音頻壓縮技術基礎上的，換言之，也就是從軟件算法層面來降低UHDTV的碼率。因為視頻數據和音頻數據編碼后都是硬件無關的，所以即使使用目前的主流壓縮算法（如H.264MPEG），壓縮UHDTV數據也是沒有問題的。當然，通過優化算法實現更低的帶寬占用和更小的失真是必要的。MPEG標準和H.265無疑都會是UHDTV壓縮技術的優先選擇，需要注意的是MPEG標準還涉及音頻編碼，而H.265僅僅涉及視頻編碼。最后筆者還是得提到，即使是方案一，數據傳輸前的預壓縮也是必須的，可以預見如果單純利用物理堆疊傳輸來非壓縮數據帶來的成本增加必然會遠遠高于直接購買UHDTV傳輸設備的花費。由于數字信息的硬件無關性，UHDTV在數據存儲層面與普通的數據存儲并無差別，當今主流的數據存儲技術已足以達到UHDTV數據的存儲要求。當然，我們需為之建立更大的存儲器規模以及更高速的數據總線。另外，目前尚沒有專為UHDTV開發的移動存儲設備，光存儲設備已不能達到其存儲要求，在未來基于網絡的云存儲和基于固態存儲器的移動存儲設備可能會是UHDTV移動存儲的優先選擇方案。

2、應用前景

任何技術理論只有投入到生產生活應用中才具有實際價值，那么UHDTV會在何時以什么樣的方式成為我們生活中的實用技術呢？在2012年的倫敦奧運會上，我們已經看到了日本NHK展示了使用這一超高清標準對比賽進行轉播而得到的效果，其每秒60幀的畫面，讓觀眾如同身臨其境，就像透過窗戶看風景一樣過癮。當然這個發展多年的技術趨勢并沒有到全力沖刺的階段，但這樣的新興技術將為我們帶來的超高分辨率視頻，也就是擁有比目前現行的1080pHDTV高四倍的像素的視頻，已經在2013年國際消費性電子展上(CES)成為了被炒作的話題。2013年的國際消費性電子展(CES)呈現出了三個迎合超高分辨率電視(UHDTV)的電視技術趨勢：一是迎合超高分辨率影像的更高品質音頻；二是改善智能電視功能導航的語音與視覺技術演進；三是可望實現Gigabit等級家庭網絡的802.11ac無線網絡標準。在展會上，Chips&Media宣布推出業界首款支持超高清分辨率的硬件HEVC(高效的視頻編碼)解碼器IP核。該解碼器主要是針對各種從智能手機到UHDTV/UHD機頂盒等高端設備的4K視頻播放，并預計能為8KUHDTV提供更高分辨率的視頻內容。同時三星也在展會上展出一款全新的支持超高清分辨率的85英寸屏幕，這款電視也為三星贏得了2013年國際消費電子展創新獎。各大廠商的支持，周邊技術的發展無疑讓我們看到了UHDTV在未來的美好前景。當然美好的前景只是一部分，我們還應該看到現階段國內電視行業的現狀。

從電視服務提供商角度看，國內各大省級電視臺也只是剛剛完成了其主要頻道（如各省衛視）從標清電視向高清電視的過渡。而多數地方電視臺還沒有自己的高清頻道。也就是說，在今后一段時間內，HDTV在國內都將處于普及發展的階段，各電視臺的主要發展目標依然是提高高清播出率，完成已有標清頻道向高清頻道的過渡，此時再次升級設備明顯增大了投資風險，后期帶來的使用維護費用也會更高，而其帶來的效益短時間內會相當有限。因此各臺在短期內不大可能選擇更新設備向UHDTV過渡。從服務對象來看，一方面，受制于產能和市場定位，UHDTV終端設備價格居高不下，例如LG電子在2012年10月發售第一款84寸的大屏幕LED背光4K液晶電視，售價就高達19999美元。相比較而言，HDTV終端的價格更為親民一些，也是目前市場的主流。另一方面，國內暫時沒有對公眾開放的UHDTV頻道，即使購買了UHDTV終端設備的用戶也只能通過其它有限的渠道獲得UHDTV體驗，這決定了其只會是部分UHDTV發燒者的奢侈玩具。那么是不是現在的市場環境就完全沒有UHDTV生存的空間呢？顯然答案是否定的。只要找準UHDTV的定位，它在現今的國內市場也是可以有其一片細分市場的。

我們必須認識到雖然UHDTV設備價格高昂，但是性能卓越，將UHDTV應用于家庭娛樂可說是大材小用，廣告、大型秀場、大型體育賽事等領域因需要更高的清晰度而使其有著廣闊的市場空間。結合上面的事實以及分析，我們不難看出，UHDTV是未來電視發展的一個趨勢。在技術飛速發展，人們對生活質量的要求日益提高的今天，更為先進的UHDTV無疑會對未來電視產業產生巨大的影響，同時在高清電視技術逐漸普及的之后，UHDTV也會離我們的生活越來越近。

作者：李尹單位：武漢廣播電視臺